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首都国际机场T3航站楼交通中心钢结构体系稳定分析第 38 卷第 1 期 建筑结构 2021 年 1 月首都国际机场 T3 航站楼交通中心钢结构体系稳定分析关朱忠义柯长华秦凯王毅束伟农(北京市建筑设计研究院 1000<>45) [提要] 以首都国际机场交通运输中心(GTC)大跨箱型钢拱结构为工程背景，以单拱、组t共和整体屋盖钢拱结构为研究对象，采用非线性有限元法分析结构失稳问题在多种不利荷载组合作用下，研究对应于 GTC 钢结构体系的理想结构整体稳定性能并得出结构特征屈曲系数的根底上，考虑几何非线性、材料非线性，按最不利原那么施加初始几何缺陷，计算结构的非线性稳定屈曲系数，获得相应的折减系数，并讨论了双重非线性对结构整体稳定的影响 O 同时，数值分析了主拱拱脚处腹板的局部稳定问题，结果说明，在拱脚处需合理设置加劲肋板来防止腹板局部失稳[关键词]首都机场大跨钢拱结构整体稳定屈曲组拱Stability Analysis of Terminal 3<9;s Ground Transportation Center of Beijing Capital International Airport/Zhu Zhongyi , Ke Changhua , Qin Kai , Wang Yi , Shu Weinong (Beijing Inst阳te of Architectural Design , Beijing 1000<>45 , China) Abstract: The structural instability problems are analyzed through nonlinear finite element method , taking single arch , multiple arch and complete steel arch roof as research objects , using the large span steel box-section arch in Ground Transportation Center( GTC) of Beijing Capital Intemational Airport as background. The research deals with ideal complete stability properties of the GTC steel strucuure system , and gets structural characteristic buckling factor under mu!tiple kinds of worst load combinations. In addition , it calculates structural nonlinear stability buckling factor , and corresponding reduction factors, discusses the infIuence of structural complete stability due to binonlinear , considering geometric and material nonlinear , and initial geometric imperfection under worst principle. Using numerical method to analyze web local stability problem at the foot of main arch , it concludes that board stiffening rib should be built appropriately at the foot of arch , in order to avoid web local instability. Keywords: Beijing Capital Intemational Airport; large span steel arch structural; complete stability; buckling; mu!tiple arch 。

引言大跨度钢拱结构稳定涉及两类稳定问题[2] 第一类稳定问题是基于经典弹性理论，当钢拱受载到达临界值，平衡状态丧失，出现分支型失稳、;第二类稳定问题是基于实际工程中结构的非线性和不可防止的初始缺陷，为极值型失稳采用有限元理论可分析计算薄壁箱型变截面钢拱结构的稳定性得到几何非线性稳定系数和(或)初始缺陷稳定系数 O1 交通中心的结构体系北京首都国际机场地面交通中心 (GTC) 位于T3A航站楼的南面，地下两层，局部地下三层，为地下停车场;地上层 l 为轻轨火车站，玻璃屋顶，是往返市区和机场的轨道交通枢纽屋顶为双曲面形状，水平技影面积约为25<>437 m2 0 图 1 是 GTC 屋顶效果图 O 整个 GTC 钢屋盖结构是一个东西走向有规律的单向两饺拱结构体系，支撑在首层、混凝土结构上 O 拱架间距 18m，共有 13 楠，跨度在 77- 11<9m 范围内变化，矢跨比在 0.21 - 0.28 之间变化南北向总长度为 258.<956m，其中在最南和最北端各有30 图 1 GTC 建筑效果图悬挑 21m 的斜拱沿着主拱外包线的圆心每隔 5.75设置一根主攘条，间距在 <9.0m 左右 O主拱和主擦条都采用焊接梯形截面。

主拱拱脚处最大截面高度 3.15<9m，最小截面高度 2.0<91m，按照二次曲线向拱顶减小，拱顶处最小截面约1.2m; 截面上翼缘板和下翼缘板宽度沿拱跨度方向不变，分别为l .<>4m 和 0.6m; 主模条采用等高度的梯形截面，有两种截面高度 <900mm 和 700m肌对应的上翼缘板宽度分别为 <>450 和 <>400m肌下翼缘板宽度分别为 350 和 300mmo钢材选用的材质为 Q235GJC ，满足?高层建筑结构用铜板HYB<>410<>4-2000) 主拱和主擦条刚接，形成稳定的结构体系图 2祷北京市科技新星工程 O附忖V掷图 2 GTC 屋顶钢结构平剖面图 (m)是结构布置图2 交通中心屋顶曲面成形通过弧线的简单旋转形成 GTC 屋顶的双曲面拱结构内外表皮均为双曲面，外表皮南北方向轴线是半径为 807.71m 的圆弧，东西方向轴线是半径为<91. <95m 的圆弧段，曲面由南北向轴线绕此圆弧段的圆心旋转而戚，内表皮也按照类似方法成形，如图 3 所示根据内外表皮由面，拱由两个非同心圆的圆弧相夹形成图 3( b) 是某一榻拱的形状，为按照二次曲线变化的拱立面 O内表皮(a)拱顶曲面拱上表皮方程户。

6<>4.78<9归1.<951<9;(b)某楠拱立面拱下表皮方程户(Z+57.388)<9;~83.35<9;图 3 屋顶结构内外表皮曲面 (m)3 交通中心稳定分析对 GTC 屋顶钢拱结构的稳定分析思路如下1)以整体结构中跨度最大的主拱为研究对象，研究 GTC 拱的理想特征屈曲失稳，考虑几何非线性，计算得到因几何非线性影响产生的稳定折械系数选择与非线性屈曲形式相同的特征屈曲形式作为初始缺陷施加于 GTC 结构，计算初始缺陷对结构影响的稳定折减系数再考虑材料非线性，计算单拱的理想弹塑性屈曲系数另一方面，采用板单元研究主拱稳定和腹板局部屈曲2)取代表性的两个相邻主拱形成典型组拱，进行与单拱相同的屈曲研究，分析在非对称荷载作用下组拱的稳定性能3)选择结构最不利受力情况，考虑双重非线性，并施加最不利初始缺陷，计算整体结构稳定，验证是否满足标准要求根据常见荷载及不利荷载组合的原那么，分别对以下几种荷载组合进行特征屈曲分析、几何非线性屈曲分析、材料非线性分析以及缺陷分析工况 1 :自重+恒载+活载;工况 2: 自重+恒载+不均匀活载;工况3: 自重+恒载+风荷载(1800 ) +雪荷载(1800 ) +幕墙风荷载。

限于篇幅，只给出最不利荷载下的屈曲情况3.1 单拱屈曲的梁单元数值分析以整体模型中跨度最大的轴⑩主拱为研究对象，采用空间梁单元对 GTC 拱进行稳定分析工况 1 下的特征屈曲系数见表 1 ，表中因在平面外缺少必要支撑，单拱在平面外易发生失稳，前两阶屈曲系数偏低这种失稳、对于工程设计没有意义，理想的单拱结构在实际中并不存在 O 为此，对该拱进行几何非线性稳定分析，得出非线性稳定系数人n = 20.<>4 ，此时拱的失稳模态为平面内对称失稳，与特征失稳中第 6 阶模态相对应定义几何非线性折减系数为考虑几何非线性的稳定系数和相对应的特征屈曲系数的比值这样，平面内对称失稳模态折减系数 r; = λcn/ ??cl6 = 20 .<>4/23.<906 = 0.853 3<>4 0 人16代表第 6 阶线性屈曲特征值单拱前 10 阶特征屈曲模态系数 表 1失稳模在 2 3 <>4 5 6 <9 10 屈曲系教 1.225 5.65<9 <9.7<9<9 12.116 21 .370 23 那么 32.<902 <>43.<923 <>47.<>425 6<>4.225 果 平面外 平面卦 平面内 平面外 平国内 平面内 平面丹 平面内 平面外 平面外单元 失稳革式兀 对林 反对称 反对林 对林 反对非 对林 两样 反对林 反Jt林 M林型i. 平面外 平面外 拱脚局 拱脚局 供脚局 拱脚局 拱脚局 拱脚局 拱脚局 拱脚局兀 失稳形式 时称 反对林 部失草 部失稳 部失稳 部失稳 部失稳 部失稳 部失稳 部失草根据?网壳结构技术规程> (JGJ61-2003) 规定，在结构上施加与平面外反对称屈曲模态相同的初始几何缺陷，即将第 2 失稳模态作为最不利的初始缺陷，缺陷取值为跨度的1/300。

此时平面外反对称非线性稳定系数 λcn2 =5.0122 ，考虑初始缺陷后，平面外反对称失稳的折减系数 r; = λcn2/ ??c12 5.0122/5.658<9 0.8857 0 图 <>4 是典型节点的荷载-位移曲线假设将第 3 阶模态作为初始缺陷，在结构上施加一个与平面内反对称屈曲模态相同的初始几何缺陷，缺陷取值为跨度的 1/300 ，那么出现与施加的初始缺陷相同的失稳形式平面内反对称非线性稳定系数 ??Cn3 = 8.76<9 ，折减系数可= ?? cn3 / ?? cl3 = 8 .76<9/<9.7<9<9 = 0.8<95 0 31 ζJ nu lli----li--io 吨，-z3··ZOA句句，-aaTζJaaYA;yaaTA吨副帽Mm钮圄川回想1.5 位移 (mm)2 2.5 图 <>4 在工况 1 的第 2 阶模态缺陷分析中典型节点的 z 方向位移曲线假设将第 6 阶模态作为初始缺陷，缺陷取值为跨度。