上海浦東機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳行李系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧曄峰

上海通利建筑設(shè)計(jì)有限公司 上海 201900

1 工程概況

上海浦東機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳為全球最大單體衛(wèi)星廳，總建筑面積6220000m2，位于浦東機(jī)場(chǎng)T1、T2 航站樓南側(cè)，由兩座連廊相連的衛(wèi)星廳S1 和S2 組成，整個(gè)外觀造型呈工字型。衛(wèi)星廳的行李系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)位于S1 和S2 的- 7.5m 捷運(yùn)層，- 3.5m 檢修夾層，+0.0m 站坪層及+4.0m的國(guó)內(nèi)國(guó)際到達(dá)層，共4 個(gè)樓層。衛(wèi)星廳的行李系統(tǒng)總長(zhǎng)約為135km，配套鋼結(jié)構(gòu)面積約21500m2，鋼材用量2000t 左右。

2 結(jié)構(gòu)形式及材料的選用

衛(wèi)星廳行李系統(tǒng)各區(qū)域根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的要求，結(jié)合衛(wèi)星廳的梁柱位置，地面車輛行走路線及頂部的設(shè)備管線排布，分別采用2 種不同的結(jié)構(gòu)形式（吊掛結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)）。+0.0m 站坪層區(qū)域因有人員及車輛通行要求，地面不允許有鋼柱落地，故采用轉(zhuǎn)換梁、吊桿、平臺(tái)板和鋼梁等構(gòu)件組成的吊掛結(jié)構(gòu)形式。其余樓層因沒(méi)有車輛通行要求，故采用傳統(tǒng)的平臺(tái)板、鋼梁和鋼柱等構(gòu)件組成的鋼框架結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)行李設(shè)備運(yùn)行空間的要求，結(jié)合樓層凈高以及其他專業(yè)的設(shè)備和管線的位置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)鋼梁加平臺(tái)板的厚度不宜超過(guò)250mm，并且鋼結(jié)構(gòu)施工是在主體結(jié)構(gòu)已建好的條件下進(jìn)行，構(gòu)件需通過(guò)地面預(yù)留的安裝洞口運(yùn)輸，并且不能采用大型機(jī)械施工，所以對(duì)構(gòu)件的重量和尺寸都有限制要求。因此根據(jù)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力要求，連接方式及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選用的材料如下：轉(zhuǎn)換梁采用H 型鋼HW150mm×150mm，吊桿選用角鋼L63mm×5mm、槽鋼10# 、及方管60mm×5mm，鋼平臺(tái)梁采用槽鋼14# a，平臺(tái)板采用5mm 花紋鋼板，鋼柱采用方管120mm×6mm 等，鋼材的材質(zhì)采用Q235B。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)備提資及荷載條件，對(duì)選定的吊桿、梁、柱等進(jìn)行初步試算，確定單根吊桿、梁、柱的受荷面積，然后根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果直接采用XSTEEL 鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件搭建鋼結(jié)構(gòu)三維模型，并通過(guò)Navisworks 及Revit 等BIM 軟件將鋼結(jié)構(gòu)的三維模型和其它各專業(yè)的三維模型整合在一起進(jìn)行碰撞檢查，準(zhǔn)確無(wú)誤后再對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算校核。這樣就節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

采用吊掛結(jié)構(gòu)形式的+0.0 站坪層區(qū)域，行李系統(tǒng)的鋼平臺(tái)和上部混凝土梁板之間有許多其他的設(shè)備管線，嚴(yán)重影響了吊桿的布置，因此在兩者中間設(shè)置轉(zhuǎn)換梁系統(tǒng)，從而解決各專業(yè)的碰撞問(wèn)題。轉(zhuǎn)換梁采用H 型鋼梁HW150mm×150mm，梁兩端采用槽鋼吊桿10# 和混凝土梁、板處預(yù)留的鋼埋件連接。行李系統(tǒng)中的分揀系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)盤運(yùn)行荷載較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度有比較高的要求，故此處的吊桿采用剛度較大的方管60mm×5mm，方管吊桿和鋼平臺(tái)采用外加套管焊接的連接方式，從而滿足了結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)此連接節(jié)點(diǎn)鋼接假定的要求。行李系統(tǒng)的其余設(shè)備區(qū)域，因運(yùn)行荷載較小，故采用L63mm×5mm 的角鋼吊桿，角鋼吊桿和鋼平臺(tái)采用螺桿連接，結(jié)構(gòu)計(jì)算按鉸接假定考慮。吊點(diǎn)沿行李系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行方向每隔4m布置，并且盡量和設(shè)備支腿位置重合，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)受力更合理。考慮到運(yùn)行荷載，放置分揀設(shè)備支腿的橫梁采用剛度較大的矩形管120mm×80mm×6mm，放置輸送設(shè)備支腿的橫梁采用槽鋼14# a。行李系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水平力，通過(guò)吊桿之間每隔30m 設(shè)置一道圓鋼交叉支撐，并在靠近主體結(jié)構(gòu)砼柱處設(shè)置水平拉桿來(lái)保證鋼結(jié)構(gòu)的平面穩(wěn)定。

采用鋼框架結(jié)構(gòu)的其他區(qū)域，鋼柱的布置間距同吊桿的要求類似，沿設(shè)備運(yùn)行方向每隔4m 左右布置，鋼柱位置盡量和設(shè)備支腿位置重合，使受力更加合理。

4 鋼結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容

4.1 吊掛結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)

吊掛結(jié)構(gòu)是由吊點(diǎn)、轉(zhuǎn)換梁、吊桿、鋼平臺(tái)構(gòu)成的組合體。+0.0m 站坪層區(qū)域的上部其他設(shè)備管線眾多，其中風(fēng)管的寬度能達(dá)到0.5m～3.5m，直接影響了吊桿和混凝土梁板底預(yù)埋件的連接設(shè)置，為解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中考慮了各種方案，最后采用在吊點(diǎn)和吊桿之間設(shè)置一層轉(zhuǎn)換梁避開(kāi)上部的設(shè)備管線。機(jī)場(chǎng)內(nèi)密布的管線為轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)帶來(lái)了相當(dāng)?shù)碾y度，轉(zhuǎn)換梁根據(jù)不同的空間條件做成了各種形狀。雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了BIM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確化的三維設(shè)計(jì)，但是轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)仍占了吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)50%的設(shè)計(jì)時(shí)間，由此可見(jiàn)其設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

鋼框架結(jié)構(gòu)是由鋼柱、鋼梁、平臺(tái)板構(gòu)成的組合體。典型鋼框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。鋼柱做為主要承受壓力的受力構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)其長(zhǎng)細(xì)比按壓桿控制。考慮設(shè)備維修及人員通行要求，鋼柱之間不宜設(shè)置柱間支撐，因此鋼柱的選用需考慮側(cè)向剛度的要求。相比于H 型截面存在強(qiáng)軸和弱軸的問(wèn)題，方鋼管在兩個(gè)主軸方向的回轉(zhuǎn)半徑相同，方鋼管的剛度及穩(wěn)定性更好。同時(shí)經(jīng)計(jì)算對(duì)比，采用方鋼管柱相比于采用H 型鋼柱的用鋼量節(jié)省了15%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 典型鋼框架結(jié)構(gòu)

鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)運(yùn)輸及安裝條件，鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)成寬度＜=2600mm，長(zhǎng)度＜=6000mm，重量＜=1t 的整體構(gòu)件。相鄰鋼平臺(tái)之間采用間距500mm 的高強(qiáng)螺栓連接，保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員采用整體設(shè)計(jì)后，大幅度減少了平臺(tái)板的現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，構(gòu)件數(shù)量也因此大幅減少，提高了現(xiàn)場(chǎng)的安裝進(jìn)度。鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用工廠制作的方式，也使鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量有了保障。鋼平臺(tái)采用整體設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)梁板結(jié)構(gòu)形式相比，在用鋼量不增加的情況下，現(xiàn)場(chǎng)焊接的工作量減少了80%，安裝進(jìn)度提高了30%，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）行李系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度有較高的要求，因此在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮節(jié)點(diǎn)的可調(diào)性。鋼結(jié)構(gòu)常用的連接節(jié)點(diǎn)一般都采用連接板的連接方式，這種節(jié)點(diǎn)的可調(diào)性都比較差，滿足不了行李系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行精度要求，因此對(duì)此項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，綜合比較后采用長(zhǎng)螺桿的連接方式，使鋼平臺(tái)的可調(diào)高度范圍達(dá)到了上下100mm，解決了設(shè)備對(duì)鋼結(jié)構(gòu)精度的要求。

（2）分揀系統(tǒng)位置處的方管吊桿和鋼平臺(tái)采用剛接的連接方式。吊桿端部設(shè)置可調(diào)螺桿，通過(guò)松擰下端螺母，調(diào)整鋼平臺(tái)標(biāo)高至設(shè)計(jì)標(biāo)高。待設(shè)備調(diào)試完畢后，將節(jié)點(diǎn)處的套管上下焊死，解決了方管吊桿和鋼平臺(tái)的剛性連接要求。方管吊桿和鋼平臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)如圖2（a）所示

（3）其余位置處的角鋼吊桿和鋼平臺(tái)采用鉸接連接的方式。角鋼吊桿和鋼平臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)如圖2（b）所示。角鋼端部間隔100mm 的位置分別設(shè)置螺桿固定用鋼板，鋼平臺(tái)和角鋼吊桿通過(guò)螺桿固定。鋼平臺(tái)的標(biāo)高通過(guò)松擰上下端螺母調(diào)節(jié)，頂部和底部分別設(shè)置雙螺母，防止因設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的震動(dòng)導(dǎo)致螺母松動(dòng)。

（4）鋼柱和鋼平臺(tái)的連接采用將平臺(tái)直接放置于柱頭的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，節(jié)點(diǎn)處槽鋼平臺(tái)梁底部的翼緣采用高強(qiáng)螺栓和柱頭的外伸端板固定，類似于門式鋼架中的端板剛接節(jié)點(diǎn)，螺栓設(shè)置于鋼柱兩側(cè)，使節(jié)點(diǎn)的抗彎能力滿足剛性連接的要求。鋼柱和鋼平臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)如圖2（c）所示。

（5）柱腳節(jié)點(diǎn)采用外露式剛接柱腳，柱腳通過(guò)設(shè)置于柱四周的化學(xué)螺栓和混凝土樓面固定。柱底板和樓面間設(shè)置50mm 的后澆層，以便鋼平臺(tái)的標(biāo)高調(diào)整。鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)如圖2（d）所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.3 欄桿和踢腳板

欄桿高度為1200mm，欄桿的立桿和頂部扶手采用方管40mm×3mm，中部橫檔采用方管30mm×2.5mm，踢腳板采用6mm 厚鋼板，高度100mm。由于工期緊張，為了加快現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度，欄桿和踢腳板采用分段整體制作，現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接的安裝方式。整段欄桿的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為3500mm，中間間隔設(shè)置3 根立桿，立桿采用兩個(gè)M12 的普通螺栓和鋼平臺(tái)側(cè)面的槽鋼橫梁連接。整段踢腳板的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為3100mm，中間間隔設(shè)置3 個(gè)10 厚的連接板，連接板同樣采用螺栓和槽鋼連接。非標(biāo)準(zhǔn)段欄桿及踢腳板，立桿或連接板的間距1000mm。考慮加工及施工誤差，各段欄桿之間和踢腳板之間分別預(yù)留5mm 間隙，欄桿之間采用兩個(gè)M10 的普通螺栓連接，使整片欄桿形成更好的整體剛度性能，解決了結(jié)構(gòu)的安全要求。

5 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用BIM 技術(shù)，將三維模型整合，使設(shè)計(jì)更直觀準(zhǔn)確，避免了各專業(yè)之間現(xiàn)場(chǎng)碰撞問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程優(yōu)化，縮短了因反復(fù)修改設(shè)計(jì)所造成的工時(shí)浪費(fèi)。復(fù)雜管線處設(shè)置轉(zhuǎn)換梁系統(tǒng)，解決了吊桿和頂部管線碰撞的問(wèn)題。鋼平臺(tái)采用模塊設(shè)計(jì)，大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作量，加快了現(xiàn)場(chǎng)安裝工程進(jìn)度。鋼結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)均采用可調(diào)設(shè)計(jì)，從而滿足了行李系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行的精度要求。欄桿、踢腳板、鋼梯和爬梯等次構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)均采用螺栓連接，從而滿足了機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)安裝少焊縫的要求。總體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保障了工程的質(zhì)量與安全。