广州新白云国际机场航站楼钢结构设计
1、 钢结构工程概况
主楼长325M，宽235M，其中平面又二片反向的圆弧形带组成，见图9。主楼南北两侧钢无该的支承构件是一排 由3Φ273×16圆钢管组成的三角形变截面人字形组合柱，人字形柱的两端铰接，使柱的受力最小，以期取得修 长轻巧的建筑效果。人字形柱的柱顶高度从东西二端的14.7M升高到中间的35.7M，由里向外倾斜。主楼的内部 设置了二排巨形变截面混凝土箱形柱，由于主楼脊骨结构（spine structure）的两侧是刚度及约束都较小的人 字形铰接柱，在脊骨结构的内部设计刚度较大的抗侧力柱是必要的。巨形柱的柱距为18M，在基础处的截面为25 00MM×4500MM，刚接于基础，承受全部水平力。主楼的屋盖为近似的几何球形，巨形柱的柱顶高度又东西二端的 21M上升到中间的41.9M。主楼采用三角形钢管桁架结构，跨度为76.9M，桁架高度为5M，两端铰接支承在人字形 柱及混凝土巨形柱上，主桁架在人字形柱以外的南北方向悬挑7~23M。主桁架两上弦杆的间距从人字形柱处的 3.8M变化到巨形柱处的5.25M，弦杆为508×16~25MM，腹杆为Φ245×7.1~12MM。腹杆在下弦杆交汇点的间距为 6.35M。主桁架之间的屋面结构是14M跨度的箱形压型钢板，主楼屋盖共设置了二道伸 缩缝，伸缩缝采用悬挑结 构，这时箱形屋面压型钢板悬挑7M，这种箱形压型钢板除了作为结构板外还兼作屋盖支撑，整个屋面简洁美观。 为了增加 建筑外观的造型变化以及满足采光要求，主桁架在巨形柱处上升为一个拱型桁架采光带，采光带的宽 度由中间的20M变化到东西二端约50M，采光带是玻璃纤维张拉膜结构。主楼的屋盖透视图见图10。
连接楼分为东西连接楼，每翼连接楼的平面为450×62M，地上三层，用三道伸缩缝将混凝土楼盖分为四段， 用二到伸缩缝将屋面分为三段。连接楼的柱距为18M，典型的钢桁架见图11。三角形圆管桁架的弦杆为3 Φ245×12~16MM，腹杆为Φ127×6~12MM，桁架的高度2.8M，上弦杆的间距为3M。主桁架一端落地，另一 端支承在由3Φ168×12.5MM的钢管组成的变截面人字形组合柱上，与主楼人字形柱子不同的是，连接楼的 人字形柱是从外向里倾斜的。主桁架在跨中位置支承于1M直径的钢筋混凝土圆柱上，从落地端到混凝土柱 的跨度约25M，从混凝土柱到人字形柱的跨度约30M，再悬挑约7M。连接楼的屋面是有檩体系。屋面板是 层压型钢板，部分屋面为玻璃纤维张拉膜。整个屋面沿纵向设置了5道次桁架，次桁架即支承檩条也是屋盖 的支撑，在屋盖伸缩缝处设有X形的支撑。
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东一西一指廊的平面为360mX38.8m，东二及西二指廊的平面为252mX38.8m。指廊为三层建筑，柱距为 12m。混凝土楼盖的伸缩缝间距为96m。钢屋盖的伸缩缝间距为126m。与主楼相同，屋盖伸缩缝采用悬挑结 构，在伸缩处悬挑6m指廊屋盖钢桁架采用方钢管平面桁架，主桁架跨度24m，支承于钢筋混凝土柱子上，两 端各悬挑7.4m。混凝土柱的高度为23.6~12.6m。主桁架高2.2m，弦杆为口250X12~16mm，腹杆为口160~180 X6~8mm，屋面为1.6mm及2.0mm厚和箱形压型钢板。指廊屋盖在混凝土柱顶设有2道纵向支撑。东西高架连 廊为二层钢结构，连接主航站楼和连接楼。高架连廊的宽度为13~16m，跨度为54m，两端带有4.5m~7.0m的 悬挑，屋面标高为20~40m，屋面为玻璃纤维张拉膜，楼盖为型钢梁及压型钢板――混凝土纵使组合楼板。 高架连廊为口400mm及口500mm的方管钢桁架，支承于1078X461X70X125mm的焊接H型钢柱上。高架连廊的高 度高，跨度大，宽度窄，对抗水平力非常不利，在航站楼的四建筑物的单位用钢量中，高架连廊的用钢量 最大。高架连廊典型桁架见图12。
2、屋盖的结构分析与荷载
大跨度的屋盖自重较轻，本工程为6度设防，结构分析中不考虑地震作用，屋盖的最主要荷
载是风荷载。 风荷载按中国规范取值，最大风压的重现期取100年。主桁架的计算考虑风振系数，风振系数由水平风力 和竖向风力作用下结构动力计算得到。屋面板的计算考虑正风压的峰值及负风压，风压的峰值及风荷载的 内压力、内吸力由风洞试验确定。根据风洞试验结果，中央高四角低的近似几何球形屋面对于抗风较为有 利，主楼的四角有长达23m 的悬挑，悬挑部分的负风压是主桁架的控制荷载之一，近似的球形屋面使四个 角的负风压最小。
结构的整体计算采用美国结构分析与设计程序STAAD，并用同济大学空间钢结构计算程序3D3S及美国 MARC公司大型通用有限元程序Marc进行验算比较，节点有限元分析及人字形柱的有限元分析采用ANSYS程 序。空间计算模型由Autocad三维模型线框图转换而成。桁架弦杆、腹杆采用柱单元（考虑轴向、弯曲、 剪切和扭转变形），宽翼缘工字钢及角钢采用梁单元（只考虑弯曲和剪切变形），屋面板及人字形柱上钢 板采用薄壳单元（只考虑拉伸和剪切变形）。承载能力的验算满足中国规范及美国规范的要求。 3. 节点设计
广州新白云国际机场航站楼的钢管桁架节点形式很多，主楼和连接楼主要是圆管节点，指
廊和高架连 廊是方管节点，节点分为支座节点及相贯连接节点。节点的设计及承载力计算主要参考了J.A.Packer、 J.E.Henderson、J.J.Cao（曹俊杰）著《空心管结构连接设计指南》（科学出版社，1997，北京）中所提 供的空心管焊接接头方法及计算公式。相贯连接节点的失效模式有：（1）弦杆表面塑性失效；杆表面冲 剪失效；（3）受拉腹杆拉伸破坏；（4）受压腹杆局部屈曲；（5）弦杆在间隙处剪切破坏；（6）在受压 腹杆作用下弦杆侧壁局部屈曲；（7）受拉腹杆背面弦杆表面局部屈曲。承载力的计算应该保证节点不出 现上述各种失效模式。
本工程相贯节点主要的构造措施是圆管采用间隙接头，方管采用搭接接头。采用间隙接头的优点是腹杆与 弦杆有全周焊缝，节点的抗剪承载力高；缺点是节点有偏心弯距，降低了弦杆的轴向承载力。由于圆管为 马鞍型坡口，圆管节点需整体安装焊接，如果腹杆搭接，被搭接腹杆相接于弦杆的趾部为隐藏区不能焊接， 因此圆管节点应避免全搭接接头，圆管节点也应尽量避免采用KT节点或有较多杆件交于一点的节点。方管 及矩形管为直线坡口，其搭接接头可先焊接一次相贯的全周焊缝，再安装焊接二次相贯的焊缝，这样的搭 接接头刚并大，承载力高。当然，方管及矩形管也可以采用间隙接头，这时施工较为简单。本工
程贺管腹 杆在弦杆的交汇处设计有离开弦杆中心线50~70mm的正偏心和沿弦杆方向30mm的偏心，避免了双K节点的腹 杆搭接。高架连廊及指廊的方管KT节点腹杆有部分搭接，施工时先焊接受力较大的斜腹杆，斜腹杆与弦杆 相交处为全周焊缝，然后再焊接受力较小的直腹杆，直腹杆焊在弦杆及斜腹杆上。间隙接头及搭接接头大 样见图13。主楼及连接楼下弦杆两端支座处，部位重要，相交的杆件多，受力大，设置了1m长的实心钢棒。 另外，有个别的空心管接头节点承载力不足，我们分别采用了：（1）在弦杆外焊加强板，施工简单，可 用于受拉或受压弦杆，但影响外观；（2）在弦杆内加穿心板，施工复杂，不影响外观，可用于受拉或受 压弦杆；（30用混凝土填充节点，施工复杂，不影响外观，可用于受压较大的弦杆。
4、人字形柱的应用与试验
人字形柱是由3根圆钢管组砀三角形变截面格构式组合柱。柱的两端钢管相贯连接，在柱的中部3根钢管换 汤不换药成三角形格构式柱，其三角形纵使截面设计成沿长度线性变化，各柱的变化斜率相同，柱的外形 呈两头小中间大的榄核形，3根圆钢管由厚度30mm的钢缀板连接。人字形柱的精确计算很困难，柱的两端钢 管截面相贯，截面削弱大，人字形柱
是倾斜设置的，自重造成的初始偏心自然存在，人字形柱的长细比一般 比较大，加上制作误差等因素，初始偏心对长柱的影响较大。我们请清华大学结构工程研究所对主楼19m、23m、 29m三根人字形柱用弹塑性大挠度有限元法Ansys程序分别按无初始偏心及按L/500初始偏心进行计算，并进 行足尺模型破坏试验，其结果如下：
5、 273X16mm人字形柱极限承载力
柱长（m） 柱中截面处管中距（mm） 荷载设计值（KN） 不考虑初始偏心的极限承载力计算值（KN） 考虑
L/500初始偏心极限承载力计算值（KN） 足尺试验的极限承载力（KN） 足尺试验时制作误差 试验与L/500
初始偏心计算值的差值
29.465 1135 1344 5290 3740 3820 L/1000 2.14%
22.922 830 1984 5940 5070 5300 L/1000 4.54%
18.985 654 2979 6520 6400 6300 L/190 1.56%
初步结论是：
（1） 初始偏心对短柱的影响小，对长柱的影响大，柱的承载力由整体稳定性控制；
（2） 不同长度的柱，其破坏形式相似，破坏点约在离两端0.3L处。柱子两端相贯截面削弱不起控制作用，超 过弹性极限后，截面削弱加速承受柱荷载――位移曲线的非线性将就，最后破坏为屈折破坏；
（3） 按L/500初始偏心计算结果与试验结果吻合；
（4） 增大人字形柱 的钢管中距对改善整体稳定有利，增加横隔板对改善局部稳定有利，增大钢管的外径或 壁厚对改善柱子的整体稳定及局部稳定有利；
（5） 可以考虑根据荷载――位移曲线，取柱的弹性极限承载力为柱 承载力设计值。
6、屋面箱形压型钢板的应用与试验低噪音风机箱
钢板为Q235C镀锌钢板，按跨度及风荷载的变化分为1.2mm、1.5mm、1.6mm 1.9mm.、2.0mm五种。这种箱形压型 钢板是冷弯薄壁结构，首次在我国制造及应用。压型钢板分上下两种轧制成型，再焊成箱形，在箱形空腔内加 保温吸音材料，亦可按需要在空腔内加型钢。压型钢板的下表面按声学要求开孔，孔径3mm。开孔率约8%，孔壁 复涂冷镀锌防腐。这种压型钢板集结构承重、屋盖支撑、建筑吸音、吊顶装饰等功能于一身，外观简洁美观， 是目前跨度最大的屋面压型钢板。跨度14m的压型钢板在同济大学做了3组共9个试件的荷载破坏试验，跨度12m 的压型钢板在天津大学做了2组共6个试件的荷载破坏试验，试验结果台下：
组合压型钢板荷载试验
跨度（m） 板厚（mm） 换算极限均布荷载（KN/m2） 挠度为L/200时换算极限均布荷载（KN/m2）
14 1.2 2.64 1.59
14 1.55 3.55 1.75
14 1.79 5.07 2.27
12 1.60 5.08 3.56
12 2.0 6.73 4.00
结论为：
（1） 组合压型钢板的破坏形式为跨中上翼缘受压换稳破坏，破坏前刚度呈线性减小，变形增大，破坏 时腹板两侧鼓出，最后换稳破坏。
（2） 箱形压型钢板的承载力及刚度均超过设计要求，是一种承载力高、刚度大的屋面大跨度结构。
（3） 破坏时腹板的剪应力及剪应变都比较小，与破坏无关。 超分散剂应用涂料工业
（4） 上下板之间的电阻点焊抗剪强度满足要求，压型钢板屈服前无焊点断裂，屈服后仅极小焊点因板 边变形过大而拉开。
（5） 试验结果的离散性很小，一组三个试件最大值与最小值相关不超过2%，压型钢板的质量均匀，试验 可靠。
6、材料与用钢量
广州新白云国际航站楼钢结构用量约2.1万吨（未包玻璃幕墙桁架，未包屋面板、未包损耗，连损耗施工 结算用量约2.35万吨），屋面板的复盖面积约16.5万m2，屋面板用钢量约5500吨，整修航站楼钢结构平均 用钢量约127kg/m2屋面板用钢量约为33 kg/m2，二者合计约160 kg/m2。其中主楼钢结构用量为135 kg /m2（包括钢柱），连接楼为120 kg/m2（包括钢柱），指廊为85 kg/m2（包括登机桥固定端连接口的 竖向结构系统），每条高架连廊用钢量约为900吨。经总量2.1万吨钢材中，圆钢管的用量约8千吨，方钢 管用量约6千吨，轧制及焊接的型钢约5千吨，钢板及螺栓、拉索等约2千吨。广州新机场的钢材采用国际 招标的方式采购，钢管及型钢主要为进口钢材。钢管采用欧洲标准EN10210的S355J2H热成型高频电焊管， 原产国英国。热 轧及焊接型钢采用美国标准ASTM A36钢及A572Grade50钢，原产国英国、卢森堡、日本。 屋面板采用中国标准Q235C镀锌钢板，原产地上海及台湾。有部分钢管及钢板采用国产Q345B钢。CCSVC
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