长春龙嘉国际机场是吉林省省会机场、国内干线机场、国际定期航班机场, 是我国东北地区四大干线机场之一, 位于吉林省长春市东北、九台市的东湖镇与龙嘉镇的交汇处, 二期扩建工程T2航站楼 (图1) 位于现有T1航站楼东侧。二期扩建T2航站楼按年吞吐流量1 100万人次设计。T2航站楼平面呈人字形布局 (图2) , 由中央大厅和三个指廊组成, 结构长约650m, 宽约375m, 中央大厅地上两层。其他区地上两层、在首层与二层之间有一夹层。总建筑面积12.8万m², 若考虑地下架空层的面积, 总面积约18万m²。

　　 工程设计使用年限为50年, 建筑结构安全等级为一级, 抗震设防烈度为7度, 设计地震分组为第一组, 场地土类别为Ⅱ类, 建筑抗震设防类别为乙类, 基本风压为0.65kN/m² (50年一遇) ^[1,2]。

　　 本工程主体结构采用钢筋混凝土框架结构, 主体混凝土结构分为7个单元, 单元之间在首层地面及以下不设结构缝, 地上按防震缝设置。混凝土结构柱网尺寸为9m×9m, 9m×12m, 12m×12m, 15m× (15～18) m不等, 建筑最高点约35m。

　　 本工程有如下几处特点:1) 结构长650m, 属于超长结构;2) 由地质勘察报告, 本工程±0m标高比现状地面高出6～8m, 需要详细分析、比较基础做法;3) 为提升入口效果, 本工程入口处采用了拉索幕墙, 长度达180m, 高度约30m, 拉索幕墙为本工程亮点;4) 屋盖采用焊接球钢网架结构, 通过防震缝分成4个结构单元, 每个单元长度控制在300m以内, 分别跨越两个混凝土单元。

　　 将地上混凝土结构通过结构缝分成7个单元, 如图3所示。结合混凝土单元划分, 航站楼屋盖共划分为A, W, E, S四个钢结构单元区段, 如图4所示, A区为中心区屋盖单元, 其下对应于中心区混凝土单元, W区、E区、S区为三个指廊屋盖结构单元, 其下部分各分别对应两个混凝土结构单元, 分别位于结构的西侧、东侧和南侧。

　　 首层地面及以下为一个整体, 由于近似三角形的体型对释放温度荷载产生的变形较为有利, 同时地下室室内结构温度变化不大, 温差变化范围一般在10℃以内, 温度荷载效应较小, 故不设结构缝。但混凝土施工过程产生的收缩、徐变, 再加上一定的温度效应, 结构会产生一些微裂缝, 为控制裂缝, 在地下室外墙内皮上间隔约18m设置诱导缝, 首层地面采用预应力等技术闭合裂缝。

　　 中部混凝土结构单元仍较长, 约120m左右, 采用施工后浇带、楼板内采用预应力技术控制裂缝。

　　 针对±0m标高比现状地面高出6～8m的情况, 提出基础回填压实方案 (方案一) 与地下结构架空方案 (方案二) , 对两种方案进行比较, 取较为合适于本工程的方案作为最终方案。无论方案一还是方案二, 本工程均采用桩基础。

　　 方案一为基础回填压实方案, 如图5所示。根据现场情况, 需回填平均厚度为6m的压实土才能达到建筑±0m标高 (高程201.35m) , 同时表面设置200mm厚钢筋混凝土刚性面层以防止地面沉降对隔墙的影响。地下室管廊采用钢筋混凝土箱体, 底板及外墙厚度为400mm。

　　 方案二为地下结构架空方案。根据现场情况, 在建筑±0m标高至场地现状标高之间设置一层结构架空层, 采用钢筋混凝土框架+钢筋混凝土外墙结构, 形成一个密闭的结构空间, 如图6所示。挡土墙平均厚度400mm。室内管廊外墙采用砌筑墙, 基础底板采用400mm厚钢筋混凝土底板, 建筑±0m标高梁板结构采用主次梁结构。

　　 方案一由于回填土需机械分层压实处理, 多了一道工序, 延长了工期。依据勘察报告, 由于地面回填土的固结需要很长时间, 在固结过程中将产生沉降, 对结构桩基础产生相当大的负摩阻力, 使得桩基的实际承载力降低较多, 桩实际承载力的利用率低。按勘察报告推算的中性点位置约位于地面以下15m处, 中性点以上负摩阻力对桩施加向下的荷载, 中性点以下桩承载力才能发挥作用, 可见桩长度将成倍增长, 承载力却成倍下降。经计算, 桩径按800mm考虑, 此方案需要桩的数量近3 500根, 桩长平均达42m。

　　 方案二不需土方回填, 相对方案一减少了一道工序, 可以直接进行桩基础的施工, 加快了施工工期。由于采用结构架空层, 不存在负摩阻力, 桩的承载力能充分利用, 桩的布置很经济。地下室管廊施工方便, 采用砌筑墙体即可。经计算, 此方案桩的数量仅1 200根, 桩长平均27m。

　　 初步估算两方案的工程量, 方案一工程量包括:桩工程量、回填工程量、地面刚性层工程量、地下管廊土建工程量。方案二包括:架空顶板工程量、外挡土墙工程量、地下管廊工程量。初步估算方案二较方案一减少造价近亿元。

　　 主入口屋盖檐口高, 在长度180m范围内, 幕墙高度达到22m, 若采用其他区域的框式幕墙, 将会出现较大的幕墙龙骨, 为更好达到建筑通透效果, 经分析比较, 采用索幕墙是较好的选择, 如图7所示。本工程索幕墙的特点是上下端跨度较大 (顶端到底端跨度31.7m) 、索间距较大、索幕墙跨结构变形缝。

　　 索幕墙的特点是利用绷直的索作为幕墙的支撑, 索在输入初始张拉力之后便有了刚度, 初始张拉力越大, 刚度越大, 如图8所示, 给出23m高度拉索初始张力与位移的关系, 可见, 张力与索平面外位移近似成线性关系。

　　 本工程拉索按建筑轴网间距的1/4布置, 索间距约3 200mm。索安全系数采用2.5。索上端悬挂在屋盖钢结构桁架上, 考虑到索拉力大, 将下端固定在首层地面周圈地下室外墙顶, 地下室外墙具有很大的刚度, 可以将索拉力均匀传递至大钢柱及地下室结构, 从而形成自平衡体系。地下室外墙顶至屋盖钢结构桁架之间的跨度达31.7m。

　　 为减小索内力, 在二层楼面处设置横向钢梁作为拉索的支点, 使拉索跨度由31.7m减小为22.1m。如图9所示, 钢梁作为幕墙龙骨一部分, 由幕墙公司进行精加工。当跨度减小为22.1m后, 采用直径为40mm的双索 (高钒索) 可以满足受力要求。

　　 对于跨屋盖结构缝位置, 在变形缝两侧分别设置一根拉索, 作为幕墙玻璃封边的结构条件, 同时为使缝两侧幕墙变形一致, 在屋盖钢结构结构缝处设置竖向连杆协调缝两侧的幕墙竖向变形, 如图10所示。

　　 本工程屋面为双曲面, 屋盖最高点位于A区陆侧主入口顶部, 屋盖最高点结构中线标高38.467m, 如图11所示。

　　 为较好符合屋面的曲面造型, 屋盖采用钢网架结构, 网架主体采用正方四角锥, 为适应建筑功能要求, 在屋盖设置五道横贯屋面的天窗, 五道天窗位置采用放射状的平面桁架, 平面桁架与屋盖网架之间采用加强立体桁架作为过渡;屋盖挑檐采用双向正交桁架, 网架与屋盖挑檐间采用加强立体桁架过渡。除陆侧主入口顶部结构外, 屋盖其余部分均采用焊接圆管截面, 节点采用焊接球节点;陆侧主入口索幕墙索力较大, 其上方采用箱形截面桁架, 其上共设置拉索节点59个, 最大索力为1 210kN。

　　 挑檐桁架、索幕墙顶桁架、四角锥网架与天窗桁架相互关系见图12。W区与S区索幕墙顶部桁架除在分缝对挑部位设置外, 各向内侧延伸一跨, A区、W区与S区索幕墙桁架见图13。屋盖支承结构采用直径由下端逐渐上收的钢柱, 网架下弦通过抗震球铰支座铰接于钢柱顶端。钢柱下端与混凝土结构刚接, 并通过钢管混凝土柱下插。

　　 在A区与S区、W区索幕墙顶桁架之间结构缝位置, 为协调索幕墙竖向变形, 在A区索幕墙桁架端部上弦、S区与W区索幕墙桁架端部下弦设置节点, 通过拉杆连接A区上弦与S区下弦、A区上弦与W区下弦, 以消除跨缝位置两端索幕墙桁架在风荷载作用下的竖向变形差, 保证索幕墙安全, 如图14所示。

　　 荷载包括结构自重、恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等。基本荷载按照50年一遇考虑。风荷载按照风洞试验报告提供的36个方向风荷载进行包络设计。为确保温度作用下结构安全, 温度作用分别考虑了使用阶段以及施工阶段几种独立的温度作用情况, 进行包络设计。

　　 钢结构使用阶段温度荷载:升温20℃、降温-20℃。钢结构施工阶段温度荷载:升温45℃、降温-35℃。

　　 计算分析采用T2航站楼结构三维整体模型, 模型主要包括以下部分:1) 屋盖部分使用空间梁单元模拟钢结构杆件;2) 下部混凝土结构采用空间梁单元和板单元模拟混凝土梁、板、柱;3) 采用空间梁单元模拟屋盖支承结构。

　　 整体结构计算中, 共计算了结构的前100阶振型, 各振型参与质量累计超过90%, T2航站楼中心区以及各指廊区域动力特性见表1。表1中部分区域第1周期为扭转, 由于扭转为屋盖及钢柱整体扭转, 故对四周钢柱应力进行了严格控制, 保证其在地震作用下的承载力。

　　 风荷载作用下, 钢柱最大位移角为1/341。升温作用下, 钢柱最大位移角为1/545;降温作用下, 钢柱最大位移角为1/419。小震作用下, 钢柱X向 (水平向) 最大位移角为1/500, Y向 (竖直向) 最大位移角1/449。

　　 屋盖在恒荷载+活荷载作用下, 跨缝悬挑端最大竖向位移为220mm, 挠跨比为1/130;在风荷载作用下, 屋盖陆侧入口挑檐端部最大竖向位移为113mm, 挠跨比为1/256。可见, 结构受力满足规范限值1/125的要求。

　　 在屋盖陆侧入口处设置的索幕墙跨A区、W区与S区, 索幕墙跨缝设置在屋盖桁架对挑区域, 对挑桁架两端刚度不一致势必导致在索力下两端桁架竖向变形存在一定差值, 一旦两端变形差过大, 将导致索幕墙跨缝位置的玻璃损坏。

　　 为此, 当索幕墙张拉后, 在两个索幕墙桁架对挑的位置, 在A区桁架上弦与S区桁架下弦, A区桁架上弦与W区桁架下弦之间设置竖向拉杆, 使索幕墙跨缝位置在后续风荷载作用下, 跨缝两端的变形差得以消除。在设置索幕墙桁架间竖向拉杆之前, 跨缝位置最大竖向变形差为10mm。作为对比, 安装竖向拉杆后, 跨缝位置在风荷载作用下变形差消除, 足以保证跨缝位置索幕墙玻璃在风荷载作用下的安全。

　　 通过对结构单元合理切块、合理控制结构高度, 使工程各项指标控制在超限范围内。采用地下结构架空方案, 节省了工程造价, 缩短了施工周期;采用索幕墙方案, 提升了建筑空间效果;本工程钢结构为空间曲面, 跨度较大, 通过合理设置钢网架及幕墙索桁架为索幕墙提供了较好的边界条件。