蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)T4航站樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋連續(xù)倒塌分析*

潘鈞俊，安東亞，王瑞峰，余少樂(lè)，陳 華，黃沛林，陳新喜，武念鐸

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200112； 2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002)

1 工程概況

杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期項(xiàng)目新建航站樓及陸側(cè)交通中心工程旅客航站樓及北三指廊工程將新建建筑物面積達(dá)150萬(wàn)m2以上，總投資規(guī)模在270億元以上，超過(guò)杭州機(jī)場(chǎng)一期、二期擴(kuò)建工程，主要工程計(jì)劃在2022年杭州亞運(yùn)會(huì)前建成投運(yùn)。

其中，三期項(xiàng)目新建航站樓(T4)及陸側(cè)交通中心工程是三期工程的核心項(xiàng)目，是浙江省大通道建設(shè)十大標(biāo)志性項(xiàng)目，也是2022年杭州亞運(yùn)會(huì)重要基礎(chǔ)配套項(xiàng)目。T4航站樓主樓屋蓋投影尺寸為466m×291m，投影面積為11.5萬(wàn)m2，屋蓋上弦最高點(diǎn)標(biāo)高為42.050m，最低點(diǎn)標(biāo)高為32.260m，整體最大高差9.79m。屋蓋沿南北方向高差變化起伏較大，整體呈波浪形；東西方向同一橫斷面高差變化較小，高差約2m。屋蓋最大跨度為54m，屋蓋南北兩側(cè)懸挑長(zhǎng)度為44m，東西方向懸挑最大長(zhǎng)度為44m(見(jiàn)圖1)。

圖1 蕭山機(jī)場(chǎng)T4航站樓示意

主樓屋蓋支撐體系包括標(biāo)準(zhǔn)支撐柱、搖擺柱。其中，標(biāo)準(zhǔn)支撐柱由支撐柱+分叉節(jié)點(diǎn)+分叉柱組成，共計(jì)40組，頂部分叉柱與屋蓋封邊桁架相貫焊接，支撐柱內(nèi)灌注C60混凝土。搖擺柱為梭形鋼管柱，共計(jì)10組，頂部與屋蓋下弦通過(guò)球支座連接(見(jiàn)圖2)。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋示意

結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是指由于結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的損壞，引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件連續(xù)性破壞，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的大部分或整體發(fā)生坍塌[1-2]。造成結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因很多，如施工工藝不當(dāng)、設(shè)計(jì)不合理、撞擊荷載、爆炸荷載、地震作用和結(jié)構(gòu)材料性能不合格等[3-5]。研究極端條件引起結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵構(gòu)件失效條件下的整體穩(wěn)定性，對(duì)重要結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)害及保護(hù)人員的安全能力具有重要意義。蕭山機(jī)場(chǎng)作為浙江的門(mén)戶，客流量巨大，結(jié)構(gòu)具有抗極端破壞能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。基于此，本文對(duì)蕭山機(jī)場(chǎng)航站樓主樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行連續(xù)倒塌分析。

表1 屋蓋連續(xù)性倒塌性能評(píng)價(jià)水準(zhǔn)及設(shè)計(jì)措施

2 施工難點(diǎn)分析

分析不同支撐柱失效后是否會(huì)造成結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，采用瞬態(tài)動(dòng)力時(shí)程分析方法，充分考慮抽柱后結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變的慣性效應(yīng)。采用ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算，動(dòng)力積分方式為顯式積分。初始荷載狀態(tài)為：1.0恒荷載+1.0活荷載。

綜合支撐跨度、受荷情況、所處不利位置等因素，確定4種柱失效的工況，分別命名為1號(hào)柱失效、2號(hào)柱失效、3號(hào)柱失效、4號(hào)柱失效，具體失效柱編號(hào)如圖3所示。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維分析模型如圖4所示。

圖3 屋蓋支撐柱布置及失效柱編號(hào)

圖4 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維分析模型

根據(jù)本工程特點(diǎn)，暫將屋蓋結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵構(gòu)件失效后的性能水平分為5個(gè)等級(jí)，并根據(jù)不同的等級(jí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，具體如表1所示。

除屬于性能等級(jí)4，5，可能引起局部或整體連續(xù)性倒塌的重點(diǎn)構(gòu)件建議調(diào)整方案或重新設(shè)計(jì)外，建議在不改變建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)意圖的前提下，對(duì)重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行截面加強(qiáng)，通過(guò)降低構(gòu)件受力應(yīng)力比來(lái)提高安全余度；或通過(guò)排查和隔離危險(xiǎn)源，降低構(gòu)件受損概率，從而提高結(jié)構(gòu)安全性。

3 抗連續(xù)倒塌分析

3.1 1號(hào)柱失效

1號(hào)柱失效后，屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)撓度增大現(xiàn)象，懸挑邊緣振蕩穩(wěn)定后的撓度約為5.49m，1號(hào)柱失效后，屋蓋支撐柱間的跨度變?yōu)榧s108m，撓跨比約1/20，如圖5所示。

圖5 荷花谷柱施工流程示意

1號(hào)柱失效后，上方屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)塑性，桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)到5.6×10-2，鋼材伸長(zhǎng)率>5%，可認(rèn)為桿件進(jìn)入較嚴(yán)重的破壞水平(見(jiàn)圖6)。除了失效柱外，其他支撐柱均未進(jìn)入塑性，說(shuō)明1號(hào)柱的失效不會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的連續(xù)性倒塌。屋蓋總體水平處于表1中性能3，需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)1號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施。

圖6 1號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

3.2 2號(hào)柱失效

2號(hào)柱位于角部，失效后2個(gè)方向的懸挑跨度均>100m，上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)變形的瞬間增大，懸挑邊緣豎向變形持續(xù)增大，無(wú)法繼續(xù)承載，最終形成局部較大面積坍塌，如圖7所示。

圖7 2號(hào)柱抗倒塌分析結(jié)果

2號(hào)柱失效后，上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)塑性，桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)0.356，鋼材伸長(zhǎng)率>30%，已超過(guò)拉斷水平。除了失效柱外，其他周邊的3根支撐柱進(jìn)入塑性，發(fā)生嚴(yán)重破壞。這說(shuō)明除失效柱上方嚴(yán)重破壞無(wú)法承載外，周圍一定范圍內(nèi)相關(guān)區(qū)域柱也發(fā)生較嚴(yán)重破壞，部分喪失承載力。屋蓋總體水平處于表1中的性能4，需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)2號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施，避免發(fā)生失效(見(jiàn)圖8)。

圖8 2號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

3.3 3號(hào)柱失效

3號(hào)柱位于角部，失效后2個(gè)方向的懸挑跨度均>100m，上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)變形的瞬間增大，懸挑邊緣豎向變形持續(xù)增大，無(wú)法繼續(xù)承載，最終形成局部較大面積的坍塌，如圖9所示。

圖9 3號(hào)柱抗倒塌分析結(jié)果

3號(hào)柱失效后，上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)塑性，桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)0.168，鋼材伸長(zhǎng)率>16%，已超過(guò)拉斷水平。除了失效柱外，其他周邊的3根支撐柱進(jìn)入塑性，發(fā)生嚴(yán)重破壞。這說(shuō)明除失效柱上方嚴(yán)重破壞無(wú)法承載外，周圍一定范圍內(nèi)相關(guān)區(qū)域柱也發(fā)生較嚴(yán)重破壞，部分喪失承載力。屋蓋總體水平處于表1中的性能4，需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)3號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施，避免發(fā)生失效(見(jiàn)圖10)。

圖10 3號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

3.4 4號(hào)柱失效

4號(hào)柱失效后，屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)撓度增大現(xiàn)象，懸挑邊緣振蕩穩(wěn)定后的撓度約為4.34m，如圖11所示。

圖11 4號(hào)柱抗倒塌分析結(jié)果

4號(hào)柱為搖擺柱，失效后，上方屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)塑性，桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)7.7×10-2，鋼材伸長(zhǎng)率>7%，可認(rèn)為桿件進(jìn)入較嚴(yán)重的破壞水平(見(jiàn)圖12)。

圖12 4號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

除了失效柱外，與其相鄰的花形支撐柱受荷增大，局部進(jìn)入塑性，最大塑性應(yīng)變約1%，為較嚴(yán)重破壞，柱頂最大豎向變形約2.2m，除此之外的支撐柱均未進(jìn)入塑性，說(shuō)明4號(hào)柱的失效不會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的連續(xù)性倒塌。屋蓋總體水平處于表1中的性能3，需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)4號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施(見(jiàn)圖13)。

圖13 4號(hào)柱失效后花形支撐柱頂豎向變形

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)蕭山機(jī)場(chǎng)新建航站樓主樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋抗連續(xù)倒塌分析，假定了7種不同位置柱的失效工況，除了角部柱失效后上方屋蓋無(wú)法繼續(xù)承載，且周邊相鄰柱相繼發(fā)生嚴(yán)重破壞，最終形成局部倒塌外，其他幾種工況均未出現(xiàn)連續(xù)性倒塌，但上方屋蓋變形較大，且局部桿件產(chǎn)生較嚴(yán)重的塑性變形。