某機場航站樓混凝土結構設計

董彬 馮香玲 陳俊

(中國民航機場建設集團公司，北京 100101)

該機場改擴建工程航站樓地上共2層，建筑物總長356 m，寬27 m～64 m，屋面高度12.8 m～22.3 m。航站樓屋蓋平面投影呈凸字形，中間為大廳，兩側為指廊。整個屋面軸線水平投影面積為17924 m2。航站樓1層采用鋼筋混凝土結構，2層鋼柱及屋蓋采用鋼結構。航站樓墻面采用通透的玻璃幕墻圍護系統，屋面采用輕型復合保溫金屬屋面，局部設采光天窗。建筑物整體造型簡潔明快，路側屋面外挑9.3 m，采用曲線造型，富有動感，如圖1所示。

1 地基基礎設計

由于該地區的地基土的承載力不高，并且有液化現象，因此，需要對航站區進行地基處理。處理方法為:用CFG樁地基處理技術，以解決地基承載力的問題。CFG樁φ400@2000 mm，設計樁長14.0 m，共4701根。另外本工程還采用碎石樁地基處理技術解決③粉土及④粉砂液化土層問題。碎石樁φ500@2000 mm，設計樁長5.0 m，共4717根。處理后的地基承載力特征值fak≥220 kPa，處理后的地基土總沉降量不應大于40 mm。圖2為CFG樁及碎石樁布樁示意圖，圖3為CFG樁剖面示意圖，圖4為碎石樁剖面示意圖。地基處理完成后，對于航站樓結構基礎選用獨立基礎的形式。經過計算，獨立基礎的尺寸約為6.5 m×6.5 m(帶鋼柱基礎)，5.0 m ×5.0 m(不帶鋼柱基礎)。

2 結構體系

該機場航站樓1層為鋼筋混凝土結構，樓板和梁采用預應力鋼筋混凝土結構，沿縱向分為三個溫度區段。中間大廳段為B區，縱向長132 m，兩翼指廊分別為 A，C區，A區指廊縱向長82 m，C區指廊縱向長134 m，標準柱距12 m。2層及屋面采用鋼結構。大廳屋面造型為由不同弧線組合而成的單向曲面，桁架為兩連跨，指廊屋面造型為單向筒殼，桁架為單跨。鋼柱采用焊接箱形截面，與下部混凝土結構剛接。大廳和指廊橫向主受力桁架均采用倒三角形變高度空間桁架，桁架斷面是由三根鋼管作為弦桿組成的等腰三角形，桁架沿屋面外輪廓找形，呈多圓弧曲線。通過在柱頂附近的屋面桁架之間設置縱向的聯系桁架和封閉的水平支撐，承受由地震作用和風荷載產生的水平力，形成一個穩定的屋蓋結構體系。中間大廳的結構體系如圖5所示，兩翼指廊的結構體系如圖6所示。

3 結構計算及分析

3.1 結構計算參數

1)結構設計參數。

本工程設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為乙級。按照乙類建筑進行設計，框架抗震等級二級，抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅲ類。基本風壓0.55 kN/m2，地面粗糙度 B類。基本雪壓0.25 kN/m2。

2)荷載與作用。

包括樓面及屋面恒載、活載以及風載、雪載、地震作用。鋼結構屋面永久荷載:1.0 kN/m2，屋面活載:0.50 kN/m2。混凝土樓面永久荷載按照實際考慮;樓面活載:3.5 kN/m2(候機大廳、商店、走廊、樓梯)、2.0 kN/m2(辦公)、3.5 kN/m2(餐廳)、2.5 kN/m2(衛生間)。地震作用:按振型分解反應譜法進行計算。

3)荷載組合。

按國家相關規范[3]進行。

3.2 結構計算方法

航站樓大廳和兩側指廊間設有伸縮縫，構件之間沒有連接，獨立形成三個結構單體。計算時分別建模分析。大廳和指廊結構均采用Midas Gen結構分析軟件[1]進行線彈性三維空間整體模型分析。由于航站樓下部為混凝土結構，上部為鋼結構，屬于兩種不同材料的組合結構類型。結構分析時，采用Midas中組阻尼的概念，對該組合結構進行分析計算。

3.3 計算結果及分析

由于三個單元類似，本文僅給出大廳的計算分析過程及結果。大廳整體結構的周期如圖7所示。大廳1層混凝土部分的位移比及位移角如表1所示，均滿足規范要求。

表1 計算結果及對比分析

4 結構設計

1)混凝土概況。

航站樓1層為現澆混凝土框架結構，由于總長度為352 m，因此，航站樓各段之間以變形縫分開，變形縫處雙柱間距2.0 m。各段結構特征分述如下:A段主體為1層現澆混凝土框架結構。平面尺寸27.00 m ×84.00 m，基本柱網 13.50 m ×12.00 m，混凝土結構標高為6.035 m，為后張有粘結預應力混凝土主次梁體系。B段主體為1層現澆混凝土框架結構。平面尺寸64.00 m×132.00 m，基本柱網13.50 m ×11.00 m 和 15.00 m ×12.00 m，混凝土結構標高為6.035 m，為后張有粘結預應力混凝土主次梁體系。C段主體為1層現澆混凝土框架結構。平面尺寸27.00 m×136.00 m，基本柱網13.50 m ×12.00 m，混凝土結構標高為6.035 m，為后張有粘結預應力混凝土主次梁體系。

2)后張有粘結與無粘結預應力混凝土。

根據上述可知，混凝土部分跨度比較大，因此本設計在框架梁以及次梁中采用了有粘結預應力混凝土結構，樓板中采用無粘結預應力混凝土結構。目前，現澆預應力混凝土結構一般采用后張法，后張預應力施工分為有粘結及無粘結兩種[2]。有粘結預應力結構靠灌漿實現有粘結，而無粘結則靠端錨建立預應力。有粘結筋的最大應力出現在最大彎矩截面處，破壞時臨界截面對于有粘結筋的應力非常接近鋼筋的極限強度，無粘結筋的應力沿全長幾乎相等，因此預應力鋼筋的非彈性性能即構件的能量消散不能得到充分發揮，所以只對板可以采用無粘結預應力結構。

本工程預應力混凝土設計參數如下:梁、板、柱混凝土強度等級C40，框架梁、柱主筋采用HRB400級，預應力筋均采用1860 MPa φs15.2級低松弛鋼絞線，設計張拉控制應力為0.75fptk(fptk為鋼絞線的強度標準值)。預應力框架梁的設計抗震等級為2級，在設計時應按正常使用極限狀態下2級裂縫控制等級，即按一般要求不出現裂縫的原則來進行預應力框架梁的計算分析，因此，預應力框架梁設計時在荷載效應的標準組合和準永久組合下應分別符合現行設計規范的下列規定:

a.構件受拉區拉應力:σck－ σpc≤ftk，σcq－ σpc≤0;

b.梁端受壓區高度:x≤0.35h0;

c.梁端預應力強度比:fpyAp/(fpyAp+fyAshs/hp)≤0.75;

d.縱向受拉鋼筋按非預應力鋼筋抗拉強度設計值換算的配筋率不應大于2.5%。以上各式中，σpc為扣除全部預應力損失后在抗裂驗算邊緣混凝土的預壓應力;Ap為鋼絞線截面積;hs，hp分別為縱向受拉非預應力筋、預應力筋合力點至梁截面受壓邊緣的有效距離;其他參數見規范[3]。根據以上計算原則，本工程典型框架梁的預應力設計結果如圖8所示。

3)超長混凝土結構。

本工程為超長混凝土結構。超長混凝土結構采用微膨脹混凝土澆筑，超長建筑物中部(間距約40 m)設后澆帶(地梁設膨脹加強帶)。微膨脹混凝土采用復合膨脹劑配制。

后澆帶處結構中的鋼筋不應切斷，且要配置適量的加強鋼筋(如圖8所示)，待后澆帶兩側澆完混凝土28 d以后，將帶兩側的混凝土表面鑿毛，再用比設計的混凝土強度等級高一級的混凝土澆灌，并加強養護。

4)上部鋼結構柱與混凝土的連接節點。

本工程中上部鋼結構的鋼柱與下部混凝土剛接連接，如圖9所示。

5 結語

1)本文根據工程地基較差的情況，給出了處理地基承載力不足以及地基土液化問題的方法，實踐證明，效果良好，可供類似地基問題的結構設計參考。

2)對于上部為鋼結構，下部為混凝土的組合結構，結構計算分析時應建立整體模型進行分析計算。同時應考慮下部混凝土材料與上部鋼結構材料的阻尼比不一致的情況，選用合適的方法進行計算分析。本工程采用基于能量原理的組阻尼的概念進行計算分析，結果較為理想。

3)本文給出了對于航站樓這樣大跨度混凝土框架梁的預應力設計方法以及部分設計結果，同時，也給出了鋼柱與混凝土的連接節點圖，可供同類型的結構設計參考。

[1]北京邁達斯技術有限公司.Midas Gen技術幫助手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2011.

[2]陳 瑜，鄭立煌.武漢天河機場新航站樓預應力混凝土結構設計[J].建筑結構，2009，39(2):33-35.

[3]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].