桂林两江国际机场T2航站楼位于桂林市临桂县两江镇, 新扩建航站楼能满足机场2020年1 200万人次的年需求, 航站楼建筑东西长约353m, 南北宽约372m, 建筑主体为U形构型。上部屋盖为钢结构, 其中中心区屋盖钢结构为双曲实腹拱支撑+单层壳体, 指廊区屋盖钢结构体系为平面实腹拱+单层壳体^[1]。中心区拱轴方向随屋盖走向旋转。屋盖在中心区向指廊区过渡处设置结构缝。屋顶钢结构壳体网格呈矩形, 采用刚接节点。屋盖立面及剖面如图1所示。

　　 中心区屋盖结构较为复杂, 屋面为由天窗分割而成的若干双曲屋面组成, 各曲面由弧形的径向脊线、谷线及环向曲线拟合而成。屋盖钢结构形状随屋面找形, 采用单层双曲网壳, 矩形网格, 由环向杆件 (环梁) 和径向杆件 (横梁) 组成, 环向杆件 (环梁) 采用箱形截面, 径向杆件 (横梁) 采用圆管。屋盖支撑结构采用双曲实腹梯形拱。拱与屋盖环梁采用箱形截面撑杆连接。屋盖曲面图及屋盖局部单元结构图如图2、图3所示。

　　 中心区屋盖壳体自撑杆起算跨度为50～98m不等。120m跨度拱横截面高度自根部的3.6m均匀过渡至跨中的1.8m, 横截面为梯形, 上翼缘宽度为2.0m, 下翼缘宽度为1.2m, 拱脚部位壁厚为40mm, 跨中部位壁厚为30mm;74m跨度拱横截面高度自根部的2.0m均匀过渡至跨中的1.1m, 横截面为梯形, 上翼缘宽度为1.4m, 下翼缘宽度为0.9m, 拱脚部位壁厚为35mm, 跨中部位壁厚为30mm;43m跨度拱横截面高度自根部的1.1m均匀过渡至跨中的0.8m, 横截面为梯形, 上翼缘宽度为0.8m, 下翼缘宽度为0.45m, 拱脚部位壁厚为30mm, 跨中部位壁厚为25mm;36m跨度拱横截面高度自根部的0.9m均匀过渡至跨中的0.6m, 横截面为梯形, 上翼缘宽度为0.5m, 下翼缘宽度为0.35m, 拱脚部位及跨中部位壁厚均为25mm。撑杆与环梁采用矩形截面钢管。中心区屋盖结构主要杆件截面信息见表1。

　　 由于屋盖钢结构超长, 在指廊区屋盖与中心区屋盖之间设置一道结构缝, 以简化屋盖结构受力。

　　 为了方便施工, 对杆件截面形式及定位进行了优化, 由于环梁数量少, 将环梁随着屋面环向曲线定位, 取环梁上翼缘的一条棱线与屋面环向曲线对位, 截面法线方向垂直于地面, 避免了构件弯扭。由于横梁数量多, 截面形式采用圆管, 避免了安装时在空间逐根对位, 同时每根圆管端部与环向梁上皮预留一定的尺寸 (100mm, 图4) , 以方便现场定位。

　　 由于屋面曲面造型复杂, 为方便施工, 除了对杆件进行优化, 对屋盖节点也要进行优化处理。工程屋盖节点设计难点为:1) 每个节点都有一个空间定位, 每个节点处杆件方向均不一样;2) 必须保证每个节点刚接;3) 节点不能随意做, 由于结构外露, 处理成球形节点等形式不现实, 也不满足建筑要求;4) 节点必须便于施工, 否则空间结构的大量节点 (近万个节点) 无法施工。针对以上难点, 将屋盖节点分成四类, 分别为圆管横梁与矩形环梁连接节点、撑杆与环梁连接节点、撑杆与实腹梯形拱连接节点、屋盖结构缝处节点, 分别对这四类节点进行研究。

　　 为保证壳体屋盖的受力, 形成整体刚度, 单层壳体屋盖节点必须为刚接节点^[2], 节点需要有足够的刚度传递横梁弯矩, 对比分析图5两种节点方案, 其中方案一采取圆管横梁在矩形环梁核心区处连续直线连接, 方案二采取圆管横梁在矩形环梁核心区处连续折线连接, 折线与环梁腹板垂直。

　　 图5方案一的优点是传力直接, 缺点是由于每根横梁与环梁的角度都不一样, 直线连接处每处节点的加劲肋大小也不一样, 每个节点都需要编号, 很不利于制作;方案二中由于折线与环梁腹板垂直, 而环梁全长等宽, 故环梁上的所有节点加劲肋均可以做成相同尺寸, 避免了方案一的缺点, 同时也能保证节点传递弯矩。经对比分析后, 本工程圆管横梁与矩形环梁的连接节点采用方案二的连接方式。确定采用方案二之后, 所有横梁的定位将随节点定位调整, 比起节点制作, 调整横梁定位要容易得多。

　　 对方案二进一步细化, 根据节点受力大小, 再将节点细化成三种做法, 对于受力大的节点, 如撑杆与环梁连接处附近节点、支座附近节点, 采用图6 (a) 做法一连接方式, 即在环梁内对应折线位置处设置与横梁同截面的圆管, 圆管与腹板熔透焊接, 在圆管上下部位各焊接两道加劲肋, 加劲肋同时与环梁腹板焊接, 尽量与环梁翼缘焊接;对于受力大小一般的节点, 采用图6 (b) 做法二连接方式, 即在环梁内对应折线位置处设置与横梁同截面的圆管, 圆管与腹板熔透焊接, 在圆管上部位焊接一道加劲肋, 下部位焊接两道加劲肋, 加劲肋同时与环梁腹板焊接, 尽量与环梁翼缘焊接;对于受力不大的节点, 采用图6 (c) 做法三连接方式, 即在环梁内对应折线位置处设置与横梁同宽的横向加劲肋。

　　 通过上述分析, 圆管横梁与矩形环梁连接节点的标准化既保证了其受力合理, 也便于施工。

　　 撑杆与环梁连接节点是保证屋盖形成壳体整体受力的关键, 相当于壳体的支座。考虑了撑杆与环梁侧接 (做法一, 图7 (a) ) 与撑杆在环梁底部完全托接 (做法二, 图7 (b) ) 两种节点做法。对于做法一, 由于撑杆角度小, 高度大, 若完全侧接, 需要加大环梁与撑杆连接范围内的高度, 影响了建筑效果, 但施工相对方便。对于做法二, 建筑效果较好, 但制作安装相对有难度, 经与建筑设计人员商量, 对室外有吊顶范围的撑杆与环梁连接采用做法一, 对室内无吊顶范围内的撑杆与环梁连接节点采用做法二。由于吊顶范围小, 本工程大量的撑杆与环梁连接节点采用了做法二。

　　 对于做法二, 当环梁与撑杆夹角大于30°时, 环梁内部对应撑杆翼缘设置加劲肋即可, 加劲肋不贯通 (图8 (a) ) ;当环梁与撑杆夹角较小 (夹角≤30°) 时, 将环梁内加劲肋贯通插入到撑杆内, 以保证焊接受力 (图8 (b) ) 。

　　 撑杆与实腹梯形拱采取侧接方式, 拱体内对应撑杆腹板设置相应横隔板 (图9) 。采用侧接不仅有利于实现建筑效果, 也便于施工和撑杆定位, 当撑杆顶部定位好之后, 在拱侧连接处可以微调撑杆, 以保证撑杆安装的平直。

　　 指廊区与中心区屋盖结构缝^[3]处节点采用如图10所示的做法, 将指廊区一侧的环梁放在撑杆的顶部, 之间设滑动支座连接, 保持了撑杆设置的对称性。此做法不仅保证了屋盖结构缝处节点受力合理, 又满足了建筑要求。

　　 采用MIDAS软件对节点进行有限元分析, 节点板全部采用板单元模拟, 撑杆与环梁连接节点von Mises应力分析结果见图11。由图11可以看出, 撑杆在环梁底部完全托接能够满足节点承载力的要求;节点应力最大部位均发生在撑杆与环梁交接处的撑杆上。

　　 对圆管横梁与矩形环梁连接节点进行有限元分析, 分析环梁内焊两道竖肋、环梁内焊两道竖肋及两道横肋、环梁内焊圆管及上下加劲肋三种类型节点在相同荷载作用下的受力情况, 以研究这三种加劲肋布置方式对圆管横梁与矩形环梁连接节点承载力的影响, 分析结果如图12, 13所示。

　　 由图13可以看出, 环梁内焊圆管及其上下加劲肋的圆管横梁与矩形环梁连接节点受力最好, 承载力最大, 最大von Mises应力为256MPa, 远小于板材设计强度295MPa。环梁内焊两道竖肋及两道横肋的圆管横梁与矩形环梁连接节点受力性能其次, 有局部应力集中现象, 最大von Mises应力达475MPa, 远超出板材设计强度, 对于这种节点形式, 只有降低施加的荷载, 才能使其承载力达到要求。受力最差的节点形式为环梁内焊两道竖肋的圆管横梁与矩形环梁连接节点, 该节点应力集中现象明显, 最大von Mises应力达780MPa, 超出板材设计强度很多, 一旦该部位破坏将引起局部撕裂, 导致节点整体破坏。

　　 综合考虑这三种节点的受力性能及施工的便利性, 分别按屋盖节点受力最大部位、受力较大部位和受力较小部位采用环梁内焊圆管及圆管上下的加劲肋、两道竖肋及两道横肋、两道竖肋三种类型圆管横梁与矩形环梁连接节点, 这样既可以满足承载力要求, 也满足了施工的便利性。

　　 节点设计是空间结构设计的一道关键环节, 本文通过合理的节点设计并对其进行分析比较, 得出了适合本工程屋盖节点的几种节点连接方式, 保证了屋盖壳体的整体受力, 同时简化了节点构造, 方便了施工, 保证了施工的进度, 实现了这种双曲面多种造型的空间结构的顺利实施。