蕭山國際機場T4航站樓鋼結構屋蓋連續倒塌分析*

潘鈞俊，安東亞，王瑞峰，余少樂，陳 華，黃沛林，陳新喜，武念鐸

(1.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200112； 2.華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

1 工程概況

杭州蕭山國際機場三期項目新建航站樓及陸側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150萬m2以上，總投資規模在270億元以上，超過杭州機場一期、二期擴建工程，主要工程計劃在2022年杭州亞運會前建成投運。

其中，三期項目新建航站樓(T4)及陸側交通中心工程是三期工程的核心項目，是浙江省大通道建設十大標志性項目，也是2022年杭州亞運會重要基礎配套項目。T4航站樓主樓屋蓋投影尺寸為466m×291m，投影面積為11.5萬m2，屋蓋上弦最高點標高為42.050m，最低點標高為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，屋蓋南北兩側懸挑長度為44m，東西方向懸挑最大長度為44m(見圖1)。

圖1 蕭山機場T4航站樓示意

主樓屋蓋支撐體系包括標準支撐柱、搖擺柱。其中，標準支撐柱由支撐柱+分叉節點+分叉柱組成，共計40組，頂部分叉柱與屋蓋封邊桁架相貫焊接，支撐柱內灌注C60混凝土。搖擺柱為梭形鋼管柱，共計10組，頂部與屋蓋下弦通過球支座連接(見圖2)。

圖2 鋼結構屋蓋示意

結構連續倒塌是指由于結構局部構件的損壞，引起結構構件連續性破壞，最后導致結構的大部分或整體發生坍塌[1-2]。造成結構連續倒塌的原因很多，如施工工藝不當、設計不合理、撞擊荷載、爆炸荷載、地震作用和結構材料性能不合格等[3-5]。研究極端條件引起結構局部關鍵構件失效條件下的整體穩定性，對重要結構的抗災害及保護人員的安全能力具有重要意義。蕭山機場作為浙江的門戶，客流量巨大，結構具有抗極端破壞能力具有重要現實意義[6-7]。基于此，本文對蕭山機場航站樓主樓鋼結構屋蓋進行連續倒塌分析。

表1 屋蓋連續性倒塌性能評價水準及設計措施

2 施工難點分析

分析不同支撐柱失效后是否會造成結構的連續倒塌，采用瞬態動力時程分析方法，充分考慮抽柱后結構狀態改變的慣性效應。采用ABAQUS軟件進行計算，動力積分方式為顯式積分。初始荷載狀態為：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號柱失效、2號柱失效、3號柱失效、4號柱失效，具體失效柱編號如圖3所示。鋼結構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

圖4 鋼結構屋蓋三維分析模型

根據本工程特點，暫將屋蓋結構在關鍵構件失效后的性能水平分為5個等級，并根據不同的等級采取相應的技術措施，具體如表1所示。

除屬于性能等級4，5，可能引起局部或整體連續性倒塌的重點構件建議調整方案或重新設計外，建議在不改變建筑設計表現意圖的前提下，對重點構件進行截面加強，通過降低構件受力應力比來提高安全余度；或通過排查和隔離危險源，降低構件受損概率，從而提高結構安全性。

3 抗連續倒塌分析

3.1 1號柱失效

1號柱失效后，屋蓋局部區域出現撓度增大現象，懸挑邊緣振蕩穩定后的撓度約為5.49m，1號柱失效后，屋蓋支撐柱間的跨度變為約108m，撓跨比約1/20，如圖5所示。

圖5 荷花谷柱施工流程示意

1號柱失效后，上方屋蓋局部區域出現塑性，桿件最大塑性應變達到5.6×10-2，鋼材伸長率>5%，可認為桿件進入較嚴重的破壞水平(見圖6)。除了失效柱外，其他支撐柱均未進入塑性，說明1號柱的失效不會導致局部區域的連續性倒塌。屋蓋總體水平處于表1中性能3，需進行局部加強或針對1號柱設置保護措施。

圖6 1號柱失效后塑性發展

3.2 2號柱失效

2號柱位于角部，失效后2個方向的懸挑跨度均>100m，上方屋蓋較大區域出現變形的瞬間增大，懸挑邊緣豎向變形持續增大，無法繼續承載，最終形成局部較大面積坍塌，如圖7所示。

圖7 2號柱抗倒塌分析結果

2號柱失效后，上方屋蓋較大區域出現塑性，桿件最大塑性應變達0.356，鋼材伸長率>30%，已超過拉斷水平。除了失效柱外，其他周邊的3根支撐柱進入塑性，發生嚴重破壞。這說明除失效柱上方嚴重破壞無法承載外，周圍一定范圍內相關區域柱也發生較嚴重破壞，部分喪失承載力。屋蓋總體水平處于表1中的性能4，需進行局部加強或針對2號柱設置保護措施，避免發生失效(見圖8)。

圖8 2號柱失效后塑性發展

3.3 3號柱失效

3號柱位于角部，失效后2個方向的懸挑跨度均>100m，上方屋蓋較大區域出現變形的瞬間增大，懸挑邊緣豎向變形持續增大，無法繼續承載，最終形成局部較大面積的坍塌，如圖9所示。

圖9 3號柱抗倒塌分析結果

3號柱失效后，上方屋蓋較大區域出現塑性，桿件最大塑性應變達0.168，鋼材伸長率>16%，已超過拉斷水平。除了失效柱外，其他周邊的3根支撐柱進入塑性，發生嚴重破壞。這說明除失效柱上方嚴重破壞無法承載外，周圍一定范圍內相關區域柱也發生較嚴重破壞，部分喪失承載力。屋蓋總體水平處于表1中的性能4，需進行局部加強或針對3號柱設置保護措施，避免發生失效(見圖10)。

圖10 3號柱失效后塑性發展

3.4 4號柱失效

4號柱失效后，屋蓋局部區域出現撓度增大現象，懸挑邊緣振蕩穩定后的撓度約為4.34m，如圖11所示。

圖11 4號柱抗倒塌分析結果

4號柱為搖擺柱，失效后，上方屋蓋局部區域出現塑性，桿件最大塑性應變達7.7×10-2，鋼材伸長率>7%，可認為桿件進入較嚴重的破壞水平(見圖12)。

圖12 4號柱失效后塑性發展

除了失效柱外，與其相鄰的花形支撐柱受荷增大，局部進入塑性，最大塑性應變約1%，為較嚴重破壞，柱頂最大豎向變形約2.2m，除此之外的支撐柱均未進入塑性，說明4號柱的失效不會導致局部區域的連續性倒塌。屋蓋總體水平處于表1中的性能3，需進行局部加強或針對4號柱設置保護措施(見圖13)。

圖13 4號柱失效后花形支撐柱頂豎向變形

4 結語

對蕭山機場新建航站樓主樓鋼結構屋蓋抗連續倒塌分析，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法繼續承載，且周邊相鄰柱相繼發生嚴重破壞，最終形成局部倒塌外，其他幾種工況均未出現連續性倒塌，但上方屋蓋變形較大，且局部桿件產生較嚴重的塑性變形。