海口美蘭國際機場國際樓結構設計

方 超 耿良邃

(中國民航機場建設集團公司，北京 100101)

1 工程概況

海口美蘭國際機場國際航站樓位于現有航站樓的東側，建筑平面布置為帶有內庭院的1層建筑物。國際樓長193 m，寬108 m，采用層疊坡屋頂，建筑最高點標高16.50 m，建筑面積約1.5萬m2。效果圖如圖1所示，建筑平面圖如圖2所示。建筑呈“一”字形展開，左側為出發流程，包括辦票大廳、檢驗檢疫、海關、邊防檢查等;右側為到達流程，包括到港大廳、檢驗檢疫、邊防檢查、行李提取、海關、迎客大廳等;中間靠近空側為候機廳和旅客中轉大廳，靠近陸側為辦公和商業。

2 結構體系及特點

2.1 結構體系

圖1 航站樓鳥瞰示意圖

國際樓建筑造型設計理念旨在將現代建筑與傳統地域文化相結合，運用現代建筑材料和結構技術來詮釋木結構坡屋頂建筑獨特韻味。由于傳統木結構具有耐久性差(易腐蝕、遭蟲蛀)、承載能力不足、材料來源困難等問題，而現代廣泛使用的鋼筋混凝土結構恰好可以克服上述問題。根據建筑物造型和平面布局特點，結合建設場地的地震設防烈度，考慮當地的氣候特點和使用維護情況，結構的豎向承重及抗側力結構體系采用鋼筋混凝土框架結構，坡屋面為現澆鋼筋混凝土斜板。

圖2 航站樓建筑平面圖

2.2 坡屋面結構特點

目前按照樓層搭建的結構，平面、立面都較為規則，樓面為平面梁板。一般較規則的平面樓板，在其自身平面內剛度很大，變形很小，在平面外樓板抗彎剛度較小。因此在結構整體分析中可以假定樓板在平面內剛度無限大，在平面外剛度為零，即剛性樓板假定。剛性樓板假定，既符合結構特點又極大的減少了結構的自由度，使結構整體分析大大簡化，提高了分析效率。

國際樓采用坡屋面斜板，結構可能產生較明顯的平面內變形，這種變形會使某些結構構件的內力和位移加大，按照傳統的剛性樓板假定可能得不到正確的結果，甚至偏于不安全。

2.3 研究現狀

當樓板可能產生較明顯的面內變形時，計算時應考慮樓板的面內變形影響或對采用樓板面內無限剛性假定計算方法的計算結果進行調整［1］。

當前在國內廣泛使用的軟件中，由于空間建模能力有限再加上剛性樓板假定深入人心，一些設計人員往往把坡屋頂簡化成垂直投影面下的平面梁板，采用剛性樓板假定對結構進行建模分析;或者建立空間模型時忽略現澆混凝土斜板的作用，采用梁單元模擬結構梁、柱，對其進行建模分析。這兩種情況都不能準確的模擬真實的結構形式，所得的計算結果不能直接用于結構設計。

本文通過國際樓的設計實例，采用PKPM集成軟件中的“復雜多高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP”對結構進行整體建模計算分析。通過坡屋面斜板在整體結構中作用的分析比較，以研究其對計算結果的影響。

3 計算分析

3.1 主要計算參數

國際航站樓外圍尺寸較大，根據建筑平面布置，在縱向設置2道結構縫，將結構劃分為4個相對規則的獨立單元，如圖3所示。S1，S4段是互為鏡像的多跨層疊坡屋面結構，S2，S3段分別為單跨和雙跨的坡屋面結構。

圖3 國際樓分縫示意圖

工程結構設計使用年限為50年，結構安全等級為一級。抗震設防類別為重點設防類(乙類建筑)。抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，設計基本地震加速度0.30g。

3.2 計算分析比較

本工程為層疊坡屋面，屋面板大部分為現澆混凝土斜板。對于坡屋面，剛性樓板假定已不再適用，計算中坡屋面斜板采用彈性樓板假定，與梁、柱一起參與整體分析，作為整體結構的構件貢獻剛度。

為了分析坡屋面中斜板的作用，本文以S1段為例建立了以下三組模型:模型1:不考慮坡屋面斜板的面內、面外剛度;模型2:考慮坡屋面斜板的面內和面外剛度;模型3:考慮坡屋面斜板的面內剛度，忽略面外剛度。結構周期和位移的計算結果對比見表1，單根構件的內力計算結果對比見表2和表3。結構計算模型見圖4。

表1 結構整體計算結果比較

表2 梁彎矩計算結果kN/m

對計算結果做以下分析:

1)從表1可以看出，坡屋面斜板對結構的周期、總地震剪力以及位移均有一定影響。采用模型1計算，由于忽略了斜板的面內和面外剛度，計算結果偏柔，地震反應也較小一些，偏于不安全;采用模型2和模型3計算，計算結果基本一致，說明坡屋面斜板的面內剛度對結構周期、總地震剪力和位移的計算結果影響相對較大，而斜板的面外剛度對上述計算結果影響相對較小。

2)從表2中可以看出，模型1忽略斜板的面內和面外剛度時，梁的兩端內力計算結果最大，而跨中內力計算結果最小;模型2和模型3的梁內力計算結果較為接近，在平行于斜板方向梁的內力計算結果中模型2略大，而垂直于斜板方向梁的內力計算結果中模型3略大。這說明坡屋面斜板的存在影響了梁在整體模型計算中的剛度貢獻，進而影響構件內力計算結果。

表3 柱底內力計算結果

圖4 結構計算模型

3)柱1的計算結果主要反映坡屋面斜板對豎向構件內力的影響。從表3中可以看出，在豎向荷載作用下，三種模型算出的構件內力相差很小;在水平荷載作用下，模型1構件內力計算結果較模型2和模型3差別較大，模型2和模型3基本一致，模型3略小。這說明坡屋面斜板剛度貢獻明顯，結構的總剛度增加，地震作用增強。

綜上可以認為，現澆鋼筋混凝土坡屋面斜板對結構的剛度和內力計算結果影響較大，設計時需要考慮斜板的作用。從受力分析角度看，考慮坡屋面斜板面內和面外剛度相對最符合樓板的真實受力情況;但從工程設計角度看，部分豎向屋面荷載將通過樓板的面外剛度直接傳遞給豎向構件，導致梁的計算彎矩減小，相應的配筋也減小。采用考慮坡屋面斜板面內剛度而忽略面外剛度時，所有豎向荷載都通過梁傳遞給豎向構件，這與過去所有關于梁的工程經驗的剛性樓板假定相對應，梁配筋的安全儲備相一致。因此建議在做類似坡屋面結構設計時，現澆混凝土斜板采用考慮面內剛度、忽略面外剛度的彈性模單元進行建模計算分析，采用同時考慮斜板面內和面外剛度的彈性板單元進行計算復核。

4 坡屋頂結構設計處理

從計算比較分析可知，現澆鋼筋混凝土坡屋面斜板的剛度及抗力貢獻明顯，結構構件的計算配筋和構造處理與平屋面梁板有很大的不同。因此，在完成結構體系和構件計算之后，坡屋面結構的構造設計也必須重視。

1)由于坡屋面斜板的空間作用和平面內外的綜合受力，坡屋面板配置鋼筋不僅要考慮板平面的抗彎，而且要考慮其軸向受力。計算結果表明，坡屋面斜板內力以軸力為主，彎矩較小，尤其靠近檐口部分及坡屋頂的脊線處存在較大拉力。因此坡屋面斜板鋼筋配置不僅要考慮板平面抗彎，而且要考慮其軸向受力。坡屋面板應雙層雙向通長配筋，并適當加密鋼筋間距，在節點內均應按照受拉錨固。斜板轉折相交節點，應適當加強，板鋼筋交叉搭接錨固長度宜滿足LaE，如圖5所示。

圖5 屋頂板折角示意圖

2)經計算分析可知，由于坡屋面斜板采用彈性板假定進行計算分析，屋面梁中大都存在較大的拉力，需要按照拉彎構件設計。在構造上，這些梁頂部和底部均應配置一定數量的通長鋼筋，并且均應按照受拉錨固。

3)國際樓采用層疊坡屋面，在坡屋頂梁柱連接位置存在較多的短柱。這些位置的混凝土柱在按照短柱計算進行配筋的同時，還要加強構造處理。在構造上，這些短柱采用復合箍筋，并且短柱高度范圍內進行箍筋全高加密處理。

5 結語

1)國際樓建筑造型獨特，以現代混凝土材料和結構計算理論詮釋木結構坡屋頂的獨特韻味。混凝土材料的仿木建筑，需要建筑與結構協調配合，使結構成為充滿生機的建筑藝術的基礎。

2)現澆鋼筋混凝土坡屋面斜板的存在，結構的周期、位移和內力等都與平屋頂結構差別較大。本文根據坡屋面斜板剛度貢獻的考慮情況建立三種模型，進行對比分析。結果顯示坡屋面斜板面內剛度對結構計算分析影響重大，設計計算中可以采用考慮斜板面內剛度的模型進行計算分析設計，采用考慮斜板面內和面外剛度的模型進行復核設計。該方法與過去工程中有關梁的工程經驗相對應，配筋的安全儲備相一致。

3)坡屋面斜板的特殊性，在滿足計算的前提下，需要考慮斜板的軸力和梁的軸力，在構造上采用加強措施;層疊坡屋面產生的短柱，同樣需要加強構造措施。

［1］ JGJ 3-2012，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［2］ 建筑工程軟件研究所，中國建筑科學研究院.PKPM多高層結構計算軟件應用指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3］ 賀 楊，張永勝.高層建筑結構優化設計［J］.山西建筑，2012，38(5):34-35.