武汉天河国际机场T3航站楼位于武汉市黄陂区,与现有T2航站楼相邻。T3航站楼东西向长度约1 200m,南北向宽度约245m,建筑面积49.5万m²,建筑高度41.1m,为华中地区单体面积最大的航站楼 ^[1]。航站楼屋盖为自由双曲面,造型如正舒展双翼准备起飞的凤凰,总投影面积约23.7万m²,屋盖檐口悬挑最大39m(至建筑外缘),主楼东、西庭院屋盖连桥造型跨度122m,由上小下大的变截面柱支承屋盖,外围变截面边柱随着与屋盖连接的幕墙结构外倾。屋面外围护系统采用的是集防排水、保温、隔热、透气、吸音、采光于一体的直立锁边金属屋面系统,外墙围护系统为玻璃索网幕墙。本工程已2017年8月建成并投入使用。

　　 T3航站楼屋盖东西向最长约1 200m、南北向最宽约260m,属于超长结构。为减小温度内力和结构平面复杂程度,通过合理设置屋盖结构缝,将屋盖结构分成17块平面尺寸相对较小且规整的子结构,子结构单元最长控制在287m以内,具体划分情况如图2所示,其中,W1,W2a,W2b为主楼屋盖单元,W3a,W3b为连廊屋盖单元,Z*为指廊屋盖单元,Y*为T2-T3连廊屋盖单元。屋盖结构缝与底部混凝土结构缝上下对齐。主楼屋盖中轴线处剖面如图3所示。

　　 屋面建筑标高为21.700～41.400m,最高点位于南北主轴线处,向东西方向逐渐降低。屋盖采用空间网格结构体系,结构标高随建筑标高变化,使结构空间布置与建筑外表面相吻合。主楼屋盖主要柱网尺寸为36m×36m,36m×54m,54m×57m等,指廊屋盖主要柱网尺寸为18m×43m。屋盖采用两向正交正放空间网格钢结构 ^[2],网格三维图如图4所示,网格标准投影尺寸为4.5m×4.5m,结构杆件为截面ϕ75.5×3.75～ϕ406.4×25的焊接圆钢管,钢管材性为Q235B或Q345C,其中部分节点由于相连的杆件数量过多,且处于受力关键部位,采用了铸钢节点,铸钢节点制作选用G20Mn5调质状态铸钢。结构主要区域厚度为2.25～3.6m。

　　 主楼陆侧主入口处檐口最大结构悬挑长度为37.5m(建筑外边线为39m),悬挑根部结构最厚处为6m(檐口大悬挑处网格三维图见图5)。东西庭院上空各有一屋盖连桥造型,跨度为122m,采用立体圆钢管桁架结构形式,屋盖连桥网格三维图见图6,连桥典型剖面图如图7所示,其中主弦杆最大截面为ϕ377×25(焊接圆钢管),位于跨中上弦。

　　 屋盖由394根上小下大变截面钢管柱(或钢管混凝土柱)支承,中柱保持竖直,边柱随建筑幕墙外倾12°。主要变截面钢管柱的截面尺寸为ϕ(1 400～2 500)×50,ϕ(1 050～2 000)×40,ϕ(1 100～1 800)×30,ϕ(1 100～1 500)×25,ϕ(820～1 400)×25,ϕ(800～1 200)×20。柱顶采用刚接或铰接,刚接时各杆件与柱采用附加十字插板相贯焊接,铰接柱顶采用双曲面抗拉成品球形钢支座。柱顶刚接和铰接构造示意图如图8、图9所示。

　　 结构设计过程中除进行常规的设计分析外,针对超大型自由曲面屋盖空间网格结构设计难点开展了系统研究,解决了屋盖风荷载数据处理、模型参数化构建、网格优化等问题。

　　 屋盖对风荷载敏感,设计时通过刚性模型的风洞测压试验(图10)确定了其设计风荷载数值及分布规律 ^[3],同时,研发了风洞试验数据处理软件 ^[4](图11),解决了多风向角的风荷载试验数据处理、不利风向角判断以及快速导入分析计算模型的技术问题。

　　 设计中采用ECOTECT软件,结合T3航站楼、卫星厅及T4航站楼分期建设的情况,对周边风环境的变化进行模拟,以调整风洞试验结果。

　　 对于造型复杂且体量巨大的曲面网格结构,常规建模软件难以达到理想的建模精度和效率,且不便实现设计分析过程中对网格尺寸、网格形式及结构截面高度的反复调整优化。

　　 屋盖外表皮为自由双曲面,为实现屋面造型,结构形态与建筑表皮必须保持高度吻合。设计过程中,BIM技术的应用为快速推进屋盖结构设计流程、优化屋盖结构方案发挥了重要作用。利用AutoCAD二次开发语言ObjectArx以及VC++与MATLAB混合编程技术开发的复杂曲面建模软件使屋盖钢结构参数化建模得以实现,大幅提高了结构建模精度及效率。以两向正交正放网架参数化建模为例 ^[5],曲面建模软件建模实现过程为:1)通过Surface运算器将某曲面从Rhino导入到Grasshopper中,并初始化曲面。2)以两向正交正放网架的两个方向的网格数和网架高度为参数通过三个Numer Slider运算器输入,并将这三个输入参数集中于同一区域以便后续修改。3)通过网架跨数的输入和Divide Surface运算器的使用,对曲面进行划分,并得到曲面上的划分点,即网架的上层节点;然后以网架高度为参数将曲面向下偏移并划分曲面,得到网架的下层节点。4)以两向正交正放网架的一榀为基本组成单元,以每榀网架的上下弦节点为一组的原则对网架的上下层节点进行分组,对每组中的点进行相应的排序,删除多余点并连线得到一榀网架,然后将各榀网架组合并将每榀网架的端部相连,最后删除重复的杆件即得到网架模型。5)对网架模型的杆件长度和杆件间夹角进行计算分析,若不满足要求可通过调整参数生成新的模型。

　　 屋盖结构优化设计过程中,为了获得既满足建筑效果要求,又具备合理受力特性的结构方案,利用自主开发的复杂曲面建模软件,快速进行多种钢屋盖方案参数化建模,其中矩形网格方案和菱形网格方案如图12所示,不断进行结构方案比选,优化屋盖结构网格形状、尺寸、标高等,如图13所示。最终,通过比选(表1),采取了既契合建筑天窗布置需要及屋面防水要求,又符合结构合理受力、施工相对方便的矩形空间网格钢屋盖方案。

　　 本工程设有一层地下室,主体结构嵌固部位为基础面。采用三维局部模型和整体模型分别进行屋盖结构分析。局部模型仅有屋盖及其支承柱,屋盖支承柱嵌固在混凝土结构顶部。整体模型包括上部屋盖结构和下部混凝土结构两部分,嵌固在基础面。上部两向正交正放网格钢结构,杆件采用梁单元和柱单元模拟,其中上弦杆、下弦杆、平面斜向支撑杆、纵向联系杆用梁单元模拟,柱顶支撑斜杆及腹杆采用柱单元模拟(计算长度系数取1);下部钢筋混凝土结构,使用梁单元、板单元及壳单元模拟。梁单元按压弯构件设计,柱顶支撑斜杆及腹杆按两端铰接和刚接包络设计。局部模型采用SAP2000软件分析计算设计,然后采用MIDAS Gen进行校核;整体模型分别采用SAP2000和PKPM进行计算,并采用MIDAS Gen进行校核。

　　 为了加快施工速度,主楼钢屋盖采用整体提升技术进行施工。对主楼钢屋盖进行合理的施工分块,采用SAP2000对各个提升区分别进行施工模拟计算,并采用MIDAS Gen进行施工模拟复核。

　　 结构设计使用年限为50年,结构耐久性使用年限为100年。建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1,抗震设防类别为乙类。

　　 1)钢屋盖网格结构跨中挠度与短向跨度的比值不大于1/250;悬挑挠度与悬挑长度的比值不大于1/125 ^[2]。2)风荷载作用下屋盖最大层间位移角限值为1/400 ^[6];地震作用下屋盖最大层间位移角限值为1/250 ^[7]。3)杆件应力比限值为0.80。4)杆件长细比限值:拉杆长细比不大于200,压杆长细比不大于150 ^[2,6]。

　　 1)结构自重放大1.15倍,以考虑节点重量;2)屋盖室内上弦屋面荷载:直立锁边金属屋面0.45kN/m²,玻璃天窗区域1.00kN/m²,下弦吊顶0.25kN/m²;3)外檐口部位荷载:上表面0.45kN/m²,下表面0.45kN/m²;4)马道按1.5kN附加节点荷载输入,根据具体布置施加在马道两侧节点上。

　　 1)一般区域0.50kN/m^{2 [8]};2)排水沟按沟内满水荷载考虑,集水坑荷载根据虹吸厂家提供的数值考虑;3)马道检修活载按1kN附加节点荷载输入,根据具体布置施加在马道两侧节点上。

　　 基本风压为0.40kN/m²(100年一遇),地面粗糙度取为B类 ^[8]。本工程根据西南交通大学风工程试验研究中心提供的《武汉天河国际机场T3航站楼风洞试验研究报告》和现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[8]进行双控包络抗风设计。

　　 基本雪压为0.60kN/m²(100年一遇) ^[8]。

　　 根据武汉气象资料,合拢温度定为10～25℃,可以保证在一年中的大部分时间均可以合拢,具备施工可行性。不考虑人工制冷或供暖,室内外温差取10℃。

　　 武汉市基本气温:最高37℃,最低-5℃ ^[8];历年极端气温:最高41.3℃,最低-18.1℃。平均气温近似取基本气温与极端气温的平均值,即:最高平均温度=(37+41.3)/2≈39.2℃;最低平均温度=(-5-18.1)/2≈-11.6℃。

　　 根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[8]第9.3.1和9.3.2条,钢屋盖结构最大升温=最高平均温度-最低合拢温度-室内外温差=19.2℃;钢屋盖结构最大温降=最低平均温度-最高合拢温度+室内外温差=-26.6℃。

　　 根据武汉地震工程研究院提供地震安评报告,水平地震动参数见表2。

　　 结构分析时,单独计算钢屋盖模型时阻尼比取值0.02;在钢屋盖和底部混凝土结构整体模型分析时,阻尼比取值0.03。采用反应谱法计算,同时考虑水平及竖向地震作用时,竖向地震影响系数最大值取水平地震影响系数最大值的65%。

　　 W1,W2a屋盖单元(含底部混凝土结构)结构前3阶振型如图14、图15所示。结构前2阶振型为平动,第3阶振型为扭转,扭转周期比均小于0.9,抗扭刚度良好。

　　 W1,W2a屋盖单元(含底部混凝土结构)悬挑端及大跨跨中最大挠度及挠跨比如表3所示, 均满足挠度控制指标。

　　 W1,W2a屋盖单元在风荷载、地震作用下最大层间位移角及地震作用下剪重比如表4所示,均满足水平位移控制指标及规范剪重比相关规定。

　　 杆件强度和稳定验算结果表明,在非抗震组合与多遇地震组合工况下,考虑压杆稳定系数,杆件应力比控制在0.8以内,个别杆件应力比达到0.85;施工模拟验算中,应力比控制在0.7以内,满足设计控制指标。

　　 钢屋盖网格结构节点采用自主创新的带暗节点板的相贯节点(图16)和普通相贯节点。带暗节点板的相贯节点能够解决主次管桁架相交处水平方向节点承载力不足的问题。同时,为了解决了数量庞大的节点设计计算效率的问题,开发了相贯节点自动分析设计软件,提供了一键式解决方案。

　　 自主开发的相贯焊节点计算软件验算过程:读入SAP2000模型输出的钢屋盖节点、杆件及内力数据文件→在软件界面里形成Auto CAD格式三维网格桁架→手动指定主管→自动识别相贯节点形式并进行验算→在Auto CAD图中节点处输出验算结果(节点承载力比和搭接率)。

　　 为保证关键节点部位的安全性,在柱头周边受力最大和杆件交汇较多的节点均采用了铸钢节点。铸钢节点制作选用G20Mn5调质状态铸钢。

　　 建立铸钢节点模型(图17),对关键部位的相贯节点及铸钢节点 ^[9]除采用ABAQUS进行详细的有限元分析(图18,19)外,均抽取了典型节点进行了模型试验(图20,21)。其中,4个典型相贯节点的有限元分析及试验结果如表5所示,表中各项荷载数值均为设计荷载倍数,最大变形以压缩为正、拉伸为负。

　　 从表5中可以看出,节点1～3有限元计算分析结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的准确性,表明有限元分析可准确模拟节点实际受力状态;4个节点的有限元分析及试验的极限承载力均远大于设计荷载,说明节点具有较高的安全储备。

　　 本工程钢屋盖超长超大,温度引起的内力不可忽视。如何减少温度作用对钢屋盖的影响,从而节约用钢量,显得尤为重要。由于施工误差,檩条安装完成时的标高往往与设计标高难以吻合,导致屋面排水坡度和屋面板接缝处平滑度均满足不了设计要求,从而影响屋面排水效果。本工程通过自主创新设计的檩条连接节点,既可让檩条在温度作用下自由伸缩,从而减少温度作用影响,又可调节檩条竖向标高,减少施工误差。

　　 屋面主檩连接节点构造如图22所示,在温度作用下,檩条通过水平长圆孔伸缩,释放变形,这样减小了温度作用对檩条及屋盖钢结构的影响。连接板上竖向长圆孔,可以在檩条施工安装过程中上下调节檩条的标高,从而减小屋盖施工过程中标高误差,使屋面标高与设计标高吻合,保证屋面排水坡度及屋面板接缝处平滑。

　　 为及时、准确掌握钢结构施工过程的受力状态,确保结构施工及使用期间的安全性,同时为结构设计验证、结构模型校验与修正、结构损伤识别、结构养护及维修等提供技术支持,本工程设计了健康监测系统。监测的项目应包括关键构件应力、结构变形、结构温度、屋面风压等。施工监测系统通过现场监测得到结构在施工期间应力、变形及温度信息(图23为施工期间技术员监测钢柱变形现场),在结构突发事件下或施工严重异常时触发预警信号,避免事故的发生,为施工期间结构的安全“保驾护航”,确保钢结构施工质量。

　　 本项目钢结构总拼完成后所检测的屋盖钢结构挠度均小于设计预警值,满足《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205—2012)的要求,所监测结构杆件最大拉应力及压应力均未超过监测应力允许值,杆件处于安全状态。

　　 在使用过程中对重要的结构杆件进行长期监测,有助于随时掌握整体结构的工作状态,必要时进行相应的维护处理,确保钢结构在投入使用中的安全性、耐久性。本工程设计、施工时将施工监测系统及结构使用阶段的健康监测系统统筹考虑,重要部位施工监测设备留作使用期间健康监测系统的组件,使设备可以重复利用,确保了监测数据的连续性,节约了工程造价,提升了健康监测系统的经济性及监测数据的可靠性。使用过程中检测的应力、变形数值均小于设计值,钢结构处于安全状态。

　　 (1)屋盖结构经过合理的分区,减小了温度内力和结构平面复杂程度,从而减少用钢量,提高了经济性。

　　 (2)采用自主开发的复杂曲面建模软件使屋盖钢结构参数化建模得以实现,大幅提高了结构建模精度及效率,可以方便快捷地进行结构多方案比较,优化屋盖结构外形,得到既满足建筑效果要求,又具备合理受力特性的结构方案。

　　 (3)屋盖钢结构连接节点采用了自主创新的带暗节点板的相贯节点和铸钢节点,并采用ABAQUS软件进行详细的有限元分析,还抽取了典型节点进行了模型试验,验证了节点设计的合理性和安全性。

　　 (4)通过创新设计的檩条连接节点,既可让檩条在温度作用下自由伸缩,从而减少温度作用影响,又可调节檩条竖向标高,减少施工误差。

　　 (5)合理设计了钢结构健康监测系统,确保了钢结构施工质量和在投入使用中的安全性及耐久性。

　　 (6)严格按照相关规范建立控制指标,各项设计结果均满足强度和刚度要求。T3航站楼目前已投入使用,事实证明本工程钢屋盖结构是合理安全的。