本工程为湖北空管局为武汉天河机场三期配套建设的相应空管工程。塔台地上总建筑高度为114.95m,共22层,16层以上为功能层,塔台下部为钢筋混凝土筒体,为椭圆形截面,长轴直径11m,短轴直径8m,筒体厚度采用400mm;上部功能区为钢筋混凝土筒体+钢结构的混合结构。塔台地下为一层地下室,平面尺寸为16.8m×23.6m,层高7.5m。在机场塔台建筑中,武汉天河国际机场新塔台建筑高度为国内第一,世界第二,仅次于132m高的泰国新曼谷机场航空塔台。该塔台于2016年6月建成并投入使用(图1)。塔台建筑剖面图如图2所示,典型功能层结构平面布置图如图3(a)～(e)所示。

　　 本塔台的结构体系下部为混凝土筒体、上部为混凝土筒体+钢框架、顶部为钢框架。建筑结构安全等级为二级,建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类) ^[1,2],地基基础设计等级为甲级,桩基设计等级为甲级。主体结构设计使用年限为50年,主体结构耐久年限50年,地震基本烈度6度,设计基本地震加速度0.05g,设计分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。筒体剪力墙抗震等级为二级、上部钢结构部分为三级 ^[3,4]。

　　 机场塔台为特种结构,建筑使用功能和立面效果比较新颖,结构设计有其特殊性,需要针对建筑特征采用相应的结构设计措施 ^[5]。

　　 本塔台建筑具有以下明显特征:1)塔台的高宽比为114.5/8=14.3,结构细长;2)与常见的圆形、正多边形塔台形式不同,该塔台为非轴对称形状,且向一边伸出较多,导致上部荷载会向一边偏置,造成附加弯矩;3)塔台属于一种特种功能建筑,要求顶部有较大使用功能,而下部主要用于竖向交通,尺寸有限,在结构上形成“身子小、脑袋大”,荷载集中于顶部,对结构整体抗倾覆不利;4)塔台顶部为指挥控制室,需要视野开阔,需尽量减少遮挡。

　　 针对塔台的上述建筑特征,结构设计中采取了以下措施:1)针对结构细长的特征,应采用抗侧刚度大的结构体系,选用混凝土筒体。2)针对塔台的非对称大外伸、上部荷载大的特点,应尽量减轻上部外伸结构的重量,采用钢结构。3)针对塔台荷载集中于顶部,结构整体抗倾覆不利的状况,在塔台下设置扩大尺寸的地下室。塔台无地下室和设置地下室时的结构整体抗倾覆能力比较详见表1。从表中可以看出,通过设置扩大地下室,结构整体抗倾覆能力得到显著提升。另外,设置扩大地下室后,也避免桩基在风荷载、小震、中震、大震作用下出现受拉状况。4)针对指挥层需要视野开阔的要求,顶层采用只设4根钢柱的钢框架结构。

　　 结构位移计算时采用50年重现期风压0.35kN/m²,结构承载力计算时采用50年重现期风压的1.1倍,阻尼比采用0.04;结构舒适度验算时采用10年重现期风压0.25kN/m²,阻尼比采用0.02。地面粗糙度为B类。

　　 由于塔台造型独特且高度较高,需要进行风洞试验以及风致动力响应分析 ^[6,7],风洞试验模型见图3(f)。主要结论如下:1)塔台墙体外表面测点的压力系数结果表明,气流在外墙面的棱角处出现明显的分离,且在分离区出现较大的负压。2)从试验结果可以看出,由于周边建筑物高度较小,主体建筑受到周边建筑的影响较小。主体建筑底部的平均风压系数由于受到较矮周边建筑物的“遮挡”作用,局部有所减小。随高度增加,周边建筑物的干扰减小,较大正风压出现在塔台的2/3高度附近。3)从风荷载体型系数的分析结果来看,测点正风荷载体型系数基本维持在0.11～1.26之间,负风荷载体型系数大概在-1.65～-0.21之间,但底部测点的负风荷载体型系数相对较大,最大达到-2.29。4)幕墙表面峰值负压绝对值明显大于峰值正压,且较大值多出现于外墙面曲率较大处。幕墙设计时应着重考虑峰值负压的影响。5)基于10年一遇风荷载取值和风洞试验数据计算的结构顶部X向峰值加速度为0.285m/s²,Y向为0.184m/s²,平动舒适度大于规范要求0.25m/s²;结构顶部绕竖向轴最大扭转加速度为0.055rad/s²。

　　 对于顶部峰值加速度大于规范要求,设计中在22层(指挥层下一层)留有水平减振TMD的安装位置,后期使用中可增设TMD。计算中,塔台整体风荷载体型系数取1.0,与风洞试验给出的等效静力风荷载作用下的塔台基底剪力和弯矩对比结果见表2。由表2可知,X向基底剪力及弯矩差异较小,而Y向基底剪力及弯矩在风荷载体型系数取1.0时大于风洞试验给出的等效静力风荷载作用下计算的结果,因此塔台整体计算中,整体风荷载体型系数取1.0是合适的。

　　 根据地勘报告及计算分析,基础采用钻孔灌注桩,桩身截面采用ϕ800,有效桩长32.5m,单桩竖向抗压承载力特征值R_a=4 000kN,桩端持力层为⑥含粉质黏土、砾卵石中粗砂层,要求进入持力层深度h≥8 500mm。

　　 地下室桩基布置如图4所示,桩基在风荷载、小震、中震、大震等效弹性分析下均未出现受拔状况。塔台地下室的桩基筏板考虑桩基冲切、抗浮计算等因素,确定筏板厚度为1.3/0.8m。塔台地下室不存在整体抗浮问题。

　　 塔台结构计算模型如图5所示。本工程上部结构整体分析以地下室顶板为嵌固端。结构前6阶振型及周期如表3所示,前4阶振型形状如图6所示。扭转振型到第4阶才出现,扭转周期与平动周期比值为0.134 2。

　　 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010),层间最大位移与层高之比(层间位移角)限值为1/1 000。顶层为框架结构,层间位移角按照1/500控制。在地震作用和风荷载作用下,结构层间位移角、层间位移比、层位移比最大值见表4。从表4可知,塔台各层层间位移角、层间位移比及层位移比均满足设计要求。

　　 结构在等效弹性分析下的中震、大震层间位移角情况如图7所示。从图7可知,塔台在小震、中震及大震作用下的各层层间位移角均满足设计要求。

　　 SATWE计算得到的竖向筒体的最大轴压比为0.38,小于0.50的设计限值要求。按照《高耸结构设计规范》(GB 50135—2006) ^[4]应验算混凝土筒体在恒载、活载、风荷载、地震、温度等荷载标准组合作用下的水平裂缝宽度。

　　 通过调整上部功能区的布置、楼板厚度等方法,控制结构各层的质心与刚心的位置在筒体范围之内(图8),保证主体结构在恒载、活载、风荷载和地震荷载标准组合作用下,墙体不出现拉应力,还处于受压状态,保证墙肢在正常使用极限状态下不会出现裂缝。

　　 为了避免本塔台在室外风雨、温度变化等各类自然环境作用下的损伤和老坏,对塔台外立面整体进行了保温、幕墙设计。由于塔台进行了外保温设计,因而在结构设计中未对塔台竖向温度作用进行特殊设计。

　　 计算分析表明,底层墙体在恒载、活载、风荷载与地震作用的基本组合内力下,按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)中式(3.11.3-2)验算,会出现拉应力,最大拉应力为0.85MPa,拉应力远小于混凝土抗拉强度标准值1.80MPa。筒体墙肢到6层后,所有墙体已不出现拉应力。

　　 按照《高耸结构设计规范》(GB 50135—2006) ^[4],不考虑混凝土拉应力作用,按照混凝土塔筒水平截面极限承载能力计算公式(6.3.1)算出的底层受拉墙体竖向配筋要求为不小于■16@200(双排,HRB400),实际配筋中外排钢筋为■18@200,内排为■16@200。另外,设计中对1～6层墙体按抗震等级高于特一级进行配筋加强,墙体竖向及水平向配筋率不小于0.5%,受拉范围均设为约束边缘构件。

　　 塔台外部钢结构的组成与筒体之间的连接方式如图9,10所示。在受力上,各层外伸斜柱在承受竖向荷载时,会对与之相连的钢梁产生水平拉力,钢梁会将该拉力传递给楼板、筒体。计算表明钢梁上的拉力除在20层(钢柱由斜变直处)相对较大外,其他楼层钢梁拉力均较小,设计中在20层的筒体中设置钢骨梁,在其他楼层筒体中设置暗梁,另外各层楼板在筒体周边1m宽范围内配置环向加强钢筋(图9)。与混凝土筒体连接的钢柱脚如图11所示。

　　 武汉天河国际机场新航空塔台为高耸结构, 结构设计中对其独特的建筑特征采取了针对性的措施,设置有扩大尺寸的地下室改善结构的整体抗倾覆不利的状况;采用混凝土筒体增大截面抗侧刚度;上部功能区采用钢筋混凝土筒体+钢结构的混合结构,最大限度减小上部功能区的质量偏心,减小下部墙肢的受拉状况;顶层控制室采用只设4根钢柱的框架结构,以满足视野开阔的要求。另外,本文还对塔台的风荷载分析、地下室及基础设计、结构分析结果、筒体受拉分析以及上部钢结构外伸体系进行了介绍。