北京新机场航站楼位于北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间, 永定河北岸, 整体呈“凤凰”造型, 是目前世界上规模最大、技术难度最高的单体航站楼。整个航站楼屋顶投影面积约36万m², 大约相当于44个标准足球场, 南北长约1 000m, 东西宽约1 100m, 主要由核心区和指廊两大部分组成。屋盖及其支撑结构均为钢结构, 总用钢量约6万t。航站楼屋顶建筑效果和核心区划分如图1, 2所示。

航站楼屋盖为不规则自由曲面空间网格钢结构, 支承于C形柱、支撑筒、幕墙支撑框架或幕墙柱上, 核心区屋盖投影面积达18.2万m², 最大跨度107m。整个屋盖被天窗分割为C1-1/2, C2-1/2和C3-1/2等6个相对独立的大区, 根据施工界限核心区屋盖分为南区和北区2个区域, 其中南区包括C2-1, C3-1, C3-2区。

航站楼主体结构采用钢筋混凝土框架结构, 核心区地下2层、地上5层, 长宽2个方向的尺度较大 (513m×411m) 。由于楼层面积超大, 设计文件明确表示要留设结构后浇带和施工后浇带, 其中结构后浇带宽度分为4m和6m 2种规格, 纵横交叉分布, 要求在钢结构施工完毕后封闭。施工后浇带 (0.8~1.0m宽) 在混凝土浇筑后2个月再浇筑完成。混凝土结构及屋盖结构支撑体系及后浇带布置分别如图3, 4所示。

错综复杂的结构后浇带将主体结构楼板划分成若干个小单元, 失去了楼板原有的整体性, 从而对钢结构拼装及运输车辆、吊装机械上楼面作业造成不利影响。同时, 在首层结构下方设置有隔震层, 上部混凝土结构楼层及整个钢屋盖均坐落在1 114个隔震层支座上, 隔震层的布置剖面及节点如图5所示;屋盖钢结构施工过程中, 会在隔震支座中产生较大的水平推力 (设计文件明确规定, 结构后浇带需等到钢结构屋盖卸载完成后封闭) ;由于后浇带的影响, 被分割后楼板抵抗水平力的能力大幅降低, 在屋盖施工过程中产生的水平推力将由各板块中的隔震层支座去补偿承受。

因此, 在确定屋盖总体安装思路时, 有必要对比不同施工方案下支撑体系的柱脚反力分布情况, 尽量选取对隔震支座受力影响最小的施工方案。

另外, 由于钢结构施工过程中结构后浇带处于未封闭状态, 屋盖钢结构的支撑体系被分配到11个相互独立的板块 (分割后的板块像浮岛) , 而不同板块的抗侧刚度及下部隔震支座的布置均存在差异, 其屋盖钢结构受力情形和原设计一次成型状态受力情况有所不同。因此, 在按照既定施工思路进行屋盖钢结构全过程施工仿真分析时, 有必要充分考虑结构后浇带的封闭时机, 以便更真实地反映结构在施工过程中的变形和受力, 更好地指导施工。

由于建筑功能的需要, 核心区主体结构地上、地下未设置结构缝, 地下部分还与停车楼、轨道交通中心区域连为一体, 整个地下结构尺度超大。因此, 针对该部分结构设置了纵横交错的结构后浇带 (4.0m和6.0m宽) , 自基础底板至地上4层顶板所涉及的梁、板、墙均设置该后浇带, 结构梁、板、墙通过后浇带的钢筋不得直通。结构后浇带分区如图6所示。

根据土建结构后浇带的布置, 将南区范围内每个屋盖分区下部楼板划分为5个后浇带分区 (1~5) , 按照支座的布置划分为6个分区 (C2-1-1/2/3, C3-1, C3-2-1/2) , 如图7所示;分区时, 仅考虑结构后浇带对土建结构的分割, 施工后浇带假定钢结构卸载时已经浇筑完成且强度满足要求。

通过前面的分析可知, 在确定屋盖钢结构总体安装思路时, 需要关注首层隔震支座的受力情况。以下主要选取2种较为合理的安装、卸载思路进行探讨, 重点关注每个独立分区 (C2-1区、C3-1区、C3-2区) 在条形天窗安装前及整个屋盖结构合龙卸载后2种状态下, 各个后浇带分区的支座水平总剪力。

方案1采用“分区卸载, 总体合龙”, 即各区独立安装, 安装完成后卸载各区内所有的临时支撑或提升吊点, 然后安装各个分区间的条形天窗及中央天窗。方案2采用“先合龙后卸载”, 即各区独立安装, 安装完成后保留结构周边的支撑架或提升吊点, 然后安装各个分区间的条形天窗及中央天窗, 屋盖安装完成后卸载各分区周边支撑点或提升吊点。方案1和方案2施工关键步骤分别如图8, 9所示。

可以看出, 方案2“先合龙后卸载”是在屋盖结构形成一体后再进行卸载, 结构整体性较好, 与设计状态较为吻合;同时在下部布满支撑的情况下结构合龙精度高, 卸载完成后结构位形也容易保证。但是对于大型机场类项目而言, 屋盖面积超大, 结构形状往往不规则, 传力方式错综复杂;一旦结构合龙, 卸载点位增多, 将会导致卸载过程不可控, 结构安全问题凸显, 实施难度大。

因此, 方案2“先合龙后卸载”的方式从安全、技术以及实施层面来讲均不具备十足的可行性。相比较而言, 方案1“分区卸载, 总体合龙”的方式更加适用于北京新机场项目, 每个结构分区各自独立卸载, 互不干扰, 一次卸载点位有限, 卸载过程安全可控, 卸载的同步性也易于保证。

为了验证方案1“分区卸载, 总体合龙”方式的可行性, 对上述2种方案进行施工模拟分析, 重点关注施工过程中, 结构后浇带对混凝土结构首层隔震支座的影响程度。采用大型通用有限元软件MIDAS/Gen分别对方案1和方案2的施工全过程进行数值模拟分析, 分析时仅考虑结构杆件自重。

以下主要分析条形天窗安装前, 2种方案对应的各个后浇带分区内所有支座 (钢结构柱脚位置) 的水平总剪力, 为评估土建结构中的隔震支座等提供数据参考;另外, 对结构安装完成状态下, 2种方案对应的各个后浇带分区的支座水平总剪力及附加支座水平总剪力进行对比, 为评估结构安装完成时, 土建结构中隔震支座的安全余量提供一定的参考。其中, 屋盖钢结构支撑体系柱脚反力提取位置如图10所示。

天窗安装前, 各个分区独立状态下2种方案对应的后浇带分区支座水平合剪力 (F_x²+F_y²) ^1/2对比如表1所示。从表1中可以看出, 方案2的水平合剪力要略大于方案1。由于屋盖结构C3-1区全部落在后浇带分区3上, 且屋盖结构C3-1区独立施工, 总的水平推力是相互平衡的, 因此, 屋盖支座编号分区C3-1的水平合剪力为0。屋盖结构C3-2区的支座分别落于后浇带分区4和分区5上, 所以后浇带分区4和分区5的水平合剪力值大小相等, 方向相反。其中, *号表示后浇带分区1、分区2、分区5需与北区计算结果汇总合并后才能计算总剪力。

表2给出了结构安装完成后, 各个分区独立状态下2种方案对应的后浇带分区支座水平合剪力对比, 表3给出了设计一次成型状态对应的后浇带分区支座水平合剪力。从表2中可以看出, 2个方案对应的水平合剪力值均小于设计状态。屋盖结构完成状态, 各个分区水平剪力方案2略大于方案1, 说明每个分区独立施工、并完成卸载后再安装天窗结构的做法对各后浇带分区内水平受力更加有利。

为保证航站楼结构的抗震安全, 主体结构采用隔震技术, 其中, 隔震层位于±0.000m处, 由铅芯橡胶隔震支座 (LRB) 、橡胶隔震支座 (LNR) 和黏滞阻尼器组成。隔震支座参数如表4所示, 黏滞阻尼器参数如表5所示。

将各分区内铅芯支座 (LRB) 、橡胶支座 (LNR) 、x向黏滞阻尼器、y向黏滞阻尼器的数量统计如表6所示, 其中, 分区1和分区2仅统计C2-1屋盖范围内支座数量。

各后浇带分区水平剪力的承载力中, 分区3为18 630k N, 分区4为8 370k N, 其中仅考虑铅芯支座 (LRB) 对水平剪力的抵抗作用, 单个铅芯支座的抗剪承载力按270k N (屈服承载力) 考虑, 后浇带分区1, 2, 5需与北区分块合并后考虑, 以下主要进行分区3和分区4内支座的承载力评估。天窗安装前, 将2种方案对应的后浇带分区3和分区4的合剪力与分区内支座的抗剪承载力进行对比, 如表7所示, 以上未考虑水平力产生的扭转对支座的影响。

通过表7内的数据对比可知, 天窗安装前, 方案1和方案2对应的后浇带分区3和分区4的合剪力均远小于分区内支座的抗剪承载力, 表明在施工过程中, 底层隔震层支座具有较大的安全余量。

通过综合分析, 屋盖钢结构最终采用“分区安装、分区卸载, 整体合龙”的施工原则, 而不同的后浇带浇筑时机会对屋盖钢结构施工阶段及成型状态的变形、内力分布产生不一样的影响。为了选取最佳的后浇带浇筑时机, 选取了2个方案进行模拟分析, 然后与原设计一次成型状态的变形及杆件应力进行对比, 采用差异较小的工况作为目标方案。

1) 方案a (后浇带最后浇筑) 土建结构施工 (结构后浇带不浇筑) →钢屋盖分区施工→分区独立卸载→安装条形天窗→浇筑后浇带。

2) 方案b (安装天窗前浇筑后浇带) 土建结构施工 (结构后浇带不浇筑) →钢屋盖分区施工→分区独立卸载→浇筑后浇带→安装条形天窗。

这2个方案的主要区别在于, 方案2中结构后浇带在钢屋盖分区完成卸载后、条形天窗安装前浇筑完成, 即屋盖钢结构合龙前, 土建结构先形成一个整体, 屋盖钢结构的整体刚度形成更为连续。

采用MIDAS/Gen对方案a和方案b的施工全过程进行仿真分析。

对施工过程中及完成状态下, 土建结构中的最大变形及应力数值进行分析, 结果如表8所示。通过分析可知, 方案a和方案b完成状态对应的楼板最大变形和应力均大于设计一次成型状态下的数值, 表明在进行施工过程分析中, 有必要考虑结构后浇带的不利影响。同时可以看出, 方案b即后浇带在天窗安装前浇筑完成, 对应楼板的整体水平变形与设计一次成型状态更为接近, 最大应力有所提高 (在土建承载力允许范围内) , 其主要原因为方案b中的结构后浇带参与到了钢结构合龙过程中的内力重分布。

施工过程中及完成状态下, 屋盖钢结构中的最大变形及应力如表9所示。

通过分析可知, 方案a和方案b完成状态对应的屋盖钢结构最大变形和应力均大于设计一次成型状态下的数值, 其主要原因是采用了分区安装、分区卸载的施工方案, 为了保证安装完成状态下结构的整体造型, 根据设计要求, 采用预起拱的方式对整个屋盖钢结构进行提前预起拱。同时可以看出, 方案b对应屋盖钢结构的整体水平变形与设计一次成型状态更为接近。综合对比, 方案b对整个结构的受力更为有利, 由于施工方法原因造成杆件应力超出设计允许值的杆件进行提前调整, 并重新复核, 保证施工过程中的杆件应力满足要求。根据现场进度情况, 部分杆件最终采用在条形天窗安装前完成整个结构后浇带浇筑, 保证各项工作的顺利开展。

1) 采用“分区卸载, 总体合龙”的施工思路更有利于本项目钢结构屋盖的顺利实施, 每个结构分区各自独立卸载, 互不干扰, 一次卸载点位有限, 卸载过程安全可控, 卸载的同步性也易于保证。

2) “分区卸载, 总体合龙”施工思路下, 每个分区独立施工并完成卸载后、再安装天窗结构的做法对各后浇带分区内水平受力更加有利。

3) 结构后浇带选择在条形天窗安装前进行浇筑, 对屋盖钢结构变形和内力的影响更为有利。