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。


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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1  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2(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2(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2(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

2  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3所示,图中的每个步骤的计算结果均与时间相关。

 

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3  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4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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4  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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5  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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