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北京首都国际机场专机与公务楼玻璃幕墙工程栓接T型钢梁结构设计与试验

来源:2014年会论文集  作者:刘长龙  日期:2014-1-7
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  摘要:本文介绍了北京首都国际机场专机与公务机楼玻璃幕墙工程栓接T型钢梁的结构设计,分析了栓接T型钢梁结构受力特点,采用了非线性有限元计算方法,并通过结构实验进行了验证。
  关键词:幕墙结构、栓接T型钢梁、结构实验。

  1.工程概况

  北京首都国际机场专机与公务机楼工程位于北京首都国际机场内(如图1),总用地面积为178222平方米,新建专机与公务机楼面积为6352平方米,地上两层,局部夹层(词条“夹层”由行业大百科提供)主体结构形式采用钢结构。整个专机与公务楼分二期进行,其中一期工程包括专机与公务机楼、交运行李服务楼和停车场服务楼三座建筑及室外道路、广场、绿化、停车场及室外管线等,二期为公务机停机坪远期发展用地、附属设施用地及部分景观绿化用地。该工程2006年12月建成,2007年6月正式投入使用。

 图1专机与公务机楼立面效果

  北京首都国际机场专机与公务机楼玻璃幕墙工程幕墙面积约为28000平方米,主要由石材幕墙铝合金玻璃幕墙、玻璃采光顶等组成。其中合金(词条“合金”由行业大百科提供)玻璃幕墙部分支撑结构采用了栓接T型钢梁结构(如图2)。

  图2栓接T型钢梁节点构造示意图

  2.结构说明

  专机与公务机楼玻璃幕墙工程采用T型钢梁作为主要承力体系。施工图深化设计初始采用焊接T型梁,并要求在加工完成后将焊缝刨平,以保持外观简洁,美观。这种做法,对焊缝的要求很高,必须全熔透,否则会因为焊缝高度降低而对结构的受力产生不利影响。所以这种设计必然导致工艺复杂,施工周期长。为了保证进度,同时又不影响外观。将焊接T型梁改为栓接T型梁。T型梁翼缘和腹板采用大六角头8.8级M8高强螺栓(词条“高强螺栓”由行业大百科提供)连接,间距300mm,加劲板兼平面(词条“平面”由行业大百科提供)外栓接T型横梁连接板每1200mm一块(具体布置参见图3)。这样变更后,T型钢梁加工速度快,外观更简洁。但其受力性能需要经过试验和理论分析验证。

 

  图3栓接T型钢结构布置图

  3.材料性质

  栓接T型梁的主体结构采用Q235(词条“Q235”由行业大百科提供)钢,其材料的本构关系曲线见图4(a)。螺栓采用8.8级M8高强螺栓,有效截面直径6.827mm。有效截面面积S=36.587mm2。该类螺栓的抗拉,抗剪强度检测值分别为:Ft=32.67KN;Fv=25.83KN。所以根据《钢结构设计规范(GB50017-2003)》,其屈服强度为:fu=32.67/36.587×1000=892.94Mpa;抗拉强度设计值ft=fu/2=446Mpa;抗剪强度(词条“强度”由行业大百科提供)设计值fv=Fv/s/2.5=282Mpa。该螺栓经测试满足规范规定的抗拉强度(词条“抗拉强度”由行业大百科提供)设计值ftb=400n/mm2;抗剪强度设计值fvb=250N/mm2的要求。螺栓由于是高强钢,其本构关系采用双折线模型,见图2(b),曲线强化段Es=0.03E。结构计算采用美国CSI公司的结构设计(词条“结构设计”由行业大百科提供)软件Sap2000进行结构的初步分析。采用美国ANSYS公司著名的通用有限元分析软件ANSYS进行详细的三维结构有限元分析。

  图4钢材应力(词条“应力”由行业大百科提供)应变关系曲线

  4.结构分析荷载

  4.1标准荷载

  北京地区基本风压:0.45KN/m2;抗震设防烈度:8度(0.20g);地面粗超度:B类;风荷载体型系数:1.2;玻璃横向网格为1.548米, 设计标高10.6米。T型钢为连续梁,总长10.04米,一层跨度5.17米,二层跨度4.89米。

  幕墙构件自重标准值:Gks=0.8 KN/m2

  4.2荷载计算

  单根T型钢重力方向荷载:Gkt=1.2×1.548×10.04×0.8=14.92KN.

  4.2.1风荷载计算

  标高为10.600m处风荷载计算:

  Wk=βgz×μz×μs×W0 (GB50009-2001)

  式中:Wk---作用在幕墙上的风荷载标准值(kN/m2),方向垂直于板面;

  βgz---10.600m高处阵风系数(按B类区计算);

  μf=0.5×(10.600/10)-0.16=0.495;

  βgz=0.89×(1+2×0.495)=1.772;

  μz---10.600m高处风压高度变化系数(按B类区计算),μz=(10.600/10)0.32=1.020;

  μs---风荷载体型系数,取1.200

  Wk=βgz×μz×μs×W0

  =1.772×1.020×1.200×0.450

  =0.976 kN/m2

  计算值小于1.0kN/m2,取Wk=1.0kN/m2 (JGJ 102-2003 5.3.2)

  4.2.2水平地震作用计算

  qEK=βE×αmax×Gks (JGJ102--2003 5.3.4)

  式中:qEK---水平地震作用标准值(kN/m2),方向垂直于上翼缘表面;

  qEK=βE×αmax×Gks

  =5.0×0.16×0.8

  =0.640 kN/m2

  4.2.3水平向荷载组合

  qK:荷载组合标准值(kN/m2);

  q:荷载组合设计值(kN/m2);

  风载:组合系数1.00,分项系数1.40;

  地震荷载:组合系数0.50,分项系数1.30;

  qK=1.00×1.000+0.50×0.64=1.32 kN/m2

  q=1.00×1.40×1.000+0.50X1.30×0.64=1.815 kN/m2

  4.3工况组合

  刚度工况:

  工况1 1.0恒载+1.0风载+0.5地震荷载

  强度工况:

  工况2 1.0恒载+1.4正向风载+0.5×1.3地震荷载

建设单位: 北京首都国际机场扩建指挥部 工程地点: 北京首都国际机场内 设计单位: 中国航空工业规划设计研究院 建筑高度:33m 幕墙面积:46800m2 幕墙类型:铝合金玻璃幕墙、铝板

  工况3 1.0恒载+1.4负向风载+0.5×1.3地震荷载

  5.结构初步分析及试验设计

  5.1结构初步分析

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