機場3號航站樓金屬屋面設計

機場3號航站樓金屬屋面設計

首都t3大樓是北京的一座地標之一，在兩年多前被拆除。機場擴建指揮部負責人表示，機場的土木工程質量沒有問題。t3大樓屋頂按照百年一遇的標準設計建設，能承受28.3米的閃燃，即12級臺風。t3樓的建設標準遠遠超過了國家的設計標準。按照百年一遇的標準設計建設的巨大工程屋頂年復一年地竟被風3次掀頂,一幢如此先進的現(xiàn)代建筑,為何就抗不住在北京地區(qū)并不罕見的10級大風呢?不得不令人震驚和質疑!本文拋磚引玉探討“二年三遭百年遇”技術原因,期望首都機場T3航站樓屋面不要第四次被風掀開。1t3a金屬地板結構介紹1.1屋頂色彩組成三號航站樓T3A主樓金屬屋面表面顏色采用漸變式色彩組成,設計根據(jù)工程屋頂不同的位置由黃-橙-紅三種漸變色彩。坐在飛機上觀看航站樓漸變式的屋面顏色,像是一條飛騰的巨龍,給人一種賞心悅目的感覺。1.2鎖邊金屬屋頂系統(tǒng)首都機場新三號航站樓T3A主樓金屬屋面采用雙層的構造形式,頂部外層采用鋁合金框架開縫體系的鋁單板幕墻系統(tǒng),采用定距壓塊式的構造形式。鋁板接縫之間采用開縫體系鋁板幕墻專用的鋁合金蓋板封蓋,以遮蓋縫內的鋁合金壓塊和緊固件。內層屋面采用直立鎖邊系統(tǒng)復合屋面板,在滑動固定座與屋面板之間設計有滑動保護膜,以確保屋面板遭滑動時避免磨損。直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)為暗扣系統(tǒng),屬于無穿刺系統(tǒng),防水能力可靠。先在屋面結構主鋼梁上鋪設0.6mm厚的穿孔型鋼承板,鋼承板的波高為150mm,波谷內填充吸音海棉;鋼承板上再鋪設直立鎖邊系統(tǒng)復合屋面板,直立鎖邊復合屋面板的底板為0.6mm鍍鋅鋼板,鍍鋅鋼板上覆一層鋁箔防潮保護膜,在防潮保護膜的上面為150mm厚的防火保溫巖棉,防火保溫巖棉上再覆一層鋁箔防潮保護膜,在防潮保護膜上面為1.2mm的直立鎖邊型鋁合金面板。首都機場三號航站樓T3A主樓屋頂由鋼承底板、保溫層、氣密層、吸音層、防塵層和屋面板組成,鋼承底板采用直徑有2毫米孔徑、兩肋穿孔彩色鋼底板。金屬屋面投影面積達16萬平方米,金屬屋面板采用故宮琉璃瓦色,表面氟碳烤漆鋁、錳、鎂和金屬面板。屋面板型選用構造防水型、直立鎖邊貝母屋面板。金屬面板依靠板與板之間鎖扣扣在一起,形成牢固、防雨、可伸縮滑動的連接。保溫層采用150毫米厚的玻璃棉,氣密層采用鋁塑夾筋薄膜,吸音層采用100毫米的吸音玻璃棉,而防塵層則通過鋪設無紡布來防塵。有孔的鋼承底板與保溫層、氣密層、吸音層和防塵層構成屋頂保溫、吸音、防塵體統(tǒng),有效地保證整個屋面的吸音,增強降噪作用。2三名飛機公司的乘客被風吹得次數(shù)三次2.1都機場認識到事故原因2010年12月10日,北京地區(qū)遭遇大風天氣,首都機場風速最高達26米/s,最大風力為10級,該天氣造成首都機場3號航站樓屋面局部金屬板被強風掀開。首都機場擴建指揮部負責分析了事故發(fā)生的原因:目前我國建筑設計國家標準是50年一遇,能抗擊每秒26.8米的大風,也就是11級的風力,而T3航站樓棚頂是按照100年一遇的標準設計建設的,能抗擊每秒28.3米的大風,也就是12級的風力,T3航站樓的建設標準超過了國家的設計標準。那么為什么還會發(fā)生事故?負責人說,設計的抗風能力是實驗室得出的數(shù)據(jù),不能完全說明問題。另外,破損部位發(fā)生在航站樓樓頂?shù)幕⌒味?受到特殊地形的影響,那里的瞬間風力可能會超過建設標準。2.2機場屋頂被風吹開2011年11月22日T3航站樓D區(qū)屋頂局部被強風吹開,白黃色材料卷入風中,飄落在周邊跑道和走廊上。這是自去年12月10日被10級大風掀翻后的第二次。據(jù)北京首都機場新聞中心公布的信息所知,當天18點55分,首都機場風速最高達24米/秒,首都機場隨即啟動了大風黃色預警預案,20點15分,機場3號航站樓D區(qū)屋頂局部被強風吹開。針對北京首都機場三號航站樓部分屋頂被強風吹開,引發(fā)外界對機場施工質量的質疑,中方總設計師表示,機場建筑設計本身沒有問題,可能是供應商提供的建材質量不合格,或個別建材沒有安裝妥當。北京首都國際機場三號航站樓主樓由國際建筑設計大師諾曼·福斯特(NormanFoster)設計,美聯(lián)社發(fā)電郵至福斯特建筑事務所香港辦事處,要求對方就事件回應,但對方截至截稿前尚未答復。首都機場新聞中心職員則拒絕評論。2.3是大風天氣變色保障程序?2013年3月9日北京地區(qū)遭遇大風天氣,據(jù)首都機場官方微博消息,11點40分,首都機場風速高達30米/秒,風力達11級。首都機場立即啟動了大風天氣橙色保障程序。11點46分,3號航站樓國際區(qū)東北角屋頂局部被瞬間超過11級以上的強旋風掀開。3三個類似事件被金屬屋頂風破壞3.1屋頂與風壓問題2007年7月27日下午約8點30分一場突然大風造成武漢機場二期工程的主候機樓屋頂破壞,面板掀起約100平方米,屋頂內部上部PC板幾乎吹落或掀起,面積約3000平方米,侯機樓屋頂按GB50009-2006年版50年一遇基本風壓設計,原設計能抗12級大風,武漢機場航站氣象臺記錄的當時風速為29米/秒,相當11級大風。破壞時風壓超過設計風壓。面板破壞處T形件、主次檁條連接均良好,是由于立邊鎖扣拉脫而致,立邊鎖扣負風壓強度不夠。3.2蘇州車站園區(qū)金屬屋面破壞2012年8月8日13時許,因受到臺風“?？庇绊?蘇州市有8-10級大風。蘇州火車站園區(qū)站房金屬屋面15塊1.0mm厚鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面板遭到破壞,蘇州火車站園區(qū)金屬屋面按GB50009-2006年版設計應能抗12級大風,但在10級大風破損,主要是立邊鎖扣負風壓強度不夠所致。3.3負風壓引起大風體育中心金屬屋面中間位置最高處鋁宿板和固定槽鋼被風撕裂并吹落100米,三副三十平方米的大型采光窗被整體吹落,雨蓬吊頂吹壞。而且大部分破壞都是由于負風壓所引起的,屋面板給掀了,主體結構沒什么大礙。根據(jù)當初的設計要求,河南省體育中心應能抵抗10級大風。按照當天氣象局觀測點的大風最高時速達24.7米/秒,相當于9級風。以上列舉的是金屬屋面被大風掀開案例中極少的部分,我國每年因強風造成屋面受損的直接經(jīng)濟和間接經(jīng)濟損失達億元以上。金屬屋面抗風能力系統(tǒng)研究迫在眉睫。4北京首都機場t3航站金屬地板負風壓低是風災的重要原因4.1北京首都機場3號航站樓金屬屋面是一種典型的風壓塑合結構T3A航站樓長約960米,最寬處約780米,最高處45米,其屋面懸挑部0米。T3B航站樓長約960米,最寬處約780米,最高處44.5米。兩個屋蓋結構相距約1000米。T3A和T3B航站樓屋面均為復雜的雙曲面形狀,表面并附有采光三角天窗,體型十分獨特;而且屋面跨度又特別大,結構具有質量輕、柔性大、阻尼小等特點,均是典型的風敏感結構,風荷載控制結構設計的主要荷載之一。對挑檐結構主要危險是負風壓。當年設計時,福斯特和中國專家也意識到這一點,做了相應計算和抗風力試驗。文獻1《北京首都機場3號航站樓風荷載和響應研究》提供的等效靜力風荷載為-1.57kPa。見圖10。4.2北京首都機場3號航站樓金屬屋面按《建筑荷載規(guī)范gb50006-2006版》風荷載標準值的確定計算圍護結構按下式計算:高度z處的陣風系數(shù)β風荷載局部體型系數(shù)μ風壓高度45m(B)變化系數(shù)μ100年重現(xiàn)期基本風壓w50年重現(xiàn)期基本風壓w100年重現(xiàn)期風荷載標準值Wk=-1.615kPa,50年重現(xiàn)期風荷載標準值Wk=-1.454kPa,文獻1提供的等效靜力風荷載北京首都機場3號航站樓風荷載等效靜力風荷載為-1.57kPa,介于100年重現(xiàn)期和50年重現(xiàn)期《建筑荷載規(guī)范GB50009-2006版》風荷載標準值Wk之間,相當于10級風的風荷載標準值。4.3年重現(xiàn)期風荷載高度45m(B)處的陣風系數(shù)β則:100年重現(xiàn)期風荷載標準值Wk=-1.615×1.56kPa=-2.51kPa;50年重現(xiàn)期風荷載標準值Wk=-1.454×1.56kPa=-2.27kPa。12級風的最小風壓0.66kPa,12級風的最大風壓0.85kPa。則:(100年重現(xiàn)期12級風的最小風壓)/(50年重現(xiàn)期12級風的最小風壓))=66/38=1.736(100年重現(xiàn)期12級風的最小風壓)/((50年重現(xiàn)期12級風的最小風壓))=85/50=1.74.42金屬屋面結構防風固載建筑結構荷載規(guī)范/GB50009-2006屋面12級風壓標準值大約相當于建筑結構荷載規(guī)范/GB50009-2012年版的10級風壓標準值。地面粗糙度B屋面高度10m1.7/1屋面高度15m1.66/1屋面高度20m1.63/1兩者比值正好相等,這表明2012年以前金屬屋面工程按當時有效的建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2006版的12級風壓大約相當于建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012年版的10級風壓。金屬屋面結構在常遇9、10、11級風壓時,盡管設計負風壓偏低,一般不會導致整體結構破壞,因為整體結構重力荷載減低了負風壓作用,而金屬屋面表層薄板金屬自重很小,不能減低負風壓作用,往往被掀揭而破壞。北京機場T3航站樓金屬屋頂、武漢天河機場金屬屋頂、蘇州火車站園區(qū)金屬屋面以及河南體育館金屬屋面等工程整體結構未破壞,而屋面表層薄板被風破壞,這是重要技術原因。GB50009-2012年版建筑結構荷載規(guī)范考慮到近幾年來輕型屋面圍護結構(含薄板金屬屋面)發(fā)生風災破壞的事件較多的重要原因而作出的修訂。金屬屋面按《建筑荷載規(guī)范GB50009-2006版》設計的負風壓偏低是風損的重要原因。5垂直鎖銷的金屬屋頂抗風蝕試驗和分析5.1金屬屋面產生破壞的幾個方面在一個鋁鎂錳屋面系統(tǒng)中影響面板抗風性能的主要有山墻,屋脊和T型支座,從以上一些破壞案例可看出一個屋面系統(tǒng)抗風性能的降低首先是從屋脊節(jié)點和山墻節(jié)點等局部位置開始,再向整個合金屋面系統(tǒng)蔓延,最終損害整個鋁鎂錳屋面系統(tǒng)。金屬屋面產生破壞的幾個方面:5.1.1金屬屋面條強度不夠抵抗強風力的作用導致屋面破壞;5.1.2金屬屋面系統(tǒng)的T碼及T碼及檁條的連接強度不夠,受強風破壞;5.1.3支座處鎖縫分離,板與板非支座處分離,滑動支座破壞,緊固件拔出。增強金屬屋面本身抗強風強度主要通過改善上述3方面的受力性能進行,其中5.1.3是主要的,與某型直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)試驗結果相吻合。5.2直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)受力直立鎖縫金屬屋面承載面積同板寬和支座間距成正比。圖13為直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)受力簡圖。直立鎖縫金屬屋面各組分傳力途徑為:風載-屋面板-屋面鎖縫-屋面支座-屋面緊固件-檁條。5.3基于系統(tǒng)最優(yōu)設計金屬屋面系統(tǒng)極限抗風拔力的能力可以根據(jù)金屬屋面系統(tǒng)各組成部分平衡搭配可以取得有效的抗風拔力系統(tǒng),從其失效模式為:緊固件拔脫;滑動支座破壞;支座處鎖縫分離和板與板鎖縫分離。分析出系統(tǒng)最優(yōu)方案:式中:F1為支座處鎖縫極限承載能力/kN;F2為非支座處鎖縫極限承載能力/kN;F3為支座極限承載能力/kN;F4為緊固件連接極限承載能力/kN;F為系統(tǒng)中最薄弱組件能力/kN;Croof為該系統(tǒng)極限承載能力/kN/mS為支座間距;W為屋面板寬度。5.4金屬板屋頂研究方法金屬屋面系統(tǒng)通過扣合或咬邊連接金屬屋面工程越來越多,由于設計規(guī)范相對滯后,以及應用單位與設計人員的認識程度不夠等原因,對金屬板屋面研究大多集中在保溫、隔聲、防水等領域,對力學性能的研究也多集中于外露式的搭接方法。而對金屬屋面上層屋面板板肋與T碼之間的咬合破壞研究甚少,咬邊連接是過板與板、板與T碼之間的相互咬合進行連接,其抗剪和抗彎承載力是通過相互之間的摩擦力來傳遞,傳力機制明顯不同于緊固件連接的傳力機制,其在風吸力作用下的傳力機制,目前還沒有成熟的理論可尋,本文僅此探討分析。5.5截面參數(shù)的確定5.5.1金屬屋面系統(tǒng)的薄弱區(qū)在屋面板與T碼的咬合處,在負風壓作用下,風會對屋面板產生向上的風吸力作用(圖14)。由于風吸力反復不斷的對屋面板向上作用,導致上層屋面板板肋與T碼之間的咬合破壞,破壞時面板與T碼脫開上拱,然后帶動其它位置的屋面板一起拱起,致使屋面板最終被撕裂而破壞(圖15)。5.5.2金屬屋面板的強度及及屋面板與T碼咬合部位強度計算。金屬屋面板的強度及及屋面板與T碼咬合部位強度受材料性質及連接構造等許多因素影響,目前尚無精確的計算理論,需根據(jù)試驗確定連接強度。壓型鋁板屬于板狀受力構件,其破壞狀態(tài)受多種因素影響,除強度、剛度外,其穩(wěn)定性和連接可靠性也極為關鍵,因此其截面參數(shù)根本無法用純理論計算獲得。正規(guī)生產廠家都會投入大量財力物力,對其生產板型的各種規(guī)格進行無數(shù)次不同跨度的受荷試驗,再將試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,從而得出符合實際受力模式的截面參數(shù)作為設計計算依據(jù),并且所有試驗及數(shù)據(jù)均呈權威機構認證批準。必要時可參考下列計算。結構計算模型:考慮屋面板承受豎向荷載、水平荷載,強度和撓度按受彎構件計算;并考慮溫度和地震效應的影響。強度和撓度按彈性五跨連續(xù)梁模型計算內力,按薄壁構件驗算截面。設計所采用計算方法及公式:5.5.2.1荷載組合a.當活荷載≥雪荷載時:恒荷載+活荷載b.當活荷載<雪荷載時:恒荷載+活荷載c.考慮風荷載最不利組合:恒荷載+風荷載d.考慮檢修荷載組合:恒荷載+檢修荷載5.5.2.2內力分析活荷載作用下考慮活荷載的最不利布置,在雪荷載作用下考慮滿跨布置,并考慮積雪效應,檢修荷考慮作用在跨中,并沿板縱向(板鋪方向)換算成一個波峰寬方向的線荷載后,再按集中荷載計算。金屬屋面板的強度可取一個波距的有效截面,以檁條或T形支托為梁的支座,按受彎構件進行計算。式中:M—截面所承受的最大彎矩,可按圖5.5.2的面板計算模型求得;Mu—截面的受彎承載力設計值;We—有效截面模量,按現(xiàn)行國家標準《鋁合金結構設計規(guī)范》GB50429的規(guī)定計算。5.5.3金屬屋面板通過T型支座連接在檁條上,由T型支座支撐,屋面板的受力為多跨連續(xù)梁的形式(圖18)。5.5.4屋面板T形支托的強度應按下式計算:式中:σ——正應力(N/mmf——支托材料的抗拉和抗壓強度設計值(N/mmR——支座反力(N)Aen——有效凈截面面積(mmt1——支托腹板最小厚度(mm);LS——支托長度(mm)。5.5.5屋面板與T碼咬合部位最大抗力值R抗力與強度。目前尚無精確的計算理論,需根據(jù)試驗確定連接強度。必要時可參考下列計算。L為屋面板的跨度,B為板的寬度,Ra為允許值,由廠家提供或試驗確定。6試件安裝及試驗方案以某國際機場航站樓屋面板抗風承載能力試驗研究為例。6.1某機場航站樓建在渤海灣邊,四周地面空曠,常年易刮北風、西北風,且風力較大。航站樓屋面面積很大,達40000m6.2試驗根據(jù)機場航站樓挑檐部分屋面的有關參數(shù)制作試件,試件長為6330mm,寬為3100mm,縱向設置檁條,檁條間距為750mm,共設置三根檁條,檁條的截面為[]雙卷邊槽形口對口C180×70×20×2.0,上鋪65/333型(0.6inln厚)鍍鋁鋅面板,面板周邊與[10進行密封焊接,密封用的底板厚度為4mm,底板上設置兩道加勁肋,間距為1000mm,試驗所用鍍鋁鋅面板以及T碼等安裝配件均從現(xiàn)場運至上海,由現(xiàn)場施工人員在試件上安裝。試件一為屋面T碼上全部施加瑣夾,試件二為瑣夾在有T碼的位置交錯布置,試件三為T碼位置不設瑣夾。試件二和試件三,分別是在試件一的基礎上去掉部分和全部瑣夾后依次進行試驗。6.3在試驗初期,3個試驗皆表現(xiàn)為板肋間的面板呈現(xiàn)鼓起變形,隨著壓力的逐漸增大,板肋間的面板鼓起變形逐漸增大,板肋和鎖夾并未隨面板的鼓起而傾斜,變形不明顯。當升壓到最大值時,在穩(wěn)壓5min的過程中,觀察到壓型板咬合部位和板面的變形正常,受力完好,并未發(fā)生破壞,3個試驗所加壓力的最大值分別為7.8kN/m在試驗三中,鍍鋁鋅面板當加壓到7.9kN/m上述的破壞試驗表明,屋面系統(tǒng)的薄弱區(qū)在屋面板與T碼的咬合處,破壞時面板與T碼脫開上拱,然后帶動其它位置的屋面板一起拱起,致使屋面板最終被撕裂而破壞。6.4細胞密度設計方案6.4.13個試件的試驗研究表明屋面系統(tǒng)的薄弱區(qū)在屋面板與T碼的咬合處,破壞時面板與T碼脫開上拱,然后帶動其它位置的屋面板一起拱起,致使屋面板最終被撕裂而破壞。6.4.265/333型(0.6mm厚)鍍鋁鋅面板上施加瑣夾可以提高試件的抗風承載力,并且隨著瑣夾布置密度的增大而增大。6.4.3加固所選用的65/333型(0.6mm厚)鍍鋁鋅面板可以滿足該航站樓屋面抗風設計要求。考慮該航站樓挑檐部分其它各種不利因素的影響,采取在屋面板T碼處交錯布置瑣夾的加固措施以增大其屋面的抗風承載力。7n/m7.2加固方案以溫州火車站金屬屋面加固設計為例。7.1屋面系統(tǒng)角部設計風壓偏低,易發(fā)生屋面被掀翻的可能,需要加固。經(jīng)計算復核溫州南站的金屬屋面在角部部位的100年一遇的風荷載值為4.865KN/m7.2整改方案7.2.1屋脊是本次檢查中發(fā)現(xiàn)的問題最大的部位,其不能抵抗較大的負風壓,為了防止臺風造成的破壞,先設計了一套切實可行的加固方案,本次方案考慮將屋脊與屋面連接,同時連接好高端堵頭并將屋面板卷邊。檐口區(qū)加固:由于檐口有很多不利工況,故將所有的檐口增加3排鋁合金抗風夾,夾具與T型支座連接。伸縮縫加固:頂部新設計了鋁合金與三元乙丙密封膠條組合的伸縮縫加固方案同時保證屋面的效果又新增加一條鋁鎂錳板的伸縮縫系統(tǒng),保證使用功能,雙保險方案,吊頂部位增加了鋁合金與三元乙丙密封膠條組合的伸縮縫加固方案保證安全的前提又能滿足觀感。8屋頂風壓和高度8.1屋面結構的設計一般僅考慮自重、雪載、施工荷載,而風的作用常被忽略。認為風荷載的影響不大或風引起的吸力對屋面結構有利。實地調查結果表明,在風作用下整體被破壞的例子并不多見,但其局部表面飾物脫落或屋面局部被掀開以致整個屋面遭受風荷載破壞的例子卻時有發(fā)生。提高金屬屋面抗風力要從技術、設計、材料、施工、管理、維護多方面著手,本文僅從技術面提供參考建議。8.2新建金屬屋面工程嚴格按《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2012設計,既有金屬屋面工程宜按《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2012復核設計。建議宜選用100年一遇基本風壓。8.3風荷載設計宜分別按結構,上、下表面的最不利風荷載進行設計。結構的風壓計算應考慮上下表面風壓值疊加。對于開敞式屋面結構,上下表面都受到風的作用,而設計支承結構時需要的是屋蓋上、下表面的風壓差,即凈風壓。一般來說凈風壓不完全等于屋面上表面或下表面所受風壓,所以只考慮凈風壓的設計,結構可能安全,而屋面的上表面、下表面可能不安全。建議屋面風荷載設計宜分別按屋面結構,上、下表面的最不利風荷載進行設計。8.4金屬屋面宜進行下列試驗:1、抗風壓試驗;2、結構性能試驗;3、屋面板承受集中荷載試驗;4、氣密性試驗;5、水密性試驗;6、熱循環(huán)測試;7、隔聲試驗;8、保溫性能試驗;9、吸聲試驗;10抗風揭試驗。8.5我國現(xiàn)行的相關規(guī)范對風荷載只有設計要求,沒有相關的標準測試方法對此進行驗證。建議金屬屋面按照GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》設計后,宜采用抗風揭實驗室試驗結果進行驗證。檢驗屋面系統(tǒng)的設計、屋面系統(tǒng)所用的各種材料(包括表面材料、基層材料、保溫材料、固定件)以及整個屋面系統(tǒng)的可靠性和可行性。8.6機械咬口屋面板承載力高于手工咬口,咬合時需用專用電動工具將整條邊全部咬合,咬邊施工不到位,導致咬