一.工程概況
1.整體工程概況
重慶江北國際機場新建T2A航站樓及交通換乘中心位于重慶江北國際機場內(nèi)，在現(xiàn)有航站樓(T2B)南側(cè)，建筑面積約84000㎡，層數(shù)為三層半(其中主樓設(shè)有8000㎡的地下室)，在新老航站樓主樓之間設(shè)聯(lián)廊，該聯(lián)廊一二層為綜合交通換乘中心、三層為新老航站樓主樓之間的連接廊，聯(lián)廊層數(shù)為三層，建筑面積9000平方米;整個建筑基礎(chǔ)為獨立柱基礎(chǔ)(部分為人工挖孔柱基礎(chǔ))，結(jié)構(gòu)上除屋蓋為大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋外，其余均為鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)(圖1)。
圖1 新建T2A航站樓及交通換乘中心鳥瞰效果
新建T2A航站樓主樓部分建筑平面為90米×180米長方形，地下一層,地上兩層,局部夾層三層,建筑標高7.500米以下為混凝土框架結(jié)構(gòu),建筑標高7.500米以上為大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，建筑最高點約30.7米。屋面鋼結(jié)構(gòu)采用四角支撐鋼柱每36米均勻布置;兩側(cè)山墻部分屋面鋼結(jié)構(gòu)采用單鋼管支撐鋼柱沿建筑軸線每9米均勻布置。正立面(陸側(cè)部分)的外墻檐口（詞條“檐口”由行業(yè)大百科提供）呈波浪形，最低點為24.175米,最高點為28.874米;背立面(空側(cè)部分)的外墻檐口也呈波浪形，最低點為20.411米，最高點為26.852米;兩側(cè)山墻頂端為一光滑曲線，最低點為23.072米，最高點為30.608米(如圖2)。
圖2 新建T2A航站樓立面效果
2.幕墻工程概況
重慶江北國際機場新建T2A航站樓及交通換乘中心幕墻工程包括主樓、連廊、指廊、交通換乘中心及登機橋固定端的所有建筑外裝飾幕墻工程，其中以不銹鋼點駁接平面單拉索玻璃幕墻、鋁合金玻璃幕墻、鋁板及蜂窩鋁板幕墻和石材幕墻為主，其它幕墻類型為輔，幕墻總面積約5.0萬平方米。航站樓幕墻系統(tǒng)主要由鋁合金窗、全玻璃幕墻、單索點式玻璃幕墻、鋁板幕墻、鋁合金金屬百葉、石材幕墻等組成。其中航站樓建筑標高7.500以上陸側(cè)、空側(cè)及兩側(cè)山墻大面積采用單索點式玻璃幕墻，幕墻面積約8500平方米(圖3)。航站樓單索幕墻由北京江河幕墻股份有限公司負責施工，江蘇合發(fā)集團有限責任公司為施工圖設(shè)計和施工階段的顧問單位。
圖3 航站樓陸側(cè)室內(nèi)外效果
二.設(shè)計荷載取值
1.一般自然條件
a.氣溫：常年絕對最高氣溫為45℃,常年絕對最低氣溫為-2.8℃;最熱月的相對溫度平均值為35℃;
b.平均年降水量：1210.9mm;暴雨量：最大降雨量220.0mm，持續(xù)時間為24小時;
c.最大風速：1989～1999年2分鐘平均最大風速25米/秒，出現(xiàn)時間為1991年6月24日18：55;
d.建筑耐火等級:Ⅰ級;
e.場地類別：Ⅱ類。
2.設(shè)計荷載條件
a.屋面活載;0.3KN/㎡;
b.屋面檢修荷載：0.60KN/㎡;
c.基本風壓：0.40KN/㎡(n=50);
d.懸掛荷載：主樓0.3KN/㎡;指廊0.8KN/㎡;連廊0.8KN/㎡;
e.屋面系統(tǒng)荷載：檁條、面板、保溫材料（詞條“保溫材料”由行業(yè)大百科提供）自重：0.45KN/㎡。
3.屋面、墻體保溫設(shè)計四季參數(shù)
3.1室外設(shè)計參數(shù)
a.夏季空調(diào)干球溫度：36.5℃,夏季空調(diào)濕球溫度：27.3℃,夏季通風溫度：33.0℃,冬季空調(diào)干球溫度2.0℃,空調(diào)相對濕度：82%;
b.冬季通風溫度：7℃,夏季室外風速：1.4m/s,冬季室外風速：1.2m/s;
c.設(shè)計地震分組：第一組,按 7度采取抗震措施，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標準(GB50223-2008)》，為重點設(shè)防類建筑，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震措施。
時程分析所用地震加速度時程曲線的最大值取為： 18cm/s2(Gal)，標準反應(yīng)譜法(水平地震影響系數(shù)最大值αmax)取為：0.04。
3.2室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
3.2.1出港大廳
a.夏季溫度：24～26℃,冬季溫度：20～22℃;
b.夏季相對濕度：50～70%,冬季相對濕度：≥35%。
3.2.2到港大廳
a.夏季溫度：24～26℃,冬季溫度：20～22℃;
b.夏季相對濕度：50～70%,冬季相對濕度：≥35%。
4.特別說明
a.鋼結(jié)構(gòu)：相對撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）L/250(L=跨度);
b.絕對撓度：20mm(L≤4500mm)，30mm(L>4500mm);
c.鋁型材：相對撓度L/180(L=跨度);
d.絕對撓度：20mm(L≤4500mm)，30mm(L>4500mm);
e.在自重標準值的作用下，水平受力構(gòu)件在單塊面板兩端跨距內(nèi)得最大撓度不應(yīng)超過該面板兩端跨距得1/500，且不應(yīng)超過3mm;
f.預應(yīng)力拉索幕墻系統(tǒng)使用階段溫差按最低-15℃，最高50℃執(zhí)行，撓度按照1/50L控制;
g.雙層玻璃其撓曲允許值不得超過15mm或其平面正常方向凈跨得1/175，值小者為先。
三.航站樓單索幕墻方案設(shè)計
依據(jù)建筑設(shè)計和建筑效果的要求，為使新建T2A航站樓和老航站樓T2B在建筑形態(tài)上相互協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，新建T2A航站樓在外立面上大面積的采用了單拉索點式玻璃幕墻系統(tǒng)。依據(jù)建筑模數(shù)和主體鋼結(jié)構(gòu)布置的原則，玻璃分格尺寸為3000mm×2000mm，玻璃基本配置為12+12A+10+1.90PVB+10鋼化夾膠中空LOW-E玻璃。
1.結(jié)構(gòu)支撐體系設(shè)計
由于航站樓陸側(cè)、空側(cè)及山墻兩側(cè)幕墻立面較長，必須在中間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu);由于屋面鋼結(jié)構(gòu)整體剛度較柔，不能承受任何豎向荷載，所以必須在支撐鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)來承擔豎向拉索的拉力和幕墻自重。航站樓陸側(cè)結(jié)構(gòu)支撐體系布置如圖4，山墻側(cè)結(jié)構(gòu)支撐體系布置如圖5。
圖4航站樓陸側(cè)結(jié)構(gòu)支撐體系布置圖
圖5航站樓山墻側(cè)結(jié)構(gòu)支撐體系布置圖
航站樓陸側(cè)、空側(cè)幕墻抗風柱沿主體四角支撐鋼結(jié)構(gòu)左右每9米各設(shè)置一個，幕墻抗風柱間距18米，山墻側(cè)幕墻抗風柱在主體鋼屋蓋斜向撐桿（詞條“撐桿”由行業(yè)大百科提供）后布置，幕墻抗風柱間距9米，在山墻與陸側(cè)、空側(cè)拐角處設(shè)置三角形空間鋼構(gòu)架，來承擔水平拉索的拉力。在幕墻抗風柱和三角形空間鋼構(gòu)架頂部設(shè)置箱型鋼梁，承擔豎向拉索的拉力和幕墻自重(圖6)。
圖6航站樓鋼結(jié)構(gòu)支撐體系三維布置圖
2.單拉索索網(wǎng)體系設(shè)計
在航站樓陸側(cè)、空側(cè)及山墻兩側(cè)，沿玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）豎向分格縫處后設(shè)置豎向拉索，一端與頂部箱型鋼梁連接，一端與底部混凝土梁進行連接，考慮施工方便的原則，將豎向拉索的張拉端設(shè)置在底部;沿玻璃面板水平分格縫處后設(shè)置水平拉索，豎向拉索的直徑有Φ36mm、Φ24mm二種規(guī)格，水平拉索配置有Φ24mm、Φ28mm、Φ32mm三種規(guī)格。考慮到拉索彈性伸長和其它施工因素，陸側(cè)、空側(cè)水平拉索分成四段，山墻兩側(cè)水平拉索分成二段，張拉端頂真布置(圖7)。在水平拉索與主體四角支撐鋼結(jié)構(gòu)橫腹桿及豎向拉索與主體四角支撐鋼結(jié)構(gòu)斜拉桿干涉處，需要進行特殊構(gòu)造設(shè)計，設(shè)計應(yīng)遵循等強設(shè)計的原則。
圖7航站樓鋼結(jié)構(gòu)及索網(wǎng)支撐體系三維布置圖
3.幕墻結(jié)構(gòu)傳力途徑
水平荷載由玻璃面板通過駁接爪（詞條“駁接爪”由行業(yè)大百科提供）件傳遞給豎向及水平不銹鋼拉索，水平不銹鋼拉索承受的水平荷載由幕墻抗風柱傳遞給抗風柱頂部箱型鋼梁及底部混凝土梁;豎向拉索承受的水平荷載一部分傳遞給底部混凝土梁，一部分由豎索頂部箱型鋼梁通過其兩側(cè)幕墻抗風柱傳遞給底部混凝土梁。幕墻自重由豎向拉索通過頂部箱型鋼梁和幕墻抗風柱傳遞給混凝土梁。
4.細部節(jié)點設(shè)計
4.1幕墻鋼結(jié)構(gòu)適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）變形設(shè)計
屋面鋼結(jié)構(gòu)僅對幕墻抗風柱作垂直于玻璃面向的水平約束，幕墻抗風柱在重力方向和平行于玻璃面的水平向約束均為放松，屋面鋼結(jié)構(gòu)在重力方向(Z向)的變形位移量為：陸側(cè)：-40mm～+40mm，空側(cè)-25mm～+25mm，山墻側(cè)-50mm～+65mm。抗風柱頂部鉸接連桿設(shè)計可承受的豎向位移為±80mm， 滿足屋面變形及鋼結(jié)構(gòu)自身變形的位移吸收要求(圖8)。鉸接連桿采用螺紋套管連接，端部由鎖緊螺母（詞條“螺母”由行業(yè)大百科提供）鎖緊，可以實現(xiàn)抗風柱在垂直于玻璃面方向上±30mm的誤差調(diào)節(jié)。
抗風柱底部及頂部耳板連接位置設(shè)置專業(yè)加工的轉(zhuǎn)動軸承構(gòu)件，可以實現(xiàn)抗風柱平面內(nèi)水平方向的轉(zhuǎn)動變形，變形量±7°(圖9)。
圖8抗風柱頂部鉸接連桿重力方向位移吸收示意圖
圖9抗風柱平面內(nèi)水平方向調(diào)節(jié)變形構(gòu)造
4.2水平與豎向拉索標準節(jié)點設(shè)計
新建T2A航站樓主樓單層索網(wǎng)玻璃幕墻水平與豎向拉索標準節(jié)點，采用了駁接爪連接的構(gòu)造措施(圖10)，駁接爪根部開凹槽，豎向及水平不銹鋼拉索采用2根φ18不銹鋼螺栓通過不銹鋼壓塊將其與駁接爪相連，利用豎向拉索與內(nèi)壓塊及駁接爪間的摩擦力來承擔幕墻玻璃及不銹鋼拉索、爪具等結(jié)構(gòu)件的自重。
玻璃面板通過不銹鋼駁接頭與不銹鋼駁接爪連接固定，不銹鋼駁接爪通過不銹鋼壓塊與橫豎不銹鋼拉索連接固定。為滿足抗震變形、溫度變形等要求，并實現(xiàn)玻璃面板收拉的受力狀態(tài)，不銹鋼駁接爪開孔形式為上排兩個孔位為大圓孔，以放松玻璃面板平面內(nèi)變形位移，下排兩個孔位為橫向長圓孔，以承受玻璃的自重，并放送平面內(nèi)水平向的玻璃變形位移。
圖10單索幕墻標準節(jié)點構(gòu)造示意圖
4.3航站樓山墻位置玻璃百葉節(jié)點設(shè)計
航站樓兩側(cè)山墻立面局部玻璃分格處，為滿足室內(nèi)設(shè)備用房等空間通風要求，需設(shè)置百葉窗。考慮百葉窗與立面單索玻璃幕墻裝飾效果的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，設(shè)計采用玻璃百葉窗，百葉片采用10+1.52PVB+10鋼化夾膠透明玻璃，百葉片長3000mm，寬200mm，間距150mm(圖11)。
圖11玻璃百葉內(nèi)、外視節(jié)點效果
為滿足其在自重荷載及風荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性能，在玻璃百葉的中部位置采用不銹鋼拉索將百葉片吊掛在鋁合金百葉框上，鋁合金百葉框的表面采用灰白色氟碳噴涂處理，百葉片的外表面與大面玻璃面齊平，以滿足幕墻立面外飾效果的要求。
玻璃百葉通過不銹鋼夾板與鋁合金框連接，玻璃百葉整體單元安裝完畢后，與單索幕墻不銹鋼點爪通過4個M12的不銹鋼裝飾螺栓固定。
4.4航站樓山墻及空側(cè)立面通風開啟扇節(jié)點設(shè)計
航站樓兩側(cè)山墻及空側(cè)立面位置設(shè)置了38樘電動開啟窗以供航站樓室內(nèi)通風所用，開啟窗采用上懸外開的形式，電動裝置采用推桿式電動開窗器(圖12)。
圖12單索幕墻電動開啟構(gòu)造示意圖
為保證開啟扇與固定玻璃外立面效果的統(tǒng)一，開啟窗玻璃不設(shè)鋁合金窗框，而設(shè)計采用大小片玻璃相互咬合的形式，開啟窗的氣密性能和通過隱藏在玻璃間三元乙丙密封膠條（詞條“密封膠條”由行業(yè)大百科提供）實現(xiàn)。
開啟窗上邊與點玻駁接爪連接采用專用的不銹鋼抓點轉(zhuǎn)軸五金配件，并且將此轉(zhuǎn)軸件置于室內(nèi)側(cè)，以避免傳統(tǒng)的外置掛軸外露室外影響立面效果的情況發(fā)生。電動開啟裝置采用全封閉式內(nèi)螺紋驅(qū)動結(jié)構(gòu)，具有更好的封閉性，特別適于粉塵風沙等空氣顆粒污染較大的環(huán)境使用。
4.5水平拉索與鋼橫管干涉解決方案
航站樓陸側(cè)與空側(cè)水平拉索與主體鋼結(jié)構(gòu)四角支撐鋼柱橫腹桿存在干涉現(xiàn)象，干涉的處理采用環(huán)形鋼轉(zhuǎn)接件，轉(zhuǎn)接件采用Q345鋼(圖13)。轉(zhuǎn)接件在設(shè)計時應(yīng)該考慮拉索的變形、拉索在施工張拉時的伸長量，在水平拉索施工張拉時，對此轉(zhuǎn)接件在充分進行理論計算的基礎(chǔ)上還應(yīng)該進行結(jié)構(gòu)的拉伸試驗，確保整個結(jié)構(gòu)體系的安全。
圖13水平拉索與鋼橫管干涉處構(gòu)造示意
4.6豎向拉索與主體鋼結(jié)構(gòu)干涉解決方案
航站樓陸側(cè)與空側(cè)豎向拉索與主體鋼結(jié)構(gòu)軸四角支撐鋼柱連桿存在干涉，因為此處豎索在荷載作用下的正常變形量達到200mm左右，而此處玻璃面距鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點外側(cè)邊緣線的距離只有125mm左右，采用鋼套管及轉(zhuǎn)接件將豎索與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接，此處鋼節(jié)點對豎索僅僅約束垂直于玻璃平面方向的水平位移，拉索軸向位移放松，對建筑立面（詞條“建筑立面”由行業(yè)大百科提供）整體分格造型沒有影響(圖14)。
圖14 豎向拉索與主體鋼結(jié)構(gòu)干涉處理示意圖
四.航站樓單索幕墻結(jié)構(gòu)計算分析
1.荷載分項及組合系數(shù)
荷載分項系數(shù)：永久荷載1.2，風荷載1.4，地震作用1.3，拉索預拉力1.0，溫度荷載1.2;
荷載組合系數(shù)：永久荷載1.0，風荷載1.0，地震作用0.6/0.2，拉索預拉力1.0，溫度荷載0.6/0.2。
2.計算工況
風荷載在幕墻結(jié)構(gòu)的計算中起主要控制作用，故以此為基礎(chǔ)進行荷載工況的組合,D代表恒載(整體結(jié)構(gòu)自重)標準值;SD代表不含玻璃面板的結(jié)構(gòu)自重標準值;W代表風荷載標準值;T(+)代表升溫 50℃;T(-)代表降溫 15℃;P代表預應(yīng)力作用;E代表地震作用。
正常使用極限狀態(tài)（詞條“極限狀態(tài)”由行業(yè)大百科提供）計算：
a.1.0×P+1.0×D+1.0×SD+1.0×W+0.6×E;
b.1.0×P+1.0×D+1.0×SD+1.0×W+0.6×T(+)。
承載能力極限狀態(tài)計算:
a.1.0×P+1.2×D+1.2×SD+1.4×W+0.6×1.3×E;
b.1.0×P+1.2×D+1.2×SD+1.4×E+0.6×1.3×T(-)。
3.有限元（詞條“有限元”由行業(yè)大百科提供）計算模型的建立
3.1拉索參數(shù)
拉索材料：拉索材質(zhì)為316不銹鋼，彈性模量1.4E5Mpa，泊松比為0.3;
拉索截面及破斷力：采用公稱直徑為24mm、28mm、32mm、36mm拉索，其相應(yīng)的破斷力分別為：363.55kN、484.0 kN、628.98 kN、821.53 kN;
拉索的線膨脹系數(shù)：1.2 ×10-5(1/℃);
索端為鉸接。
3.2玻璃參數(shù)
玻璃配置為：12(LOW-E)+12A+10+2.28PVB+10中空鋼化夾膠玻璃（詞條“鋼化夾膠玻璃”由行業(yè)大百科提供），重力密度為25.6 KN/mm3;
玻璃彈性模量 0.72E5Mpa，泊松比為0.2;
玻璃的線膨脹系數(shù)：1.0 ×10-5(1/℃)。
3.3鋼材參數(shù)
本工程所用鋼材主要采用Q235B牌號鋼材，部分鋼材根據(jù)設(shè)計需要采用Q345B牌號鋼材。
鋼材機械性能Q235B(d≤16)：
抗拉抗壓和抗彎強度f=215N/mm2;
抗剪強度fv=125N/mm2;
延伸率（詞條“延伸率”由行業(yè)大百科提供）δ≥26%。
鋼材機械性能 (d≤16)：
抗拉抗壓和抗彎強度f=310N/mm2;
抗剪強度fv=180N/mm2;
延伸率δ≥26%。
3.4荷載計算
a.恒載(整體結(jié)構(gòu)自重)
在ANSYS11.0模型中，拉索及鋼結(jié)構(gòu)的自重由程序自動計算，玻璃面板自重按點荷載進行施加，具體計算如下所示：
玻璃采用12(LOW-E)+12A+10+2.28PVB+10中空鋼化夾膠玻璃，每平米自重：標準值25.6×0.032 =0.8192 KN/m2(豎向),考慮附屬結(jié)構(gòu)的自重, 取0.85KN/m2(豎向)。
b.地震作用
地震作用按點荷載進行施加，幕墻自重約0.85 KN/m2，抗震等級6度，水平地震影響系數(shù)最大值0.04,標準值： EY=5×0.04×0.85=0.17 KN/m2(垂直玻璃板面),EZ=5×0.04×0.85=0.17 KN/m2(平行玻璃板面)。
c.風荷載
風荷載的取值以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 GB50009-2001(2006年版)、《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（詞條“玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范”由行業(yè)大百科提供）》(JGJ102-2003)、風洞試驗報告三者中較嚴格者控制。根據(jù)荷載規(guī)范基本風壓W0取為0.40KN/m2，根據(jù)結(jié)構(gòu)物表面的風壓基本上是以風吸力為主，在設(shè)計時，考慮對結(jié)構(gòu)不利的工況，適當取內(nèi)部風壓體型系數(shù)為-0.2，正壓區(qū)μsl =1.3，負壓區(qū)對墻面μsl = -1.0，對墻角邊μsl = -1.8，考慮到封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的影響，實際取對墻面μsl = -1.2，對墻角邊μsl = -2.0。
d.溫度荷載
拉索幕墻結(jié)構(gòu)溫度作用按降溫-15℃，升溫+50℃考慮，程序設(shè)定參考溫度為0℃。
e.預應(yīng)力作用
拉索的預應(yīng)力作用以施加初應(yīng)變的方式在模型中實現(xiàn)。
f.鋼筋混凝土層間位移作用
鋼筋混凝土層間位移對拉索的作用以施加應(yīng)變的方式在模型中實現(xiàn)。
3.5計算模型圖
整體計算模型示意如圖15。
圖15整體計算模型示意圖
4.計算結(jié)果
4.1幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果
幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如下表所示。
4.2幕墻索網(wǎng)體系計算結(jié)果
幕墻索網(wǎng)體系計算結(jié)果如下表所示。
