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为大兴机场航站楼钢结构“保驾护航”

来源:中国科学报 供稿:汪洋海容 审核:孙冬梅 发布时间:2019-10-26
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江苏快3  9月30日,在中华人民共和国即将迎来70周年华诞之际,北京大兴国际机场经过四年多的建设,犹如一只闪耀着金光的“凤凰”,在北京中轴线延长线的南端展翅腾飞。

江苏快3  新机场正式通航,“中国智造”享誉世界。在这个备受瞩目的工程中,北京建筑大学(以下简称北建大)的师生也在各自岗位上,向新机场建设输送着“北建大智慧”,传递着“北建大方案”。

 

  把航站楼屋盖钢结构模型搬进校园

江苏快3  新机场航站楼屋盖及其支撑结构为钢结构,投影面积达34万平方米;采用双曲面造型,最大结构单元长度504米,最大跨度102米,屋檐最大悬挑42米;存在跨度、长度超限,以及扭转不规则、竖向构件不连续等规则性超限情况,属于“多项超限的高层建筑工程”。

  构思巧妙、设计精良,而把蓝图变为现实,要靠创新。

  2015年,一项来自全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的试验研究建议,摆在了北建大校长张爱林的面前。作为国内钢结构领域的专家,张爱林拿到如此超大跨度的钢结构设计方案时,也不由得震惊。

  “新机场钢结构超长超大,远大于现有规范限值;作为主要支撑的C型柱结构形式复杂,且纵横刚度不对称。这些因素都要求我们要对整个结构体系和节点构造进行全面研究,通过试验验证提供技术支持,确保新机场按期竣工、安全使用。”张爱林说。

  与在实验室做试验不同,工程项目容不得半点失误。张爱林与机场项目设计师论证后决定,按照新机场航站楼钢结构设计方案中的数据,设计制作1:10缩尺模型。2017年,模型经由专业钢结构加工企业生产完成后安置于北建大大兴校区。

江苏快3  根据方案,团队进行了钢结构稳定性能研究,通过加载砂袋对钢结构的竖向承载性能进行试验,还利用液压千斤顶进行拟静力水平往复加载试验。考虑到各种复杂工况及温度效应,团队按50%和100%静载对钢结构模型进行两次加载,并分别在白天和夜晚再各加载一次,以让试验结果更具参照意义。

  通过分析模型上百个测点得到的数据,团队总结提出适用于C型柱体系的承载力计算方法,并最终验证新机场航站楼屋盖钢结构设计能够满足8度罕遇地震的抗震要求。

  “这绝对算得上是我国钢结构科技创新的标志性工程。”张爱林说。

 

  填补技术标准空白

  搬进北建大校园里的不仅有航站楼屋盖钢结构缩尺模型,还有C型柱上关键相贯节点的足尺模型。

江苏快3  “节点在钢结构中发挥着承上启下的关键作用。”团队负责人、北京建筑大学土木学院教授张艳霞说,试验选取的节点位于C型柱中心部位,其上下左右以及后部与12根杆件焊接贯通,受力情况极为复杂。

江苏快3  类似这样的复杂节点在一般实验室里无法开展试验,团队便自行设计研发了球形自平衡全方位加载试验装置。该实验平台满足内部多角度全方位加载,最大加载质量达1500吨,完全满足像C型柱上这种荷载大、连接杆件多的节点的试验测试需求。

  节点选用什么钢材、受力条件如何、在节点内部起支撑作用的加劲肋如何布设,这些问题都影响节点性能。对此,团队先后分四组共11次对足尺节点性能进行对照测试。研究人员发现,节点在主管内布设有加劲肋的情况下,能够满足C型柱承重需求。

江苏快3  理论上讲,节点主管内加劲肋布设的数量越多,节点结构越稳定。节点试验研究发现,设置三道加劲肋的节点与设置五道加劲肋的节点安全性能十分相近,团队最终建议设计方案布设三条加劲肋。这样既可降低施工难度,又能节约建设成本。

  “事实上,国内关于加劲肋设计的行业标准几乎为零。”张艳霞说。北建大团队不仅完成了新机场项目,还通过参数化分析,总结出一套关于加劲肋的厚度、体积和中央开孔大小的设计原则,填补了领域内的空白。

 

  写入研究生学位论文

  “这是第一次亲身参与国家级的重大项目工程。”团队中的研究生们纷纷表示。在他们看来,新机场建设象征着国家的使命和荣誉,能有机会在高水平平台上实践知识和锻炼技能,十分难得。

  今年毕业的北建大硕士生邵迪楠从2015年刚入校时便跟随导师张爱林和张艳霞参与新机场项目。“很多细节远远超过了书本知识的范畴,我差不多搜集了足足1GB的论文来参考。”邵迪楠说。

江苏快3  三年的时间里,邵迪楠几乎每天都跟团队成员一起,要么泡在实验室推敲设计方案,要么守在模型旁边完成实验。

  在实验过程中,拍照记录节点在不同工况下的破坏现象需要搭脚手架在高空完成,每个节点就要爬上爬下好几次。“即便有时候我们用肉眼观察节点在力的作用下没有变形或变形甚微,也需要把观测部位的形态记录下来进行分析。”邵迪楠说,做工程就要精益求精,“重复的劳动虽然繁琐,但也磨练了一个人的意志和耐性”。

江苏快3  毕业设计开题时,邵迪楠毫不犹豫地选择了新机场这个题目。他把三年来试验中的成果梳理成章,发表在《建筑结构学报》上,“这篇论文凝结着整个团队的智慧和心血,是整个团队的成果”。

江苏快3  邵迪楠之前的两届研究生几乎都参与了试验项目。他们之间不仅有协作,还有传承。

  2017届毕业生王宗洋和2018届毕业生李振兴主要负责球形自平衡全方位加载试验装置的设计研发。他们根据试验需求绘图纸,与北京建筑设计研究院有限公司的工程师研讨完善设计方案,并在导师及工程师的指导下把原本全封闭的球形试验装置改进成为中心空间更加开放、加载节点更加便捷、适用节点更加多样的半开放式结构。据王宗洋介绍,优化方案由8榀减为6榀,减少梁柱14根,共节约用钢80吨。

  一届学生毕业了,下一届继续他们的足迹。“回想起来,试验项目真的是一点点磨出来的。”李振兴说,在试验平台建设过程中,设计图纸反复修改,连接节点和球形架的杆件经历了无数次校准,各构件装置的定位不断校正,目的就是确保精度控制在毫米级。他认为,工程再复杂也要精益求精,“从谁手上完成的工作,就是谁身上的一个标签”。

  如今,新机场正式启用,试验项目也完成使命。课题组留下的钢结构模型和节点测试装置依然保留在校园里,供后来者继续使用。“我希望后继者能够通过它们,对所学专业产生真切的认知和深刻的感受。”如今,团队试验项目已成为典型的教学案例,出现在张艳霞的钢结构课堂上。

  文章刊载于《中国科学报》 2019年10月10日 第8版 装备制造

  

  

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  编辑:李小虎