膜结构在机场航站楼的应用,多为雨棚、采光带、室内吊顶等局部位置.而航站楼的主体结构采用膜结构形式的,在国外仅有美国丹佛机场,在国内还没有先例.大型民用公共建筑采用膜结构,不仅需要在结构方面解决大跨度的问题,而且在建筑方面还需要解决保温隔热和防火问题.岳阳机场航站楼采用整体张拉式膜结构,不仅营造出“点点白帆归洞庭”的地域场景,使整体造型体现浓郁现代气息的同时又延续了传统地域文化,而且充分发挥了索和膜抗拉强度高、钢结构刚度好的优点,是大跨度空间结构在航站楼应用的又一种选择形式.

岳阳机场为一新建机场,工程飞行区按4C标准设计,新建一条长2600m的跑道;航站区按满足2020年旅客吞吐量60万人次、货邮吞吐量1800t的目标设计.航站楼采用整体张拉式膜结构,如图1所示.建筑轮廓尺寸约为100m×90m(二期规划扩大1倍,达200m×90m),陆侧柱顶高21m,空侧高28m,平面和立面如图2、图3所示.

结构整体由5组船帆造型的脊谷式膜单元构成(图4).每组单元长90m,宽20m,两端高点由梭型柱支撑,通过拉向地面的背索保持平衡.梭型柱顶间的膜单元脊索长约86m,脊索上方又设置了一道上悬索,并由吊索与脊索相互连接.膜单元之间为鱼腹形钢结构桁架,长55m,中央宽6m,两端收于V形柱顶.脊索与桁架上弦之间设置了托索,以控制外膜膜面变形.脊索下方设置吊索,悬挂复合保温内膜,构成双层膜结构.鱼腹形桁架上弦铺设双银中空钢化玻璃,局部设置了可开启排烟天窗.四周围护结构为点支玻璃幕墙,它们与双层膜结构共同形成了航站楼的室内空间.建筑物内部为钢筋混凝土框架结构,陆侧一层、空侧局部两层,与膜结构体系相互不连接.陆侧V形柱向外倾斜,与落地的弧形桁架拱以及单层外膜共同构成了室外空间.钢结构、索结构、膜结构,相互交映、浑然一体.

外膜展开面积11300m2,为G7等级的PTFE膜材.内膜展开面积4600m2,为复合保温膜(PTFE内膜+气凝胶+PTFE内膜).钢结构材质为Q355B,铸钢节点为G20Mn5QT.索采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层的高矾索.

建筑结构的安全等级为二级,结构重要性系数为1.0.结构的设计使用年限为50年.抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,特征周期为0.35s,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅰ1类.温度作用为-24℃～24℃,合拢温度为12℃～22℃.

恒荷载取值,钢结构和索结构自重,由程序自动计算;膜结构和附件自重为0.1kN/m2;玻璃屋面和墙面自重为1.5kN/m2.活荷载取值0.5kN/m2.

本项目50年一遇基本雪压为0.55kN/m2,2008年冰灾后,湖南省建设厅将其提高为0.7kN/m2.积雪分布系数参照荷载规范中的双跨双坡屋面,均匀分布时取1.0,不均匀分布情况1时中央平均分布取值1.4,不均匀分布情况2时中央三角形分布,峰值取值2.0.

基本风压为0.4kN/m2,地面粗糙度为B类,风振系数取1.5.体型系数在风洞实验前,参照荷载规范和以往经验,迎风面为0.8,侧风面为-0.7,背风面为-0.5,顶面风吸为-1.3,风压为0.5.后期依据风洞实验结果,进行了补充计算和校核.

经过多次找形、试算,最终确定了合理的初始形状和预应力分布.膜的预张力为2kN/m,索的初始预拉力如表1所示.

风洞实验在湖南科技大学进行.该风洞为开口直流吸入式矩形截面风洞,整个回流系统水平布置,实验段的尺寸为4m宽、3m高、21m长,实验风速范围为0m/s～30m/s连续可调,转盘直径为3.0m,如图5所示.模型的几何缩尺比为1/100,试验阻塞率控制在5%以内,总共布置506个测点.定义来流风风向沿着航站楼空侧吹向陆侧轴线为0°,风向角按顺时针方向增加,共24个风向,间隔为15°.风洞实验结果显示,体型系数小于荷载规范和经验取值,图6列举了在180°风向角时的屋面体型系数.

采用3D3S软件,将钢、索、膜组装在一起进行非线性分析.在上述各种荷载和作用的组合下,单元轴力最大值如图7所示,据此所得索截面的规格如表1所示,安全系数均在2.0以上,满足规程[2]的要求.其中平衡索的内力并不很大,但考虑到发生意外时作为抗连续倒塌的安全储备,平衡索截面选取了与上悬索同样的规格.

梭型桁架柱的主弦杆为了塑造船帆桅杆的视觉冲击力,采用变截面变壁厚杆件,空侧为850×36～Bad mglyph: aa.jpg1400×24,$850\times 36～\mathrm{<mglyph\; src="aa.jpg"\; height="100\%"\; width="100\%"></mglyph>}1400\times 24,$陆侧为700×36～1200×24.次弦杆为245×10,腹杆为140×6.如图8所示,空侧梭型柱扣除顶部装饰部分,实际长度24.9m,最不利荷载组合下柱顶水平位移78mm(78/24900=1/319<1/250),满足规程[3]的要求.鱼腹形桁架梁的上弦杆为426×12,下弦杆为650×20,腹杆为180×8和218×8.如图9所示,桁架梁跨度55.6m,跨中挠度93mm(93/55600=1/597<1/250),符合规程[1]的规定.钢结构总重686t,按投影面积计不到80kg/m2.

外膜为G7等级膜材,极限抗拉强度7000N/5cm,厚度1mm,抗拉强度标准值fk = 140MPa.如图10所示,膜材在第一类荷载效应组合下的最大应力σmax=25.7MPa,γR=5,则σmax<fk/γR=140MPa/5=28MPa;如图11所示,膜材在第二类荷载效应组合下的最大应力σmax=31.2MPa,γR=2.5,则σmax<fk/γR=140MPa/2.5=56MPa.膜材强度符合规程[3]的规定.

梭形柱顶是连接脊索、背索、上悬索和平衡索的重要节点.这个位置汇交的杆件数量多、内力大,为避免节点区焊缝密集、应力过分集中和焊接残余应力大、制作加工困难等问题,采用了铸钢节点,材料牌号为G20Mn5QT.同时进行了有限元分析,弹性计算结果如图12所示,最大von Mises应力为297MPa,仅在耳板根部应力集中处出现,节点其余绝大部分处于弹性状态.由于部分应力集中处进入塑性,故进行弹塑性有限元分析,得到荷载-位移曲线如图13所示,极限承载力大于荷载设计值的3倍,表明此铸钢节点强度满足规程[4]的要求.

单层膜材的热阻值比较低,应用于封闭建筑时,一般不能满足保温隔热的要求.通常采用双层膜结构,即一层外膜和一层内膜,中间为厚度20cm以上的空气层.但热工计算表明普通双层膜结构的传热系数,不能满足湖南省公共建筑节能设计标准(DBJ 43/003-2010)传热系数K≤0.5的规定.进一步的计算表明,即使采用三层膜结构,仍不能满足规定,如表2所示.最终采用了复合保温内膜,即在两层PTFE内膜之间加一气凝胶毡,厚度约16mm,热阻值可达1.316m2K/W,总传热系数0.46,满足了建筑节能标准的要求.

气凝胶毡是以气凝胶为主体材料,通过特殊工艺与增强纤维复合而成的柔性保温毡,在具有极低的传热系数的同时又有一定的透光率,是膜结构建筑理想的保温材料.但目前在膜结构领域的应用极少,相关的节点设计还不成熟.通过反复实验,最终确定气凝胶复合保温膜的加工节点如图14所示,安装节点如图15所示,工程竣工后效果良好.

钢结构杆件的下料、弯管、相贯线切割以及成品支座和铸钢节点,均在工厂加工制作.加工好的构件运到施工现场后,在制作好的胎架上进行鱼腹形桁架梁、梭形桁架柱和拱形桁架的拼装焊接.拼接好的钢结构单元,采用吊装方法进行安装,安装顺序为:1)安装陆侧和空侧的V型柱;2)安装V型柱顶的铸钢节点;3)顺序吊装鱼腹形桁架梁,就位后与铸钢节点拼装焊接;4)安装陆侧和空侧的幕墙梁柱,并与铸钢节点焊接;5)安装陆侧弧型桁架拱;6)吊装陆侧和空侧的梭形桁架柱,临时就位,等待后续索膜的安装.钢结构安装完毕后的现场照片如图16所示.

索网的张拉施工是本项目施工的重点,也是整体张拉式膜结构这类张拉结构的关键点.首先确定合理的安装技术路线:1)由于索网与钢结构组成的结构体系是稳定的,因此采用先安装索网结构,再安装膜面的施工顺序;2)由于复合保温内膜不得淋雨,因此采用先安装外膜,并确保不渗漏雨水后,再施工内膜;3)由于背索的预拉力为4000kN,上悬索预拉力为1000kN,脊索预拉力为2000kN,因此索网预拉力的施加,选择内力相对较小的上悬索和脊索进行,同时也避免了单独张拉背索同步性问题;4)由于索下料长度为初始预拉力状态下的长度,现场通过可调锚头调整钢结构安装偏差,因此索网张拉过程中主要以索的长度控制,辅助千斤顶油泵压力控制,张拉到设计预拉力.考虑到油压损失和松弛,需要超张拉5%.

具体的施工安装步骤如下:1)安装背索;2)安装并张,拉上悬索;3)安装并张拉脊索;4)安装平衡索;5)安装吊索;6)安装膜面托索;7)安装边索;8)安装并张拉外膜;9)安装内膜.其中,上悬索和脊索的张拉过程是分步进行的,按索锚头距离耳板1500mm、1000mm、500mm、300mm、100mm、0mm就位六个阶段进行.施工模拟计算分析得到的索在各个安装阶段的索力变化如表3所示.在膜面安装张拉完成后,还需根据健康监测结果对不满足设计要求的索进行补充张拉.索膜施工的几个阶段如图17～图20所示.

整体张拉式膜结构的形态,即位形和预拉力是否符合设计值,是结构体系成败的关键点.因此,委托长沙理工大学进行了结构全过程健康监测.监测内容包括:钢结构关键部位的位移监测、关键拉索的索力监测、关键拉索的位形监测和膜面关键部位的位形监测.

钢结构关键部位包括:背索锚固端预埋件耳板,共20个测点;铸钢节点,共12个测点;桁架上弦膜托索耳板,共130个测点;梭形桁架柱顶,共10个测点.拉索位形的监测选取的是上悬索,每根索布置5个测点,共25个测点.由于目前无法进行膜面张力的准确测量,因此采取对膜面的位形进行监测,选取3#轴的外膜和内膜,分别布置膜形测点9个.索力的监测采用动测仪,同时采用经过标定的千斤顶压力表同步控制张拉力.在张拉施工阶段,对上悬索和脊索以及背索的索力进行实时跟踪监测;在后续施工阶段中,仅对背索索力进行监测.

在内膜安装完成后,通过对结构的健康监测发现,5#轴陆侧和空侧的背索索力偏差超出规范允许范围,因此对5#轴背索进行了补张拉,并进行了实时跟踪监测,如图21和图22所示.经过补张拉,最终所有的背索索力如图23和图24所示,满足了规程[2]中拉力允许偏差不宜大于设计值10%的要求.

航站楼采用的是PTFE膜材.国内外所有的品牌燃烧性能等级均为B1难燃级,不满足屋面燃烧性能等级为A不燃级的要求.因此,专门委托国家消防工程技术研究中心针对航站楼进行了防火设计.从防火分隔、疏散设施、消防设施、膜材燃烧性能等多个方面,提出了具体设计要求.

公安部消防局天津火灾物证鉴定中心对本项目使用的PTFE膜材的热稳定性能进行了测试,结果表明该膜材的起始熔化温度324℃,引燃温度398℃,自燃温度497℃.防火设计中设定2处火源位置:火源位置A在二层候机厅,可燃物为乘客行李;火源位置B在二层商铺,可燃物为商品,其中火灾场景B1为商铺设耐火屋顶,火灾场景B2商铺不设有效封闭屋顶.进行设定火灾场景的模拟,可得到最不利条件下膜结构处的烟羽流温度云图,如图25和表4所示.可以看出,火灾场景A时屋顶膜结构处的最高温度为150℃,小于膜材的起始熔化温度324℃.火灾场景B2时,屋顶的最高温度达360℃,已经大于膜材的熔化温度324℃、接近膜材的引燃温度398℃.但是,当商铺设置耐火屋顶,即火灾场景B1时,屋顶膜结构处最高温度为130℃,小于膜材的起始熔化温度.

分析以上计算结果可知,采取必要的耐火构件对火灾荷载较大的场所进行全面分隔,有利于减小火灾对屋顶膜结构的影响.除水平分隔以外,屋顶也应设耐火构件进行分隔.

岳阳机场于2018年12月26日正式通航.图26、图27分别为建成后航站楼的内、外景.航站楼整体张拉式膜结构体系由钢、索、膜三部分构成.钢结构部分包括梭形桁架柱、鱼腹形桁架梁、V型柱、弧形桁架拱等;索结构部分包括背索、脊索、上悬索、平衡索、吊索、托索、边索;膜结构部分包括PTFE外膜、气凝胶复合保温内膜以及双层膜之间的密封膜.三部分通过预张拉形成稳定的自平衡结构体系,结构轻盈,外形动感,完美地体现了“点点白帆归洞庭”的意境.