海口美兰国际机场国际楼结构设计

方 超 耿良邃

(中国民航机场建设集团公司，北京 100101)

1 工程概况

海口美兰国际机场国际航站楼位于现有航站楼的东侧，建筑平面布置为带有内庭院的1层建筑物。国际楼长193 m，宽108 m，采用层叠坡屋顶，建筑最高点标高16.50 m，建筑面积约1.5万m2。效果图如图1所示，建筑平面图如图2所示。建筑呈“一”字形展开，左侧为出发流程，包括办票大厅、检验检疫、海关、边防检查等;右侧为到达流程，包括到港大厅、检验检疫、边防检查、行李提取、海关、迎客大厅等;中间靠近空侧为候机厅和旅客中转大厅，靠近陆侧为办公和商业。

2 结构体系及特点

2.1 结构体系

图1 航站楼鸟瞰示意图

国际楼建筑造型设计理念旨在将现代建筑与传统地域文化相结合，运用现代建筑材料和结构技术来诠释木结构坡屋顶建筑独特韵味。由于传统木结构具有耐久性差(易腐蚀、遭虫蛀)、承载能力不足、材料来源困难等问题，而现代广泛使用的钢筋混凝土结构恰好可以克服上述问题。根据建筑物造型和平面布局特点，结合建设场地的地震设防烈度，考虑当地的气候特点和使用维护情况，结构的竖向承重及抗侧力结构体系采用钢筋混凝土框架结构，坡屋面为现浇钢筋混凝土斜板。

图2 航站楼建筑平面图

2.2 坡屋面结构特点

目前按照楼层搭建的结构，平面、立面都较为规则，楼面为平面梁板。一般较规则的平面楼板，在其自身平面内刚度很大，变形很小，在平面外楼板抗弯刚度较小。因此在结构整体分析中可以假定楼板在平面内刚度无限大，在平面外刚度为零，即刚性楼板假定。刚性楼板假定，既符合结构特点又极大的减少了结构的自由度，使结构整体分析大大简化，提高了分析效率。

国际楼采用坡屋面斜板，结构可能产生较明显的平面内变形，这种变形会使某些结构构件的内力和位移加大，按照传统的刚性楼板假定可能得不到正确的结果，甚至偏于不安全。

2.3 研究现状

当楼板可能产生较明显的面内变形时，计算时应考虑楼板的面内变形影响或对采用楼板面内无限刚性假定计算方法的计算结果进行调整［1］。

当前在国内广泛使用的软件中，由于空间建模能力有限再加上刚性楼板假定深入人心，一些设计人员往往把坡屋顶简化成垂直投影面下的平面梁板，采用刚性楼板假定对结构进行建模分析;或者建立空间模型时忽略现浇混凝土斜板的作用，采用梁单元模拟结构梁、柱，对其进行建模分析。这两种情况都不能准确的模拟真实的结构形式，所得的计算结果不能直接用于结构设计。

本文通过国际楼的设计实例，采用PKPM集成软件中的“复杂多高层建筑结构分析与设计软件PMSAP”对结构进行整体建模计算分析。通过坡屋面斜板在整体结构中作用的分析比较，以研究其对计算结果的影响。

3 计算分析

3.1 主要计算参数

国际航站楼外围尺寸较大，根据建筑平面布置，在纵向设置2道结构缝，将结构划分为4个相对规则的独立单元，如图3所示。S1，S4段是互为镜像的多跨层叠坡屋面结构，S2，S3段分别为单跨和双跨的坡屋面结构。

图3 国际楼分缝示意图

工程结构设计使用年限为50年，结构安全等级为一级。抗震设防类别为重点设防类(乙类建筑)。抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类，设计基本地震加速度0.30g。

3.2 计算分析比较

本工程为层叠坡屋面，屋面板大部分为现浇混凝土斜板。对于坡屋面，刚性楼板假定已不再适用，计算中坡屋面斜板采用弹性楼板假定，与梁、柱一起参与整体分析，作为整体结构的构件贡献刚度。

为了分析坡屋面中斜板的作用，本文以S1段为例建立了以下三组模型:模型1:不考虑坡屋面斜板的面内、面外刚度;模型2:考虑坡屋面斜板的面内和面外刚度;模型3:考虑坡屋面斜板的面内刚度，忽略面外刚度。结构周期和位移的计算结果对比见表1，单根构件的内力计算结果对比见表2和表3。结构计算模型见图4。

表1 结构整体计算结果比较

表2 梁弯矩计算结果kN/m

对计算结果做以下分析:

1)从表1可以看出，坡屋面斜板对结构的周期、总地震剪力以及位移均有一定影响。采用模型1计算，由于忽略了斜板的面内和面外刚度，计算结果偏柔，地震反应也较小一些，偏于不安全;采用模型2和模型3计算，计算结果基本一致，说明坡屋面斜板的面内刚度对结构周期、总地震剪力和位移的计算结果影响相对较大，而斜板的面外刚度对上述计算结果影响相对较小。

2)从表2中可以看出，模型1忽略斜板的面内和面外刚度时，梁的两端内力计算结果最大，而跨中内力计算结果最小;模型2和模型3的梁内力计算结果较为接近，在平行于斜板方向梁的内力计算结果中模型2略大，而垂直于斜板方向梁的内力计算结果中模型3略大。这说明坡屋面斜板的存在影响了梁在整体模型计算中的刚度贡献，进而影响构件内力计算结果。

表3 柱底内力计算结果

图4 结构计算模型

3)柱1的计算结果主要反映坡屋面斜板对竖向构件内力的影响。从表3中可以看出，在竖向荷载作用下，三种模型算出的构件内力相差很小;在水平荷载作用下，模型1构件内力计算结果较模型2和模型3差别较大，模型2和模型3基本一致，模型3略小。这说明坡屋面斜板刚度贡献明显，结构的总刚度增加，地震作用增强。

综上可以认为，现浇钢筋混凝土坡屋面斜板对结构的刚度和内力计算结果影响较大，设计时需要考虑斜板的作用。从受力分析角度看，考虑坡屋面斜板面内和面外刚度相对最符合楼板的真实受力情况;但从工程设计角度看，部分竖向屋面荷载将通过楼板的面外刚度直接传递给竖向构件，导致梁的计算弯矩减小，相应的配筋也减小。采用考虑坡屋面斜板面内刚度而忽略面外刚度时，所有竖向荷载都通过梁传递给竖向构件，这与过去所有关于梁的工程经验的刚性楼板假定相对应，梁配筋的安全储备相一致。因此建议在做类似坡屋面结构设计时，现浇混凝土斜板采用考虑面内刚度、忽略面外刚度的弹性模单元进行建模计算分析，采用同时考虑斜板面内和面外刚度的弹性板单元进行计算复核。

4 坡屋顶结构设计处理

从计算比较分析可知，现浇钢筋混凝土坡屋面斜板的刚度及抗力贡献明显，结构构件的计算配筋和构造处理与平屋面梁板有很大的不同。因此，在完成结构体系和构件计算之后，坡屋面结构的构造设计也必须重视。

1)由于坡屋面斜板的空间作用和平面内外的综合受力，坡屋面板配置钢筋不仅要考虑板平面的抗弯，而且要考虑其轴向受力。计算结果表明，坡屋面斜板内力以轴力为主，弯矩较小，尤其靠近檐口部分及坡屋顶的脊线处存在较大拉力。因此坡屋面斜板钢筋配置不仅要考虑板平面抗弯，而且要考虑其轴向受力。坡屋面板应双层双向通长配筋，并适当加密钢筋间距，在节点内均应按照受拉锚固。斜板转折相交节点，应适当加强，板钢筋交叉搭接锚固长度宜满足LaE，如图5所示。

图5 屋顶板折角示意图

2)经计算分析可知，由于坡屋面斜板采用弹性板假定进行计算分析，屋面梁中大都存在较大的拉力，需要按照拉弯构件设计。在构造上，这些梁顶部和底部均应配置一定数量的通长钢筋，并且均应按照受拉锚固。

3)国际楼采用层叠坡屋面，在坡屋顶梁柱连接位置存在较多的短柱。这些位置的混凝土柱在按照短柱计算进行配筋的同时，还要加强构造处理。在构造上，这些短柱采用复合箍筋，并且短柱高度范围内进行箍筋全高加密处理。

5 结语

1)国际楼建筑造型独特，以现代混凝土材料和结构计算理论诠释木结构坡屋顶的独特韵味。混凝土材料的仿木建筑，需要建筑与结构协调配合，使结构成为充满生机的建筑艺术的基础。

2)现浇钢筋混凝土坡屋面斜板的存在，结构的周期、位移和内力等都与平屋顶结构差别较大。本文根据坡屋面斜板刚度贡献的考虑情况建立三种模型，进行对比分析。结果显示坡屋面斜板面内刚度对结构计算分析影响重大，设计计算中可以采用考虑斜板面内刚度的模型进行计算分析设计，采用考虑斜板面内和面外刚度的模型进行复核设计。该方法与过去工程中有关梁的工程经验相对应，配筋的安全储备相一致。

3)坡屋面斜板的特殊性，在满足计算的前提下，需要考虑斜板的轴力和梁的轴力，在构造上采用加强措施;层叠坡屋面产生的短柱，同样需要加强构造措施。

［1］ JGJ 3-2012，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［2］ 建筑工程软件研究所，中国建筑科学研究院.PKPM多高层结构计算软件应用指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］ 贺 杨，张永胜.高层建筑结构优化设计［J］.山西建筑，2012，38(5):34-35.