北京大兴国际机场

发布时间:03/01/2021 11:12:18
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北京大兴国际机场定位为“大型国际枢纽机场”。场址位于北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间,直线距天安门约46公里、距雄安新区55公里、距北京城市副中心54公里、距首都机场约67公里、距廊坊市约26公里。远期规划年旅客吞吐量1亿人次以上,年货邮吞吐量400万吨,飞机起降88万架次。


2016-2019年期间,刘宇飞参与了由北京城建集团主导的北京大兴国际机场航站楼核心区施工设计与施工控制科研工作,他所在团队开发了考虑日照辐射作用的钢网格结构非均匀温度场分析平台,精细模拟了日照辐射与环境温度等作用下钢结构施工过程复杂温度场。平台嵌入地理气象模型,可高效计算上万根杆件在日照辐射下的互相遮挡,并深度结合施工步骤生成时变温度场数据。进一步地,实现钢网格结构施工过程温度效应分析,为北京大兴国际机场航站楼核心区屋盖施工提供重要依据。

 

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1  清华大学土木系教师刘宇飞


航站楼由主楼和五条指廊组成,建筑面积约70万平方米,屋面最高点50m,地上五层,地下二层。航站楼的主体结构为全现浇钢筋混凝土框架结构;屋盖为不规则自由曲面钢网格结构;支撑体系由C 型钢柱、支撑筒、钢管柱及幕墙柱组成。

 

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2  机场航拍图


航站楼核心区钢屋盖的主要结构特点有:


(1)造型复杂,空间位形控制精度要求高。屋盖为不规则自由曲面球节点交叉桁架结构,空间坐标及标高落差大,传力路径复杂,如图3(b)同时构件密度大、管径粗,相互之间的遮挡效果非常明显;


(2)结构面积大,跨度大,支承体系少。钢屋盖覆盖范围横向宽504 m,纵向长462 m,总投影面积达18 万平方米。各主要支承构件距离60 m~80 m不等,且屋盖外沿最大悬挑达43 m,结构跨度大,如图3(c)


(3)施工过程复杂,温度效应累积明显。屋盖总体的施工原则为分区施工,分区卸载,总体合拢,结构分为7 个分区,每个分区内部进一步分块,如图3(d)。在累计多次的提升、拼装、合拢、卸载等施工过程中,温度荷载会产生显著的影响。

 

 

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      (a) 航站楼效果图

(b) 钢网格结构现场图

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         (c) 支撑体系布置图

(d) 施工分区

3  结构典型示意图


综合以上特点,不均匀的温度变化会在结构中产生明显的温度效应,并会随着施工过程不断积累,因此,对结构中任意时刻温度场的精确模拟就显得尤为重要。考虑到整体结构体量太大,选取屋盖结构中的典型分区C2-1进行后续研究。


以通用有限元软件ANSYS的热分析模块为平台,结合MATLAB APDL 语言,计算C2-1区屋盖钢结构考虑日照遮挡的瞬态温度场。整体计算流程如图4所示,图中的每个步骤的计算结果均与时间相关。

 

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4  机场温度场整体计算流程


根据北京大兴国际机场 C2-1 施工分区的结构组成与特征,建立热分析有限元模型如图5所示。为使结构温度场的特征及变化规律尽可能明显,取施工过程中经历的某个典型夏至日(2017 6 23 作为计算日期,计算结构0 h~24 h 的温度场。

 

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5  热分析有限元模型


结果表明,大跨空间钢结构的温度场具有明显的时变特征与空间非均匀性,夏至日的最低温度发生于5时左右,最高温度发生于15 时左右。不同尺寸构件的温度变化特征有所不同。

 

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6  有限元分析结果


整体温度最低时,结构顶部的构件温度基本接近气温,但下部构件的温度较高;整体温度最高时,结构顶部的构件温度最高,而下部的温度则较低。这是因为结构下部以支承构件为主,C 型柱、支撑筒等部分的截面尺寸要明显更大,构件比表面积小,对流换热系数也较小,故温度变化较为缓慢,明显滞后于气温的变化;而结构上部的构件以弦杆为主,构件截面细小,升温降温都非常迅速。白天结构上部吸收了大量的太阳辐射,加速了上部构件在日出后的升温速度;夜间失去热源,结构下部构件散热缓慢,赶不上气温下降的速度,因此,温度比气温略高。


从温度场的总体计算结果中可以发现,结构中温度在空间上的分布规律并不明显,且分布情况会受构件的空间位置、遮挡关系、截面尺寸等因素影响,不均匀性较为显著。对于规模较大、形状复杂、重要性高的结构,建议对温度场进行精细模拟,以确定用于设计校核的温度荷载。对于规模较小的结构,在估计其温度分布时,也要考虑构件尺寸所带来的温度不均匀性。



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