重庆江北国际机场幕墙工程设计与施工
重庆江北国际机场扩建指挥部  戴  科  姜维政  赵仕伟
民航华东机场建筑设计研究院  王福龙  徐卫理
深圳三鑫特种玻璃技术股份有限公司   刘长龙  王  军  韩平元

【摘  要】本文介绍了重庆江北国际机场玻璃幕墙设计，分析了主要幕墙的结构计算、理论分析和施工方法，论述了本工程中在世界上首次采用的新的幕墙结构型式，并通过有限元分析及幕墙试验进行了验证。

重庆江北国际机场航站楼及配套设施扩建项目是民航总局和重庆市人民政府“十.五”期间的重点建设项目，是重庆市的形象工程和窗口工程。它的建设对于改善重庆的形象，增强重庆市整体发展后劲，贯彻国家实施西部大开发精神，加快重庆市的发展，实现重庆市新的振兴，改善重庆市的投资环境具有重大意义。

重庆江北国际机场航站区及配套设施扩建项目位于重庆市渝北区两路镇，建筑面积8万多平方米，由航站楼主楼、连廊、指廊三部分组成（图1）。主楼为混凝土框架结构，三层，标高7.5m以上为大跨度无柱钢结构空间结构；连廊与指廊为混凝土框架结构，二层，二层以上为圆弧形钢结构支撑屋面。整个机场工程项目建筑幕墙面积约53000

2．幕墙简介
主楼部分是98m×171m长方形，共三层，建筑高度为33.244m。主楼正面的外墙口呈波浪形，{zd1}点为21.90m，{zg}点为26.30m（图2）。正立面（陆侧）采用预应力双鱼腹拉索式点驳接玻璃幕墙；背立面（空侧）的外墙沿口也呈波浪形，{zd1}点为21.87m，{zg}点为25.0m，标高7.5m以上采用预应力双鱼腹拉索式点驳接玻璃幕墙，标高7.5m以下采用石材幕墙和铝合金门、窗、卷帘门及不锈钢百叶风口（图3）；两侧山墙顶端为光滑曲线，{zd1}点为23.52m，{zg}点为30.73m，标高7.5m以上采用预应力双鱼腹拉索式点驳接幕墙，标高7.5m以下采用石材幕墙和铝合金门、窗、卷帘门（图4）。

　　连廊部分为两条76.5m长，12m宽的行人通道，各有三层，高度14.5m。7.5m以下为蜂窝铝板金属幕墙和铝合金门窗。
　　指廊部分为两个220m×33m的候机长廊，各有三层，建筑高度为16.7m。6.850m标高以上部分两端为预应力拉索点驳接玻璃幕墙，两侧面为4.0m×6.0m椭圆形幕墙单元嵌入屋面体系中。6.850m标高以下为蜂窝铝板及铝合金窗和金属曲板包柱。

3．幕墙设计构思
　　重庆江北国际机场航站区及配套设施扩建项目由航站楼主楼、连廊和指廊三部分组成。
3.1航站楼主楼部分
　　航站楼主楼陆侧、空侧及两侧山墙由点驳接幕墙和石材幕墙组成（图6）。按照建筑设计意图，遵照建筑师建筑设计思想，在陆侧及空侧标高7.5m以上采用了预应力双鱼腹点驳接玻璃幕墙，两侧山墙标高7.5m以上采用了预应力双鱼尾点驳接玻璃幕墙。为了体现整体主航站楼沉稳、厚实的建筑艺术效果，在两侧山墙及空侧标高7.5m以下采用了石材幕墙（图6）。

　　航站楼预应力拉索式点驳接玻璃幕墙玻璃选用12+1.90 PVB +10钢化夹胶玻璃，大面玻璃分格基本尺寸3000mm×2250mm，为保证人在近楼面通过玻璃幕墙有较好（含石材踢脚高度）的视觉效果，陆侧及两侧山墙到达区近地面底片玻璃分格为3000mm×3000mm，出发层空侧及两侧山墙7.5m标高以上玻璃分格为3000mm×2250mm。
　　航站楼陆侧预应力拉索幕墙抗风柱间距15m，中间五片玻璃分格。在建筑标高3.000m向上每2250竖向高度上设置2φ18水平预应力不锈钢双鱼腹索桁架，在每块玻璃竖向分格线索桁架中悬空杆前端设置φ14竖向吊索，用以承担玻璃及不锈钢驳接件、索桁架自重。为防止索桁架倾覆，在索桁架跨中两根

　　悬空杆的后端各设置一根不锈钢φ10稳定索（图7）。
　　航站楼空侧预应力拉索幕墙抗风柱间距15m，中间与陆侧一样也为五片玻璃分格，在建筑标高7.5m向上每2250mm竖向高度上设置2φ18水平预应力不锈钢双鱼腹索桁架，在每块玻璃竖向分格线索桁架悬空杆前端设置φ14竖向不锈钢吊索，用以承担玻璃及不锈钢驳接件、索桁架自重。同时为防止索桁架在施工过程中倾覆及正常使用过程中存在倾覆的可能性给玻璃造成挤压应力导致玻璃破损，在索桁架跨中两根悬空杆后端各设置一根不锈钢φ10稳定索（图8），航站楼陆侧及空侧15m跨标准单元见图9。
　　
　　①-预应力拉索幕墙抗风柱；②-悬空连接杆；
　　③-悬空连接杆；④-φ18不锈钢索；⑤-幕墙玻璃

　　航站楼两侧山墙预应力拉索幕墙抗风柱间距9m，除两端边跨为四片玻璃分格，其余均为3片玻璃分格，在建筑标高3.000处及向上每 2250mm竖向高度上设置2φ14预应力不锈钢双鱼尾索桁架，在每块玻璃竖向分格线索桁架中悬空杆前端设置φ14竖向不锈钢吊索，用以承担玻璃及不锈钢驳接件、索桁架自重。与陆侧及空侧不锈钢双鱼腹索桁架相比，这种索结构中不存在拉索交叉叠加问题，从而避免了索桁架整体倾覆的可能性（如图10）， 航站楼两侧山墙9m跨标准单元见图11。

　　①-预应力拉索幕墙抗风柱 ②-悬空连接杆
　　③-φ14不锈钢索 ④-幕墙玻璃

3.2连廊部分
　　连廊部分由连廊A及连廊B组成，连接航站楼主楼和指廊，位于航站楼左右两侧。
连廊部分的幕墙设计亮点在其左右两侧的圆弧幕墙上。弧幕墙竖向弧长为4160m，水平分格宽度为2250mm，玻璃选用10+1.90PVB+8弯钢化夹胶玻璃，背后不加玻璃肋等任何支撑（图12）。

3.3 指廊和登机桥部分
　　指廊部分由指廊A及指廊B组成，与连廊A及连廊B和登机桥相连，位于航站楼的两端。
指廊部分的幕墙设计亮点在其左右两侧的椭圆弧幕墙窗上。玻璃选用12+2.28PVB+12双曲面热弯夹胶玻璃。水平不设玻璃分格缝，背后不加玻璃肋等任何支撑（图13）。

　　登机桥部分的幕墙设计亮点在其左右两侧的大玻璃板面分格上， 玻璃板块分格与登机桥主体结构相对应。玻璃选用8+12A+8钢化中空IOW-E玻璃，玻璃分格尺寸3605mm×2500mm，平行四边形，其传热系数K值小于1.8，热功性能满足建筑要求。在登机桥顶部及周边收口采用3mm厚铝单板，内衬保温棉，顶部采用有组织排水，排水槽采用铝单板及不锈钢制作。登机桥与指廊屋面设置伸缩缝，采用了风琴板构造措施（图14）。

4．幕墙采用的主要材料
　　玻璃：采用上海耀皮和深圳南玻公司原片，深圳三鑫公司深加工产品。
铝单板：3mm厚，四道氟碳树脂涂层，采用香港益龙公司产品。
蜂窝铝板：10mm厚， 其正背面铝合金板厚度均不小于0.7mm厚，上海加铝公司销售的德国ALUCORE®产品。
　　玻璃胶：灰色，采用杭州之江和广州白云公司产品。
　　点式幕墙配件：材质316L，深圳贵航公司产品。
铝型材：氟碳树脂含量不低于75%。四道氟碳树脂涂层，涂层厚度大于40?m，广东坚美公司产品。
石材：25mm厚，细面白灰麻花岗石，山东莱洲刚磊集团产品。

5．航站楼索网结构体系静力计算分析
5.1设计基本参数取值
　　地区基本风压：W0=0.50KN/m2， 基本雪压：0.15 KN/m2；
　　地区粗糙度类别：B类，场地类别：Ⅱ类；
　　地震基本烈度为7度，近震考虑；
　　屋面活载；0.3 KN/m2，屋面检修荷载：0.60 KN/m2；
　　悬挂荷载：主楼0.3 KN/m2；指廊0.8 KN/m2；连廊0.8 KN/m2；
　　屋面系统荷载：檩条、面板、保温材料自重：0.45 KN/m2；
5.2计算模型的建立
　　在索网体系计算中，选取45m跨这一张拉单元进行空间有限元分析，共三跨，每跨15m。该模型由四榀预应力拉索钢管桁架柱，双鱼腹水平不锈钢拉索及竖向吊索所组成（图15）。在计算中其边界条件假定为：中间幕墙抗风柱和竖向承重索上下端铰接，约束三个方向线位移；幕墙抗风柱顶端仅约束幕墙平面外位移；水平索桁架两端边界连接条件考虑为刚性，水平索桁架与其连接考虑为铰接，约束三个方向的线位移。竖向荷载在每个节点上按照设计值取为5.78KN，水平荷载在每个节点上均按照设计值取为11.14KN（计算变形时按照标准值分别取为4.82KN和7.96KN），单元上的节点荷载由玻璃四角传来，按面积生成。温度荷载取正负50度。温度线膨胀系数取1.1×10-5。水平索桁架15 m跨计算简图见图16。

5.3初应力的施加
　　为了保证索桁架在最不利荷载的情况下不会松弛，应给水平拉索和垂直拉索施加一定的预应力。计算分析表明，在同时作用竖向荷载、水平荷载和升温50°的荷载下为最不利荷载。此时，为了保证节点位移控制在1/250以内，需要给水平拉索初始张拉应力{zd0}值为297MPa，给垂直吊重索初始张拉应力为389MPa，给稳定索初始张拉应力为265MPa。
5.4竖向荷载和水平荷载作用下的结果
　　a．{zd0}位移48.3mm，出现在15m跨水平双鱼腹索桁架，沿Z方向，即垂直于玻璃面的方向位移为48.3mm。
　　b．索中最小拉应力为120.9MPa，在15m跨水平双鱼腹索桁架中出现；{zd0}拉应力为566.3MPa，在垂直吊重索中出现。
　　c．预应力拉索钢管桁架的应力，受拉{zd0}为215.3MPa，受压{zd0}为168.7MPa。
5.5竖向荷载、水平荷载下和温差50度共同作用的结果
　　a．{zd0}位移为50.1mm，出现在15m跨水平双鱼腹索桁架，沿Z方向，即垂直于玻璃面的方向位移为50.1mm；
　　b．索中最小拉应力为113.7MPa，在垂直吊重索中出现；{zd0}拉应力为613.8Mpa，在垂直吊重索中出现。
　　c．预应力拉索钢管桁架的应力，受拉{zd0}值为257.1MPa，受压{zd0}值为243.4MPa。
5.6计算结果分析
　　a．水平拉索初始张拉应力为297MPa， 垂直吊重索初始张拉应力为389MPa，稳定索初始张拉应力为265MPa时，索桁架中拉索在各种荷载作用下均保持受拉状态，最小拉应力为113.7MPa，出现在垂直吊重索中。
　　b．在此初始预应力下，整个索桁架承受荷载作用后的变形较小。节点{zd0}位移值为50.1mm，变形量约为1/299，满足要求。
　　c．拉索中{zd0}拉应力613.8MPa，钢桁架杆件{zd0}压应力243.4MPa，{zd0}压应力257.1MPa。
6．幕墙试验对幕墙设计的保证
6.1预应力双鱼腹索桁架结构试验
　　预应力双鱼腹索桁架是本工程的关键性结构，加工制作要求高，索桁架张拉工艺与施工方法较为复杂。其力学性能、索桁架张拉工艺、设计的正确性、计算参数取值的合理性等均有赖于试验验证。本次试验在深圳三鑫公司索结构试验中心进行，试验检测由广东省建筑科学研究院及广东省建筑幕墙质量检测中心进行。因幕墙自重荷载由竖向拉索承受，本次检测时只进行了水平荷载实验。
6.1.1测试内容
　　主要检测航站楼陆侧（空侧）水平预应力双鱼腹索桁架的刚度及其{zd0}变形；
6.1.2测试过程与方法
　　本次检测选择15m长双跨预应力拉索桁架（图18），测试时在索桁架端部支点、桁架的四个玻璃支撑点处各布置1个位移计，分别在桁架上的6个支承点同时施加相同荷载。根据设计提供的试验荷载值，用油压千斤顶模拟施加水平荷载。对每个玻璃支点施加1.8KN水平荷载，保持10s以上不变，记录位移初始值，然后再依次施加约3.6KN、5.4KN、7.2KN的设计荷载，各保持10s以上，记录加载的位移值。
　　①-传感器；②-试验钢架；③-可调撑杆；
　　④-φ18不锈钢索；⑤-油压千斤顶；⑥-百分表
6.1.3测试结果及分析
根据广东省建筑幕墙质量检测中心提供的测试成果，经整理后见下表。
施加荷载（KN） 2号支点挠度（mm） 3号支点挠度（mm）
1.8 5.33 5.11
3.6 20.98 20.07
5.4 36.81 36.62
7.2 45.92 44.92
　　本次挠度试验的{zd0}荷载为7.2KN，为设计荷载的1.0倍，水平索桁架{zd0}挠度为 45.92mm，约为1/327，与理论计算基本吻合。对测试数据和理论曲线进行分析处理后绘成的荷载一变形曲线见图18。实测荷载变形曲线基本符合线性规律，与理论曲线也比较接近。至于误差的形成，主要与不锈钢拉索的弹性模量取值、初张力在拉索与撑杆间的摩擦力损失、测试条件与环境等因素有关。在相同荷载检测下第二次所采集的数据要比{dy}次的小，这是因为水平索桁架在反复受荷检测下，存在着残余变形，主要是由于不锈钢拉索与夹具的摩擦力所引起的。
6.2幕墙物理性能检测
　　幕墙物理性能检测在广东省建筑幕墙质量检测中心进行。试验选取了航站楼两侧山墙9m标准水平索桁架张拉单元，试件规格4488mm（宽）×9190mm（高）；玻璃分格22500mm×3000mm。不锈钢驳接系系统、拉索及其调节系统、玻璃及玻璃密封胶等工程材料的选用与工程实际当中应用xx一致。经过检测，幕墙固定部分空气渗透量qo＜0.01m3/（m?h），空气渗透能达到国标Ⅰ级；固定部分在1600Pa风压作用下，以4L/m2?min的水量按规定的压力级对试验单元依次加压，无渗漏发生，雨水渗漏性能达到国标Ⅱ级；在标准风荷载的WO=2000Pa作用下，试件无损坏发生。为检验幕墙的安全度，又取标准风荷载的1.5倍，进行了安全检测，在设计风荷载WK=3000pa作用下，幕墙试件无损坏发生，风压变形性能达到国标Ⅲ级。在标准风荷载作用下，水平索桁架跨中{zd0}变形45.17mm，约为1/332，与理论计算分析及索结构试验基本吻合，玻璃面板在风荷载标准值作用下，面板中心{zd0}挠度38.3mm，与理论分析基本吻合。
6.3玻璃静压试验
　　为考查点支式玻璃幕墙面板的受压变形情况，设计并加工了一个水箱（图19），试验玻璃置于水箱底部，玻璃上覆盖塑料薄膜以便盛水，用水压代替风压对玻璃进行荷载试验，本次试验在三鑫公司索结构试验检测中心进行，试验检测单位为广东省建筑幕墙质量检测中心。试验时，在水箱的不同部位安装了标尺，检测方法与步骤采取了与幕墙性能检测一样分级加载的形式。根据计算，玻璃在130Pa、415Pa、700Pa、985Pa、1270Pa、1555Pa、1840Pa荷载作用下，分别对应水的深度为13mm、41.5mm、70mm、98.5mm、127mm、155.5mm、184mm，28.5mm为一个加载级，每注入一个加
图19  玻璃静压试验简图
载级别的水深，静止10s以上，采集一次数据，各测点玻璃变形与水深的关系见下表。
   位移(mm)

水深(mm) 测点一 测点二 测点三 测点四 测点五
13 -- -- -- -- --
41.5 5 5 6 3 2
70 12 10 12 6 5
98.5 18 17 17 8 7
127 26 24 26 12 8
155.5 31 30 31 14 10
184 38 38 36 16 12
13 10 9 8 3 7

7．幕墙新技术的应用
7.1预应力拉索钢桁架
　　在航站楼主楼四周采用的拉索点驳接玻璃幕墙中，陆侧和空侧每15m跨幕墙抗风柱及两侧山墙每9m跨幕墙抗风柱，采用了预应力拉索钢桁架，单榀桁架{zg}31m，{zd1}21m，此项新技术系世界上首次采用（图20）。该项新的结构取消了普通钢桁架斜腹杆，而采用4根φ22不锈钢拉索代替来承受水平荷载，不但结构新颖，且受力合理。不锈钢拉索端头采用拉索调节机构通过经过机加的钢耳板与钢架中腹杆和弦杆连接，钢架中直腹杆与不锈钢拉索间连接采用加工精致的不锈钢压紧机构，使钢与钢间的连接新颖别致，取得了{jj0}的建筑艺术效果（图21）。预应力拉索钢桁架底部采用铰支板构造措施，顶部采用三项调节机构与主体钢结构连接。
　　①-前弦杆;②-后弦杆;③-2φ22不锈钢索;④-腹杆

　　①-前弦杆;②-后弦杆;③-钢索;④-腹杆;⑤-前弦杆;⑥-后弦杆

7.2指廊端头单索幕墙
　　在本工程A、B指廊南北端头采用了目前在国内外索结构幕墙{jd0}技术—单层索网点驳接玻璃幕墙，与德国慕尼黑机场区别开来的是，重庆江北国际机场采用的不但是世界上{dy}个曲面单层索网点驳接玻璃幕墙工程，也是世界上{dy}个采用单层单向索网结构的玻璃幕墙工程（图22）。

　　指廊端头建筑标高7.5m以上建筑设计为曲面玻璃幕墙，为了使单拉索的拉力得到有效的传递，在整个幕墙周围采用了曲面钢箱梁结构措施，曲面钢箱梁与主体建筑的连接采用铰接，使其将水平荷载传递给主体结构，自身重量由主体结构承担，拉索的拉力由曲面钢箱梁结构自身承担，不传递给主体结构。
指廊端头的单层索网玻璃幕墙节点，采用了驳接爪件机械压紧构造措施（图23），爪点内压块与驳接爪用2根φ18不锈钢螺栓相连。利用钢索与内压块及驳接爪间的摩擦力来承担幕墙玻璃的自重。

　　为保证幕墙玻璃的安全，应控制单层索网结构体系的变形，变形过大，会对幕墙玻璃造成不利影响；反之，单层索网变形控制过严，索的拉力亦随之增大，对单层索网边界的刚度要求就越高。单层索网本身不变形时，整个体系是没有刚度的，只有产生变形才有刚度，因而索网的挠度和结构刚度密切相关。随着荷载的增加，结构的位移在增加，随之结构刚度在增加。因而在相同荷载增量下，结构的位移增量随之减小，相应索的伸长量减小和索拉力增加的减少。为达到理想的设计效果，以L/50挠度限值来进行设计，索的拉应力合理取值范围界定在387～464.4MPa。为增加单层索网结构体系安全储备，水平与竖向拉索采用φ22不锈钢绞线。
7.3指廊侧面双曲面椭圆窗
　　在本工程中A、B指廊两个侧面共采用80个6000mm×4000mm双曲面椭圆窗，每个椭圆窗三片玻璃分割，玻璃采用12+2.28PVB+12钢化夹胶热弯玻璃（图24）。为了保证安装完毕后玻璃曲面曲率的统一及曲面的光滑，采取了如下技术措施：每片玻璃采用吊挂式安装，在每片玻璃顶部设计了曲面玻璃专用吊夹，防止玻璃在自重作用下弯曲；玻璃实际加工时，中间片玻璃的拱高比相邻两片玻璃要小5mm。椭圆窗与屋面收口采用3mm铝单板，双曲面异形，圆滑过渡，保证了椭圆窗的建筑效果。

8．幕墙结构的节点构造设计
8.1幕墙顶部节点设计
　　主体大跨度钢屋盖只能传递水平力，不允许传垂直力，在最不利荷载作用下，其fx、fy、fz三个方向的变形分别为50mm、60mm、100mm，因此要求幕墙结构不但满足牢固地连接在主体建筑物上的同时，还必须适应主体大跨度钢屋盖的多向位移。为防止主体钢屋盖变形对幕墙结构的影响，在预应力拉索幕墙抗风柱顶部采用了三向活动调节连杆铰支机构（图25），当屋架发生变形时，此结构xx可以满足屋面的三向位移并能可靠的传递水平力。同时，由于玻璃为脆性材料，在幕墙玻璃顶部采用了风琴板密封屏，用以防止主体钢屋盖及幕墙抗风柱变形导致玻璃破损的现象发生。

8.2稳定索底部节点设计
　　在预应力双鱼腹索桁架中，在{zd0}水平荷载作用下，索桁架会产生变形，导致φ10稳定索随索桁架的变形而弹性伸长，虽然在施工张拉时φ10稳定索有一定的预张力，但在玻璃安装结束后， 预张力已经很小，约为500～1000kg，在水平索桁架承受水平荷载出现{zd0}变形时会导致φ10稳定索出现松驰现象。为杜绝此种现象发生，在其底部采用了弹簧调节机构（图26），调置机构中对内部弹簧的技术要求如下：变形伸缩△α：△α≥2（B-A）；倔强系数K：K≥（500～1000）kg/2（B-A）。
图26  稳定索变形及构造图

9．航站楼索结构幕墙施工工艺
　　a．在每榀水平索桁架内，前受力索和后受力索的预拉力值误差要控制在1.5KN以内。各榀索桁架中钢索预应力值误差控制在2.5KN以内；
　　b．用超张拉法达到内力平衡：水平受力索桁架是采用整条索通过固定支点形成的多榀桁架。在预拉力施加时只能在一端进行，当预拉力通过固定支点时，因磨擦阻力等因素造成的内力损失，经试验证明每通过一个固定支点其内力损失为10%左右，会出现内力不平衡的现象，为xx此现象，我们采用了超张拉回放的方法。在施加预应力时根据单根索所通过的固定支点的数量按损失的内力值来确定超张拉力。经12小时持荷后将超张拉值放松到设定的预拉力值后达到跨间内力平衡。
　　c．预应力张拉步骤：首先安装垂直承重索并将预应力值一次施加到位，然后安装水平受力索。前后受力索必须同时在一端张拉，分四步进行：①在索布设结束后先进行{dy}级张拉，按总预拉力值的20%控制拉力；②经调整达到内力基本平衡，空间定位基本到位后进行第二级张拉，按总预拉力值的80%控制拉力。当拉力到位后粗调悬空杆的位置并保持拉力48h再进行定位尺寸调整；③当内力稳定后测量每榀索桁架的内力损失情况，确定超张拉值进行超张拉，并持荷12h；④当超张拉内力稳定后将内力放松至{bfb}的预拉力控制值，经测量调整后使每一榀索桁架的内力均达到预张拉值后将节点固定锁紧并与垂直承重索连接锁紧。

10．结束语
　　重庆江北国际机场幕墙工程于2004年1月开工建设，在120天的施工当中，基本完成了幕墙施工任务，为机场在2005年春运前投入使用、2004年10月1日前总体验收提供了有力保证。作为幕墙施工单位，对民航重庆市管理局副局长及重庆江北国际机场扩建指挥部常务副指挥长戴科、总工程师姜维政、航站办赵仕伟，对民航华东机场建筑设计研究院总工程师王福龙、建筑师徐卫理，对重庆继兴监理公司的相关领导们给予工作上的支持和帮助表示衷心的感谢！