某机场航站楼混凝土结构设计

董彬 冯香玲 陈俊

(中国民航机场建设集团公司，北京 100101)

该机场改扩建工程航站楼地上共2层，建筑物总长356 m，宽27 m～64 m，屋面高度12.8 m～22.3 m。航站楼屋盖平面投影呈凸字形，中间为大厅，两侧为指廊。整个屋面轴线水平投影面积为17924 m2。航站楼1层采用钢筋混凝土结构，2层钢柱及屋盖采用钢结构。航站楼墙面采用通透的玻璃幕墙围护系统，屋面采用轻型复合保温金属屋面，局部设采光天窗。建筑物整体造型简洁明快，路侧屋面外挑9.3 m，采用曲线造型，富有动感，如图1所示。

1 地基基础设计

由于该地区的地基土的承载力不高，并且有液化现象，因此，需要对航站区进行地基处理。处理方法为:用CFG桩地基处理技术，以解决地基承载力的问题。CFG桩φ400@2000 mm，设计桩长14.0 m，共4701根。另外本工程还采用碎石桩地基处理技术解决③粉土及④粉砂液化土层问题。碎石桩φ500@2000 mm，设计桩长5.0 m，共4717根。处理后的地基承载力特征值fak≥220 kPa，处理后的地基土总沉降量不应大于40 mm。图2为CFG桩及碎石桩布桩示意图，图3为CFG桩剖面示意图，图4为碎石桩剖面示意图。地基处理完成后，对于航站楼结构基础选用独立基础的形式。经过计算，独立基础的尺寸约为6.5 m×6.5 m(带钢柱基础)，5.0 m ×5.0 m(不带钢柱基础)。

2 结构体系

该机场航站楼1层为钢筋混凝土结构，楼板和梁采用预应力钢筋混凝土结构，沿纵向分为三个温度区段。中间大厅段为B区，纵向长132 m，两翼指廊分别为 A，C区，A区指廊纵向长82 m，C区指廊纵向长134 m，标准柱距12 m。2层及屋面采用钢结构。大厅屋面造型为由不同弧线组合而成的单向曲面，桁架为两连跨，指廊屋面造型为单向筒壳，桁架为单跨。钢柱采用焊接箱形截面，与下部混凝土结构刚接。大厅和指廊横向主受力桁架均采用倒三角形变高度空间桁架，桁架断面是由三根钢管作为弦杆组成的等腰三角形，桁架沿屋面外轮廓找形，呈多圆弧曲线。通过在柱顶附近的屋面桁架之间设置纵向的联系桁架和封闭的水平支撑，承受由地震作用和风荷载产生的水平力，形成一个稳定的屋盖结构体系。中间大厅的结构体系如图5所示，两翼指廊的结构体系如图6所示。

3 结构计算及分析

3.1 结构计算参数

1)结构设计参数。

本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级。按照乙类建筑进行设计，框架抗震等级二级，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅲ类。基本风压0.55 kN/m2，地面粗糙度 B类。基本雪压0.25 kN/m2。

2)荷载与作用。

包括楼面及屋面恒载、活载以及风载、雪载、地震作用。钢结构屋面永久荷载:1.0 kN/m2，屋面活载:0.50 kN/m2。混凝土楼面永久荷载按照实际考虑;楼面活载:3.5 kN/m2(候机大厅、商店、走廊、楼梯)、2.0 kN/m2(办公)、3.5 kN/m2(餐厅)、2.5 kN/m2(卫生间)。地震作用:按振型分解反应谱法进行计算。

3)荷载组合。

按国家相关规范[3]进行。

3.2 结构计算方法

航站楼大厅和两侧指廊间设有伸缩缝，构件之间没有连接，独立形成三个结构单体。计算时分别建模分析。大厅和指廊结构均采用Midas Gen结构分析软件[1]进行线弹性三维空间整体模型分析。由于航站楼下部为混凝土结构，上部为钢结构，属于两种不同材料的组合结构类型。结构分析时，采用Midas中组阻尼的概念，对该组合结构进行分析计算。

3.3 计算结果及分析

由于三个单元类似，本文仅给出大厅的计算分析过程及结果。大厅整体结构的周期如图7所示。大厅1层混凝土部分的位移比及位移角如表1所示，均满足规范要求。

表1 计算结果及对比分析

4 结构设计

1)混凝土概况。

航站楼1层为现浇混凝土框架结构，由于总长度为352 m，因此，航站楼各段之间以变形缝分开，变形缝处双柱间距2.0 m。各段结构特征分述如下:A段主体为1层现浇混凝土框架结构。平面尺寸27.00 m ×84.00 m，基本柱网 13.50 m ×12.00 m，混凝土结构标高为6.035 m，为后张有粘结预应力混凝土主次梁体系。B段主体为1层现浇混凝土框架结构。平面尺寸64.00 m×132.00 m，基本柱网13.50 m ×11.00 m 和 15.00 m ×12.00 m，混凝土结构标高为6.035 m，为后张有粘结预应力混凝土主次梁体系。C段主体为1层现浇混凝土框架结构。平面尺寸27.00 m×136.00 m，基本柱网13.50 m ×12.00 m，混凝土结构标高为6.035 m，为后张有粘结预应力混凝土主次梁体系。

2)后张有粘结与无粘结预应力混凝土。

根据上述可知，混凝土部分跨度比较大，因此本设计在框架梁以及次梁中采用了有粘结预应力混凝土结构，楼板中采用无粘结预应力混凝土结构。目前，现浇预应力混凝土结构一般采用后张法，后张预应力施工分为有粘结及无粘结两种[2]。有粘结预应力结构靠灌浆实现有粘结，而无粘结则靠端锚建立预应力。有粘结筋的最大应力出现在最大弯矩截面处，破坏时临界截面对于有粘结筋的应力非常接近钢筋的极限强度，无粘结筋的应力沿全长几乎相等，因此预应力钢筋的非弹性性能即构件的能量消散不能得到充分发挥，所以只对板可以采用无粘结预应力结构。

本工程预应力混凝土设计参数如下:梁、板、柱混凝土强度等级C40，框架梁、柱主筋采用HRB400级，预应力筋均采用1860 MPa φs15.2级低松弛钢绞线，设计张拉控制应力为0.75fptk(fptk为钢绞线的强度标准值)。预应力框架梁的设计抗震等级为2级，在设计时应按正常使用极限状态下2级裂缝控制等级，即按一般要求不出现裂缝的原则来进行预应力框架梁的计算分析，因此，预应力框架梁设计时在荷载效应的标准组合和准永久组合下应分别符合现行设计规范的下列规定:

a.构件受拉区拉应力:σck－ σpc≤ftk，σcq－ σpc≤0;

b.梁端受压区高度:x≤0.35h0;

c.梁端预应力强度比:fpyAp/(fpyAp+fyAshs/hp)≤0.75;

d.纵向受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计值换算的配筋率不应大于2.5%。以上各式中，σpc为扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力;Ap为钢绞线截面积;hs，hp分别为纵向受拉非预应力筋、预应力筋合力点至梁截面受压边缘的有效距离;其他参数见规范[3]。根据以上计算原则，本工程典型框架梁的预应力设计结果如图8所示。

3)超长混凝土结构。

本工程为超长混凝土结构。超长混凝土结构采用微膨胀混凝土浇筑，超长建筑物中部(间距约40 m)设后浇带(地梁设膨胀加强带)。微膨胀混凝土采用复合膨胀剂配制。

后浇带处结构中的钢筋不应切断，且要配置适量的加强钢筋(如图8所示)，待后浇带两侧浇完混凝土28 d以后，将带两侧的混凝土表面凿毛，再用比设计的混凝土强度等级高一级的混凝土浇灌，并加强养护。

4)上部钢结构柱与混凝土的连接节点。

本工程中上部钢结构的钢柱与下部混凝土刚接连接，如图9所示。

5 结语

1)本文根据工程地基较差的情况，给出了处理地基承载力不足以及地基土液化问题的方法，实践证明，效果良好，可供类似地基问题的结构设计参考。

2)对于上部为钢结构，下部为混凝土的组合结构，结构计算分析时应建立整体模型进行分析计算。同时应考虑下部混凝土材料与上部钢结构材料的阻尼比不一致的情况，选用合适的方法进行计算分析。本工程采用基于能量原理的组阻尼的概念进行计算分析，结果较为理想。

3)本文给出了对于航站楼这样大跨度混凝土框架梁的预应力设计方法以及部分设计结果，同时，也给出了钢柱与混凝土的连接节点图，可供同类型的结构设计参考。

[1]北京迈达斯技术有限公司.Midas Gen技术帮助手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[2]陈 瑜，郑立煌.武汉天河机场新航站楼预应力混凝土结构设计[J].建筑结构，2009，39(2):33-35.

[3]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].