重慶江北國際機場空管塔臺混凝土結構設計

張濤

【摘要】對重慶江北國際機場空管塔臺的方案、結構選型、建模要點及分析計算進行全面介紹

【關鍵詞】空管塔臺；結構選型；分析計算

一 工程概況

重慶江北國際機場東航站區及第三跑道空管工程是重慶江北國際機場T3航站樓的重要配套工程，包含空管塔臺、裙樓、終端管制大樓等多個單體，已于2015年1月正式開工建設。作為整個空管工程的標志性建筑，空管塔臺（以下簡稱塔臺）具有極為重要的核心地位。

二 塔臺建筑方案概述

塔臺建筑方案由中國民航機場建設集團公司設計，采用中部收腰式筒體造型，外掛玻璃幕墻和鋁板幕墻，最高點高度為91.3m，塔臺立面圖如圖1所示。地上共設13個建筑層，設地下室1層。其中地下室及地上1～12層均為鋼筋混凝土結構，地下室設有配電間、水泵房，地上1～8層為上下通行層，第9～12層為設備功能層，設有休息間、設備室、檢修環等，第13層明室層（管制員席位層）采用鋼結構。1-12層均配有兩部電梯，且每層根據功能要求均布置了通風井、管道井。塔臺地下室及標準層平面圖如圖2、圖3所示。

圖2 塔臺地下室平面布置圖

圖3 塔臺標準層平面布置圖

圖1 塔臺立面圖

三 塔臺結構設計

1 塔臺結構選型及基本設計參數

根據上述建筑方案并結合塔臺自身形式特點，決定對塔臺主體采用現澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系（頂層明室采用鋼框架結構）。其中塔臺中部圓形混凝土筒體為主要受力部位，圍繞筒體外圍按45度均分設八根鋼筋混凝土框架柱，由塔底直通塔頂，并根據塔臺外立面造型實現從底到頂由斜柱—直柱—斜柱的連接過渡，既可作為結構抗震設計的多道防線，也可作為塔臺外掛幕墻的找形輔助。

重慶所處地區抗震設防烈度為6度，擬建場地為II類，設計基本地震加速度及抗震分組分別為0.05g、第一組，結構安全等級為一級，框架-核心筒抗震等級為二級，根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）5.3.6的要求，抗震設防類別應高于乙類，可在抗震構造措施中通過提高軸壓比限制、加密箍筋直徑及間距等措施予以體現。

2 結構建模及分析計算

采用中國建筑科學研究院編寫的2010版PKPM（2.1）系列軟件進行整體建模及分析計算。考慮到按地上13層的建筑層劃分將使大部分層高達到9m，層間位移角計算數值較大，且塔臺底部幾層的墻體厚度較大，影響建筑使用空間，故在塔臺2～9層每層層間均加設一結構層，平面布置與相鄰建筑層一致，將層高由9m降至4.5m，塔身墻體厚度取為450mm（69m以上部位為400mm），地下室層高取為6.5m，外墻厚度600mm。外圍八根框架柱尺寸為400x700mm，柱間通過400x800mm環形梁、柱與核心筒間通過放射狀框架梁+樓板相連。塔臺自身結構完全對稱，質量中心與剛度中心基本重合，筒體及內墻上開有門窗洞口，在遵循建筑使用功能要求的前提下盡量使開洞對稱，減小結構扭轉效應。塔臺機房設備自重為結構主要附加荷載，且主要集中在頂部三層，荷載取值按500kg/m2～750kg/m2考慮。根據建筑造型要求，上部第三層框架柱根部處與下層不連續，故通過設置轉換梁使豎向荷載得以連續傳遞，定義當層為轉換層及結構薄弱層，并將轉換梁抗震等級提高為一級。最頂層鋼框架通過MIDAS GEN模塊分析計算，并將四根鋼柱的底部彎矩及軸力通過點荷載形式施加到混凝土結構頂層。地下室至地上41.9m處混凝土等級取C50，41.9m以上部位取C45。取地下室頂板作為結構整體計算嵌固部位。塔臺模型如圖4所示。

塔臺筒體直徑約9.2m，混凝土部分最高點高度85.1m，高寬比接近10，使塔臺成為兼具高層結構及高聳結構特點的特殊建筑。受使用功能所限，每層樓板均開有電梯洞、風井洞、管井洞，開洞面積約占樓板面積的30%，綜合受力及經濟性考慮，地下室頂板板厚取250mm，中間高度處（41.9m標高）樓板厚取200mm，頂層高度處（85.1m標高）樓板厚取200mm，其余層板厚取120mm，并將各層樓板按彈性膜定義考慮，使計算假定更符合實際受力。

考慮到塔臺具有對風荷載較為敏感的高聳結構特性，為使結構分析時風荷載取值更為精確，故委托中國建筑科學研究院風洞試驗室進行了塔臺的風洞測壓試驗及風致振動分析，結果表明按50年重現期基 圖4 塔臺模型

本風壓0.4kN/m2考慮，結構整體設計時風荷載體型系數可取為0.8，塔

臺表面極值壓力變化范圍為-3.4～1.4kN/m2，結構阻尼比0.05時，頂部位移響應最大水平位移為24mm，為結構高度的1/3546。并得到10組等效靜風荷載，可按特殊風荷載定義精確施加到每層進行強度計算。

實際計算時偏于安全地按照100年重現期基本風壓考慮，對風荷載體型系數取為1.0，并將每層等效風荷載按比例相應放大，且參考臨近T3航站樓場區的地震安全性評估報告，場地特征周期取為0.4s，地震影響系數最大值取為0.615，均較規范要求有所提高。經過計算可得結構各項主要指標結果如表1、表2所示，混凝土框架柱最大軸壓比為0.20，墻體最大軸壓比為0.32，均滿足規范限制要求，墻、梁、板、柱等構件的配筋率均在正常范圍內，混凝土墻體均為構造配筋。

3 基礎分析及計算

塔臺的基礎部分在整個結構設計中占有舉足輕重的地位。參考北京、天津、昆明等多地塔臺設計方案，基礎通常采用筏板+樁的組合形式。原因主要在于以上各地的地基承載力不高難以作為天然地基，且抗震設防烈度均在7度以上，在水平荷載作用下須考慮整體傾覆影響，故需在基礎中設置鋼筋混凝土樁滿足承載力及抗拔要求。根據重慶的地質詳勘報告，擬建場地地質條件良好，主要以泥巖、砂巖為主，地基承載力特征值均在2000kPa以上，可作為天然地基，且重慶抗震設防烈度為6度，地震作用較小。由表3可以看到，在風荷載及地震作用下塔臺底部均無零應力區出現，且抗傾覆力矩與傾覆力矩比值均大于10，有較高的安全儲備，結構整體能夠通過穩定驗算，不會發生傾覆。綜合以上因素考慮，決定塔臺采用筏板基礎+天然地基，即提高了施工速度，又有效節省了工程整體造價。經過調整試算，筏板厚度取為2.5m，可滿足混凝土墻體與基礎相交處筏板抗沖切計算及筏板外圈板帶的抗彎曲計算。整個塔臺建筑埋深為8.4m（地下室層高6.5m+筏板板厚2.5m-室內外高差0.6m），約為建筑地上總高度的1/11，滿足地基基礎設計規范相關要求，

四 結束語

隨著我國航空業務量的不斷增長，未來各地新空管塔臺的建設必將成為新機場建設中的重要一環。各地塔臺建筑造型在滿足使用功能的前提下具有一些共性，但又結合自身特點及當地要求不斷創新，為塔臺的結構設計者持續帶來新的挑戰。作為結構工程師應抓住這一良機，力爭在設計過程中做到“溫故而知新”，不斷在新變化、新突破中提高自身設計水平，增強綜合業務素質，并為民航發展助力增光。

參考文獻：

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