隨著我國(guó)大型航空樞紐向超大規(guī)模、復(fù)雜功能集成方向發(fā)展，航站樓屋蓋等大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)性與多災(zāi)防控方面面臨前所未有的挑戰(zhàn)。針對(duì)高烈度地震區(qū)、高填土邊坡及高大空間火災(zāi)等多重不利工況疊加條件，重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)依托云南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，圍繞空港樞紐大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化與防災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)研究，并在昆明長(zhǎng)水國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2航站區(qū)工程中取得階段性重要成果。

復(fù)雜場(chǎng)地疊加多重災(zāi)害——空港樞紐結(jié)構(gòu)安全面臨新挑戰(zhàn)

昆明長(zhǎng)水國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2航站區(qū)工程是集航空、高鐵、地鐵于一體的綜合交通樞紐，采用“大港灣雙分叉”的航站樓構(gòu)型，航站樓采用“四指廊三港灣”總體布局，屋蓋為雙向自由曲面空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺度大、受力復(fù)雜。T2航站樓建筑面積73萬(wàn)平方米，東西面寬約882米，南北進(jìn)深約978米；東北和西北指廊為一字形結(jié)構(gòu)，各長(zhǎng)310米、寬34米，東南與西南指廊呈Y字形布局，單側(cè)長(zhǎng)度達(dá)580米，端頭處寬65米，具備國(guó)內(nèi)國(guó)際旅客出發(fā)、到達(dá)、中轉(zhuǎn)等綜合功能。

工程位于高烈度地震區(qū)且處于高填土邊坡場(chǎng)地，地震作用顯著；同時(shí)，航站樓高大空間火災(zāi)發(fā)展特征與標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)存在顯著差異，對(duì)傳統(tǒng)抗火設(shè)計(jì)方法提出挑戰(zhàn)。

在此背景下，如何在確保結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的智能優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性提升，成為亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)與工程問(wèn)題。

算法優(yōu)化驅(qū)動(dòng)——大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)健提升

圍繞航站樓大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多、受力工況復(fù)雜、設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)難度高等特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)展了系統(tǒng)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。研究過(guò)程中，在充分尊重原設(shè)計(jì)方案和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在滿足結(jié)構(gòu)安全和相關(guān)規(guī)范要求的前提下，對(duì)構(gòu)件尺寸配置和整體受力狀態(tài)進(jìn)行了多輪分析與比選，綜合考慮恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度作用及地震作用等多種工況，對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

需要指出的是，原設(shè)計(jì)方案并非初始方案，而是在設(shè)計(jì)階段已由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合長(zhǎng)期工程實(shí)踐和既有優(yōu)化方法反復(fù)推敲形成，具有較高的成熟度和工程合理性。在此基礎(chǔ)上，研究通過(guò)引入更加系統(tǒng)化和精細(xì)化的優(yōu)化分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了針對(duì)性調(diào)整。結(jié)果表明，在保持結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)和變形控制水平與原設(shè)計(jì)方案基本一致的情況下，鋼結(jié)構(gòu)材料用量進(jìn)一步降低，整體材料成本較原方案減少約 5.39%。

該研究在真實(shí)工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了有限但穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)性提升，體現(xiàn)了在高質(zhì)量工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件下，通過(guò)優(yōu)化方法進(jìn)一步挖掘結(jié)構(gòu)潛力的工程價(jià)值，為類似復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可借鑒的思路。

多尺度精細(xì)建模——大震性能與倒塌安全系統(tǒng)評(píng)估

圍繞航站樓在強(qiáng)烈地震作用下的安全性能問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)航站樓結(jié)構(gòu)體系尺度大、空間關(guān)系復(fù)雜、構(gòu)件類型多樣、上下部結(jié)構(gòu)耦合明顯等特點(diǎn)，建立了能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)受力特征的整體抗震分析模型，對(duì)結(jié)構(gòu)在較不利地震條件下的響應(yīng)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

研究過(guò)程中，在保證分析效率的同時(shí)，兼顧結(jié)構(gòu)整體與局部響應(yīng)特征，對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形規(guī)律、受力傳遞路徑以及關(guān)鍵部位的響應(yīng)演化過(guò)程進(jìn)行了綜合分析?；谡w分析結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)局部構(gòu)件和關(guān)鍵連接部位的受力狀態(tài)與變形特征進(jìn)行了針對(duì)性研究，識(shí)別了在地震作用下受力較為集中的位置，并據(jù)此提出了相應(yīng)的加強(qiáng)建議，為提升大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地震條件下的整體安全性和可靠性提供了技術(shù)支撐。

面向真實(shí)火災(zāi)——性能化抗火設(shè)計(jì)與防火措施優(yōu)化并行

針對(duì)航站樓高大空間火災(zāi)升溫特征與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線差異顯著的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)基于FDS火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬獲取真實(shí)火災(zāi)溫度場(chǎng)，結(jié)合ABAQUS熱-力耦合分析，對(duì)航站樓主樓屋蓋支承鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)展性能化抗火分析。

研究結(jié)果顯示：鋼管混凝土柱在真實(shí)火災(zāi)工況下具備良好耐火性能，部分構(gòu)件可無(wú)需防火保護(hù)即可滿足規(guī)范要求；對(duì)于矮屋蓋支承鋼管柱，提出在豎向8m范圍內(nèi)采用新型膨脹型防火涂料的精細(xì)化防火設(shè)計(jì)方案；在滿足耐火極限要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了防火涂料用量與施工成本的有效控制。該研究為大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)基于性能化的抗火設(shè)計(jì)與防火措施優(yōu)化提供了可工程化的技術(shù)路徑。

結(jié)語(yǔ)

重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)圍繞空港樞紐大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、大震性能評(píng)估及性能化抗火分析等方面形成了系統(tǒng)性研究成果，構(gòu)建了從結(jié)構(gòu)優(yōu)化到多災(zāi)耦合防控的完整技術(shù)體系。研究成果已在大型航空樞紐工程中得到驗(yàn)證，具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值與推廣潛力。該研究不僅為我國(guó)大型交通樞紐復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)與防災(zāi)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，也為智能建造技術(shù)在重大基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的深化應(yīng)用提供了示范。