机场工程结构设计(工业和信息化部十四五规划教材)

第1章 绪论 航空运输作为高效率运输方式，在国内外得到了大力发展，成为拉近地区间距离、增进国际文化交流以及经济持续快速发展不可或缺的重要组成部分。相比其他运输方式，其安全性、舒适性及运输效率也得到了很大提高。在各种运输方式当中，航空运输的地位逐步提高，并成为不可或缺的运输方式之一。机场是空中交通与地面交通相互转换的设施，主要用于飞机的起降、停放与活动，其中包含相关的建筑物及设施，以确保飞机的稳定运行，保证货物、旅客的顺利转接，保证空中与地面的交通秩序。 1.1 机场的起源与发展 1910年，在德国出现了世界上真正意义上的机场，该机场用帐篷作为如今的机库停放飞机，同时飞机的起飞与降落完全借助人为挥动信号旗来实现。由于缺少夜间照明设施，飞机无法在夜间安全起降。 20世纪20～40年代，欧美国家航线大量开通，因此混凝土跑道、候机大厅等设施应运而生，这也是现代机场的前身，当时的机场建设仅仅针对飞机的工作。第二次世界大战时期，飞机的重要性日益凸显，到战争结束时，世界范围内飞机的运输与机场设施均得到了进一步发展。 随着国际之间交往逐渐频繁，航空技术与飞行技术也快速发展，这使得民用航空与航空运输的规模日趋庞大，对机场规模的要求越来越高，因此大型机场开始出现。 空中运输大众化始于20世纪50年代末期，航空运输成为地方经济发展的重要组成部分，对机场设施与建设的要求也越来越高。先进的机场设施可以满足航空运输发展需求，同时也使得周边的商业、旅游业等得到发展，并带动所在地区的经济发展。但随着飞机制造能力的提升，机场功能与规模的发展，以及飞机噪声的增加，机场改建和扩建对居民区的干扰问题也逐渐凸显出来，机场建设要考虑长期的城市协调发展等多种要素。 1.2 机场工程结构类型 机场的建设既要满足飞机的起降需求，也要具有飞行与地面转接等功能。机场的主要设施包含航站楼、塔台、机库以及其他配套设施等。机场建筑对大空间的要求较高，同时对通风采光的需求较大，因此根据机场规模的不同，多采用大跨空间结构，通过钢结构或钢筋混凝土框架与钢结构的组合等形式实现。 机场的主要结构形式多为混凝土以及平板网架组合结构，混凝土结构的主要特点是取材方便，具有更好的整体性、耐久性及抗火性等，一些小型民用机场采用了此种结构，是普及较早的结构形式。沈阳桃仙国际机场老航站楼(图1-1)以混凝土框架结构的形式建设，柱网较小，而且没有采光天窗；深圳宝安国际机场老航站楼尽管采用三角形平板网架来搭建值机大厅以改善大厅空间，但仍然没有设置采光天窗，因此于2003年进行了改建，增加了漫射光天窗；郑州新郑国际机场老航站楼在设计时采用了斜交柱网，但斜交柱网的使用导致结构设施影响行人流动，因此在改造时取消了此种结构形式；北京首都国际机场老航站楼(图1-2)的屋顶为空间曲线形焊接预应力薄壁钢管结构，指廊采用板柱、剪力墙结构，将曲线形钢结构用在屋顶建设上。高耸结构也可以采用混凝土框架剪力墙的形式，如机场塔台的建设，西安咸阳国际机场在新塔台结构设计时*终采用型钢混凝土结构，使其自重减轻、结构抗弯和抗拉能力得到改善。 图1-1 沈阳桃仙国际机场老航站楼 图1-2 北京首都国际机场老航站楼 巴黎戴高乐机场将混凝土做成曲线状的壳体单元，由外侧曲线状的钢结构受拉构件进行加强，使得混凝土结构在形式应用上得到了创新，但这种创新并不成功，2004年发生倒塌事故，造成人员伤亡(图1-3)。 图1-3 巴黎戴高乐机场事故现场 混凝土结构自身重量大、抗裂性差限制了大型机场的设计与建造，而钢结构具有强度高、塑性韧性好、材质均匀、方便计算、计算结果可靠等特点，因此大型机场工程多以钢筋混凝土作为竖向支撑或基座部分，上方采用空间桁架、网壳结构以*大限度地扩大机场建筑的空间，提高人与设备的流动性。上海浦东国际机场一期工程将钢筋混凝土结构用于基座和地上二层部分，并且布置了剪力墙，用来保证基座部分的刚度，钢结构则用在二层以上部分；广州白云国际机场航站楼分为主楼、东西两幢连续楼，由四条高架连廊连接。北京大兴国际机场航站楼、北京首都国际机场航站楼、上海浦东国际机场T1航站楼、成都双流国际机场航站楼等均以钢结构为主(图1-4)。塔台结构体系则大多采用钢筋混凝土筒体结构，为高耸结构(图1-5)。 (a)北京大兴国际机场(b)北京首都国际机场 图1-4以钢结构为主建设的机场航站楼 (a)西安咸阳国际机场(b)广州白云国际机场 图1-5 机场塔台 同样地，钢结构也满足机库的建设需求，北京首都国际机场机库采用箱型空间桁架两跨连续刚架(图1-6)，屋盖选用了三层网架方案以满足变形要求、减少内力等；澳门国际机场则采用预应力钢拱结构建设机库屋盖。该技术起源于澳大利亚，并已推广到美国、加拿大、英国、日本等。 图1-6 北京首都国际机场机库 1.3 机场工程结构设计原则 1.3.1 作用效应组合 为了保证机场在施工和使用时满足安全性要求与功能性要求，同时保证荷载产生的内力导致结构发生的变形在规定限值内，需要在结构设计时进行结构计算。 基本荷载组合为恒载+活载+风荷载，其中风荷载根据工程所处地域情况分为常风荷载和台风荷载。风荷载由风荷载试验确定。 结构或结构构件的破坏或过度变形的承载能力极限状态设计，以荷载效应小于抗力来控制，采用式(1-1)进行设计： (1-1) 式中，为结构重要性系数；为荷载组合的效应设计值；为结构抗力的设计值。 非抗震设计组合依据《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)及《工程结构通用规范》(GB 55001—2021)，抗震设计组合依据《建筑抗震设计规范(附条文说明)(2016年版)》(GB 50011—2010)。 (1)非抗震设计组合。 非抗震设计根据结构设计要求进行基本组合和偶然组合。 基本组合： (1-2) 式中，为第i个永久作用的标准值；为预应力作用的有关代表值；为第1个可变作用的标准值；为第j个可变作用的标准值；为永久作用的分项系数，按表1-1采用；为预应力作用的分项系数，按表1-1采用；、为可变作用的分项系数，按表1-1采用；、为考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，按表1-2采用；为可变作用的组合值系数，按表1-3采用。 表1-1 建筑结构的作用分项系数 表1-2 考虑结构设计使用年限的荷载调整系数 表1-3 组合值系数 偶然组合： (1-3) 式中，为第i个偶然作用的设计值；为第1个可变作用的频遇值系数，按有关标准的规定采用；、为第1个和第j个可变作用的准永久值系数，按有关标准的规定采用。 (2)抗震设计组合。 对内力组合设计值的计算： (1-4) 式中，为重力荷载分项系数；为重力荷载代表值的效应；、分别为水平、竖向地震作用分项系数，应按表1-4采用；为水平地震作用标准值的效应；为竖向地震作用标准值的效应；为风荷载组合值系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用的建筑应采用0.2；为风荷载分项系数，应采用1.4；为风荷载标准值的效应。 表1-4 地震作用分项系数 对于钢结构，应进行变形控制，其设计式为 (1-5) 式中，为钢结构构件的变形值；为起控制作用的**个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；为结构中由第i个其他可变荷载标准值产生的变形值；为容许变形值。 按表1-2取用结构活荷载的设计使用年限调整系数。一般情况下，机场建筑的设计使用年限为50～100年，因此调整系数取1.0或1.1。 1.3.2结构可靠性设计原则 结构的可靠度主要取决于两方面：一是结构上的作用；二是结构自身的内力。影响结构自身内力的主要因素是材料性能、构件尺寸参数以及计算精度等。可以用结构功能函数描述结构的工作性能，在进行结构设计时有n个随机变量影响结构可靠性，即 ，用结构功能函数表达这n个随机变量： (1-6) 简化为只有结构构件的荷载效应S和抗力R来表达结构的功能函数： (1-7) 通过不同取值，可以描述结构的工作状态： (1)当时，结构处于可靠状态； (2)当时，结构处于极限状态； (3)当时，结构处于失效状态。 按照《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)内容所述，由结构构件的失效模式以及构件安全等级(表1-5)等因素来确定可靠度。针对结构不同的耐久性、安全性和适用性来确定可靠度水平。 表1-5 建筑结构的安全等级 对于结构构件的可靠度分析，可结合充分的统计数据、使用经验与经济等因素来确定。 各类结构构件的安全等级对应的可靠指标取值宜每级相差0.5，见表1-6。 表1-6 结构构件的可靠指标 从表1-6中可以看出，当结构构件发生延性破坏时，可靠指标值低于脆性破坏时的值。 正常使用情况下，结构在极限状态的可靠指标一般取0～1.5，可逆程度越高，取值越低。结构在移去荷载作用后却永久保持超越状态即为不可逆极限状态，反之为可逆极限状态。