泰国曼谷第二国际机场预应力索结构点支式幕墙设计与施工.doc

1、泰国曼谷第二国际机场预应力索结构点支式幕墙设计与施工2007年9月7日摘要本文介绍了泰国第二国际机场航站楼预应力索桁架点支式玻璃幕墙结构设计，分析了幕墙结构体系与主体结构的关系，论述了索桁架这一新的结构型式，并通过实验进行了验证。关键词幕墙结构、预应力索桁架，结构实验。随着泰国经济的复苏和发展,老机场已经不能满足旅游业日益发展的需求,经过近40年的筹化,泰国政府决定修建曼谷第二国际机场-苏瓦纳喷机场(Suvarmabhumi Airport)。1.工程概况曼谷第二国际机场位于曼谷市桑母拔干府邦怌县邦纳达纳地区(Bang Na-Trat Highway in Bang Phli District

2、 of Samut prakan Province,Bangkok), 距曼谷市中心25公里,距曼谷国际机场约35公里,占地面积20000亩,总建筑面积563000平方米,由航站楼、连接廊、指廊三部分组成(如图1)。主航站楼索结构点支式玻璃幕墙的设计和施工由深圳三鑫特种玻璃技术股份有限公司和泰国曼谷KAMA Joint Venture Co.Ltd共同承担。曼谷第二国际机场年设计旅客吞吐量4500万,远景规划目标9000万;每小时飞机起落架次76次,远景规划目标112次;年设计货物吞吐量3000万吨,远景规划目标6000万吨;航站楼东西两侧各设置一条跑道,东跑道长4000米,西跑道长3700米

3、,远景规划目标共设置跑道4条;控制塔台高度132米,停车位15677个。航站楼主体结构采用混凝土及大跨度钢结构相结合方式,建筑高度42.85米,长444米,宽111米,建筑面积182000平方米。地下二层,负一层为货物与行李分检区,负二层为地铁出入口及地铁站;地上三层,局部六层,为旅客出发及到达层,同时具备办公、餐饮、商场等功能。连接廊与指廊主体结构同样采用混凝土及大跨度钢结构相结合方式,建筑高度25米,总长3133米,宽40.05米,建筑面积381000平方米。2.幕墙概况根据建筑设计要求,整个机场航站楼四周大面积采用点驳接玻璃幕墙作为外围护结构,航站楼长444米,宽111米,幕墙面积约45

4、000平方米。幕墙抗风柱间距9米(如图2),采用双索2-40自平衡结构,玻璃采用10+1.52PVB+10钢化夹胶玻璃,玻璃分格尺寸2450mm2250mm,驳接爪采用星型300 mm300 mm,玻璃开圆孔采用抱头驳接头。幕墙抗风柱间采用预应力双鱼腹索桁架作为幕墙的抗风结构体系,沿幕墙玻璃竖向分格缝处,设置22竖向拉杆,用其来承受玻璃和结构的自重。根据施工进度需要,整个幕墙共分8个区,除两侧山墙外,陆侧和空侧根据主体建筑伸缩缝的设置各分三个区,在伸缩缝左右两侧,采用2榀三索2-40“T”形自平衡结构体系,除满足主体结构伸缩及变形需要外,每个伸缩缝区间内每榀预应力双鱼腹索桁架水平的拉力由“T”

5、形自平衡结构体系在幕墙平面内的单边2-40拉索承担。在幕墙顶部,同样采用“T”形自平衡结构体系来承受和传递水平荷载及幕墙的自重。3.幕墙介绍3.1幕墙计算荷载取值因泰国尚无荷载规范,整个机场建筑设计包括幕墙施工图设计均依据澳大利亚建筑荷载规范来进行取值。3.2幕墙抗风柱设计在航站楼四个立面,每九米跨设置了自平衡结构体系幕墙抗风柱,中间弦管采用50020无缝钢管;自平衡结构体系顶部与底部均采用纺锤型钢铸件,顶部较短,底部细长, 中间弦管两侧各采用2-40钢拉索, 底端固定,上端采用螺杆调节,双螺帽锁紧。在钢拉索的底部,采用带铰板的连接锁头,锁头加工采用浇铸工艺, 40钢拉索与锁头的连接采用热浇锚

6、的加工工艺,这与国内在幕墙工程当中大多采用压制工艺有很大不同;撑杆前端采用“四角鱼”形式特制夹具将其夹紧,撑杆采用706实体钢棒,为避免根部弯矩对钢管刚度的影响,与中间弦管连接采用双耳板铰接构造措施。底部与混凝土楼面的连接构造采用圆形双耳板铰接构造(如图7); 顶部用撑杆与主体屋面钢结构连接,撑杆端部带有螺纹,长度上可以自由调节。自平衡索结构前端撑杆长度不一,“四角鱼”形夹具与驳接爪间采用撑管连接,驳接爪与撑管间采用螺纹连接,撑管与“四角鱼”形夹具采用铰连接。在驳接爪根部设计有通长带螺纹园孔,承受玻璃自重并调节撑管水平位置的不锈钢拉杆通过两端头螺纹与其相连接。自平衡索结构幕墙抗风柱高度28米,

7、沿建筑轴线每9米进行设置,最大腹高2400mm,设计对40钢拉索预张力在不同情况下提出了不同要求,在工厂制作时自平衡索结构平卧张拉阶段,钢索预张力251KN;自平衡结构安装完毕后,钢索预张力250KN; 玻璃安装完毕后,自平衡结构钢索预张力前索为243KN,后索为248KN。上述每个阶段钢索的预张力施工允许误差10%。自平衡结构钢拉索预张力比较大,采用扭距搬手或简单的手工张拉均达不到设计要求。实际张拉中,采用液压油泵带液压千斤顶的张拉施工方案,用专制的张拉装置采用超张拉施工工艺一次性张拉到位。3.3幕墙标准跨间索桁架设计幕墙抗风柱间采用预应力双鱼腹水平不锈钢索桁架作为幕墙水平荷载的支承体系(如

8、图9),索桁架腹高1800mm,左右两侧撑杆腹高1364mm,每根撑杆前端设计有撑管,根部与撑杆铰板连接,前端与驳接爪通过螺纹连接,在贴近玻璃竖向玻璃缝处设计有22不锈钢拉杆,承受玻璃自重并调节撑管水平位置的不锈钢拉杆通过两端头螺纹与驳接爪根部通长带螺纹园孔相连接。索桁架中前索和后索直径采用119-14不锈钢拉索,材质SUS316,设计承受荷载189KN,设计预张拉力50KN,预张力施工允许误差在-15%到+20%间。与国内作法相同,撑杆前后端均采用通过螺栓由不锈钢压块压紧钢索,螺栓拧紧力由带六角螺杆的扭矩搬手来进行控制。自平衡索结构幕墙抗风柱与标准跨间水平索桁架典型节点构造。铰接撑杆与自平衡

9、索结构幕墙抗风柱采用双铰板连接,四角鱼形索夹具铰接撑杆前端为带圆孔单铰板穿过四角鱼形索夹具与前端撑杆通过销轴连接,驳接爪通过螺纹与前端撑杆连接。前端撑杆与铰接撑杆可以沿竖向转动。水平索桁架前索和后索采用14-119不锈钢绞线,9米一跨,端头均采用可调节锁头通过铰板与自平衡索结构幕墙抗风柱连接,驳接爪通过螺纹与前端撑杆连接。前端撑杆与撑杆采用铰接形式,可以沿水平方向转动。3.4幕墙伸缩缝结构设计航站楼陆空两侧长444米,主体结构上共设置了两道变形缝。为解决温差对钢结构及不锈钢拉索内力的影响, 幕墙支撑结构在变形缝处均进行了处理(如图11)。在变形缝左右两侧采用“T”形自平衡索结构幕墙抗风柱,抗风

10、柱平面内2-40鱼腹形钢索与整个变形缝间水平索桁架同步张拉,以消除其张拉时对抗风柱钢管变形的影响,其拉力由两个途径获得,一是自身预拉力,二是水平索桁架张拉时对其产生的拉力,同时在设计时还要考虑在水平索桁架承受最大风荷载时对其拉力及抗风柱钢管变形的影响。变形缝处“T”形自平衡索结构幕墙抗风柱顶部及底部与屋面钢结构及混凝土楼面连接方式与立面其它抗风柱连接方式相同,不同之处在于底部柱铰在平面内斜45度放置,平行于玻璃面鱼腹形拉索拱高3450mm。3.5幕墙拐角结构设计为避免边角部复杂的钢构架对建筑立面效果的影响,在航站楼玻璃幕墙四个拐角处采用了“十”字形自平衡索结构幕墙抗风柱,节点构造做法。考虑到自

11、平衡索结构幕墙抗风柱在立面幕墙上的协调性,和陆空两侧幕墙玻璃面垂直方向上钢索的布置与其它抗风柱相同,在平行方向上考虑水平索桁架的拉力,室内侧钢索拱高较大,相反方向较小,依靠钢索的预张力来调整内力的平衡。在驳接爪顶端同样设计有不锈钢拉杆,用来承担玻璃及驳接件等的重量,自平衡结构的撑杆与钢管均采用铰连接方式,避免在钢索张拉时其根部产生过大的弯矩,同时在钢索张拉时也方便撑杆位置的调整。3.6幕墙顶部结构设计在每9米跨幕墙抗风柱顶部,采用“T”形索结构自平衡钢构件(如图14)来承担竖向不锈钢拉杆的拉力,“T”形自平衡钢构件两端与幕墙抗风柱用双板铰接,一端圆孔,一端腰形孔,用来调整安装误差和消除温差对钢

12、构件的影响。撑杆与钢管采用铰接形式,钢索与撑杆间连接采用四角鱼形不锈钢夹具,平面内及下弦钢索均采用14不锈钢拉索,平面内鱼腹形拉索拱高900mm,下弦鱼腹形拉索拱高825mm,主管采用32412无缝钢管,端头柱头铰支座采用钢铸件,与幕墙抗风柱顶部钢铸铰支座通过销轴连接。平面内鱼腹形钢索预张力为5T,下弦钢索预张力为2.5T,主管起拱约17mm,玻璃安装结束后,消除主管的拱高,下弦钢索预张力达到4.3T。在“T”形自平衡钢构件上采用折线形撑杆通过腰形长孔与屋面钢结构连接(如图15),保证撑杆可以竖向自由滑承受玻璃自重的竖向22不锈钢拉杆与其连接在折点处,其拉力作用在撑杆上产生的水平向前推力由屋面

13、钢结构来承担。在折线形撑杆下因为玻璃分格的原因设置了斜撑杆,考虑其平面内稳定性在水平向设计采用了水平稳定拉杆,最终连接在边部幕墙抗风柱上。4.索结构的张拉施工工艺无论是自平衡幕墙抗风柱还是抗风柱间水平索桁架,其预张力均超过4T,采用简单的扭矩搬手人工张拉办法达不到该拉力值,为此在索结构张拉施工中,采用了液压千斤顶的张拉施工工艺。4.1自平衡抗风柱索结构的张拉工艺将幕墙抗风柱水平放置到枕木上,按照设计尺寸将抗风柱上撑杆及四角鱼形索夹具装配好,固定端钢索锚具连接于抗风柱底部铰板上,张拉端锚具螺杆采用螺栓连接在上铰板上。将张拉夹板采用5根螺栓固定在固定在张拉端锚具的锚固端，空心液压千斤顶底座用销轴固

14、定在抗风柱端头铰支板上，将前后张拉夹板用两根20螺纹钢筋螺栓连接，空心液压千斤顶套在圆钢棒上顶在前张拉夹板上。钢索预紧后才能进行张拉工具安装，到位后20螺纹钢筋用搬手拧紧。在千斤顶加压前，撑杆与垂直向沿张拉相反方向偏3度，在张拉完毕后撑杆随钢索的伸长将偏移的角度补偿到位。4.2水平索桁架张拉工艺考虑到没有采用脚手架施工，同时为保证索桁架的精确性，采用了地面拼装成型(如图17)，整体吊装后采用两跨同时张拉的方法进行。在组装时，将张拉端与固定端分开，固定端按照锁头锚具的机械尺寸配合到位(如图18)。考虑到拉索在张拉时将会产生弹性伸长，从固定端向张拉端向每根中间弦杆依次偏移2mm、4mm、6mm,待

15、张拉到位后将偏移量补偿到位。张拉端采用搬手进行预紧，预紧力控制在1.5-2.0T左右为宜，预紧到位后采用内六角扭矩搬手按照设计要求的扭矩值将水平索桁架内中间弦杆与不锈钢拉索间夹具拧紧。在安装时相邻标准跨间水平索桁架张拉端顶真布置，幕墙抗风柱隔跨一张拉(如图20)。在水平索桁架吊装结束后，先对其进行预紧，预紧力控制在2.0T左右为宜，张拉工具安装完毕后即进行第一次张拉，张拉到设计拉力的40%，此时卸下锁头与耳板间的连接销轴，进行第二次张拉，张拉到设计拉力的80%，调整锁头与 耳板孔的位置，进行第三次张拉，张拉到设计拉力的（拉力允许误差-15%-+20%，超张拉的目的在于消除不锈钢拉索与中间弦杆的摩擦力及张拉端在千斤顶卸载后对预张力的影响），将锁头与耳板用销轴连接好，紧固锁头后卸载液压千斤顶。4.3变形缝处拉索张拉工艺因航站楼两个侧面边部设置有“十”字形自平衡索结构幕墙抗风柱,在工厂内完成加工制作和钢索的张拉,无需考虑索桁架水平拉力的传递及同步张拉问题。对于陆空两侧因为变形缝的影响共分三个区间，尤其是变形缝处采用了“T”形自平衡索结构幕墙抗风柱，考虑到对抗风柱钢管变形的影响,平面内钢索不可能在工厂内完成张拉制作，所以必需考虑变形缝处标准跨水平索桁架与“T”形自平衡索结构幕墙抗风柱平面内钢索同步张拉的施工方法与工艺，才能保证整个区间索桁架张拉的顺利实施。每隔两榀水平索