【转贴】广州新白云国际机场航站楼结构设计

  广州新白云国际机场航站楼结构设计



李桢章 伍国华

(广东省建筑设计研究院,广州510010)



摘要 本文介绍了广州新白云国际机场航站楼的结构设计.航站楼的基础采用嵌岩桩,楼盖为预应里混凝土结构,屋盖

为相贯焊接空心管桁架结构.广州新白云国际机场航站楼是中国目前在岩溶地区兴建的规模最大的公共民用建

筑,也是中国目前规模最大的相贯焊接空心管结构工程,其中16米~37米搞的三角形变截面人字形柱、12米及14

米跨度的屋面箱形压型钢板是首次在中国应用。


关键词 岩溶地区 预应力混凝土 相贯焊缝 钢管桁架　　人字形柱　　压型钢板



一、 总述

广州新白云国际机场是国家重点工程，首期建设规模为年旅客吞吐量2500万人次，航站楼首期工程的建筑免职

约35万M2。场区的基本风压为0.45KN/M2，基本设防烈度为6度，抗震措施设防烈度为7度。航站楼建设方案及

初步设计由美国PARSONS公司和URS Greiner公司设计，施工图设计又广东省建筑设计研究院完成．航站楼建筑

群由伸缩缝自然分成四部分：主楼、东西共两栋连接楼、东西共四条指廊、东西共四条高架连廊，航站楼总平

面图见图1。


二、 基础工程概况

1、基础工程概况

广州新白云国际机场位于广州市白云去人和镇与花都区花东镇之间，距广州市中心海珠广场的直线距离为28

前木，地处珠江三角洲北部，为亚热带复盖型岩溶地区，水文地质条件极为复杂。混凝土楼盖的柱网为18M×

18M，主楼钢桁架的跨度为７６.９m，单柱的最大轴力约25000KN。在设计阶段完成了1052个地质勘察钻探孔，

在施工阶段完成了3146个超前钻探孔及施工检验孔根据地质资料揭示自上而下的土（岩）层为：（1）松散杂

填土、耕土；（2）可塑粉质粘土；（3）松散粗沙；（4）可塑――软塑粉质粘土；（5）松散砾砂；（6）软

塑――流塑粉质粘土；（7）灰岩。约有1/4的钻孔发现有土洞、溶洞或溶沟、溶槽越深，软土堆积约厚。场区

内最高的土洞高29米，最高的溶洞高22米，基岩的埋深为15~60米，大部分基岩的埋深为25~35米，基岩为微风

化石灰岩，岩石单轴饱和和抗压强度为26~178Mpa。石灰岩岩溶发 育，石芽、石柱、石墩、溶沟、溶槽、溶洞、落水洞等纵横交错，布满全区，岩石面之上，分布着能形成土洞

的软一流塑形软土。地下水主要为上部砂层的孔隙水和基岩裂隙水，富水性中等，两含水层之间有众多的水力

联系。地基条件存在多方面影响基础稳定性的因素。

2、浅基础的可行性及摩擦桩实验

初步设计时勉励多种基础方案选择，分别是天然低级浅基础、中等深度摩擦桩基础以及端承桩深基础。天然低

级的基础持力层为软土层，这些软弱土层的强度低，厚度大，工程性质差，需要对土层进行广泛的加固，并需

探明基础持力层范围内的土洞、溶洞及溶沟槽，再对这些岩溶进行填充加固。摩擦桩的基础持力层也是在较软

土层，为了检验各种摩擦桩的承载力，先后进行了多种摩擦桩的静载荷破坏试验。图2A是有钢桩靴的Φ500预

应力管桩,用35＃柴油锤锤击沉桩,桩长14米,桩底以下4米有土洞,桩端持力层为可塑粉质粘土,1#试桩单桩竖向

抗压极限承载力为300KN,破坏何在为548KN.图2B是2#试桩,距离1#试桩2米处用35#柴油锤打下一根没有桩靴的

开口Φ500预应力管桩,桩长同样为14米,沉桩后在桩端压入约1.53水泥浆2#试桩的单桩竖向抗压极限承载力为

900KN，破坏荷载为1023KN。

图3是桩侧压浆的6桩承台，同样为14米桩长的Φ500预应力管桩，用35#柴油锤沉桩，6桩承台一共压入14m3水泥

浆静载实验过程中沉降均匀，在最大实验荷载15000KN作用下桩顶累计沉降为18.34mm，6桩承台的竖向极限承载

力≥15000KN。


除此之外，现场还进行了静压管桩及夯扩灌注桩的静载试验。

综合这些试验，我们认为：在石灰岩岩溶地区，摩擦桩是一种可行的基础形式，普通的摩擦桩承载力低，不经济

摩擦桩可用后压水泥浆加固，单桩宜用桩底压浆，多桩承台用桩侧压浆的效果很好。为了防止沉桩过程土洞崩塌

及验证桩的承载力，沉桩机械宜采用静压桩机。采用天然地基或摩擦桩基础的主要缺点是地基的长期稳定性差，

如果附近发生长期的大规模取水，或者深层抽水，势必改变场区的水文地质情况，影响浅基础的安全于稳定。 除此之外，现场还进行了静压管桩及夯扩灌注桩的静载试验。

综合这些试验，我们认为：在石灰岩岩溶地区，摩擦桩是一种可行的基础形式，普通的摩擦桩承载力低，不经济

摩擦桩可用后压水泥浆加固，单桩宜用桩底压浆，多桩承台用桩侧压浆的效果很好。为了防止沉桩过程土洞崩塌

及验证桩的承载力，沉桩机械宜采用静压桩机。采用天然地基或摩擦桩基础的主要缺点是地基的长期稳定性差，

如果附近发生长期的大规模取水，或者深层抽水，势必改变场区的水文地质情况，影响浅基础的安全于稳定。 3、嵌岩桩设计

嵌岩端承桩是穿过土洞、溶洞及溶沟槽，桩嵌入微风化岩层。嵌岩桩的主要优点是：桩嵌入微风化岩层，受力

可靠，沉降小，受其他因素影响小。场地微风化岩层埋深一般为30米左右，岩层埋藏不深对嵌岩桩的施工有利

场区内岩溶大部分是岩溶裂缝以及高度小于1米的溶洞，连同的大溶洞不多，施工嵌岩混凝土灌注桩是可行的。

航站楼的主体结构决定采用嵌岩端承桩。在本工程，灌注桩的混凝土浇注并无太大问题，主要的困难是如何确

定桩终孔标高及如何穿越土洞、溶洞、溶沟槽。桩终孔标高由地质勘察孔、超前钻孔以及施工验孔决定。Φ14

00桩每桩做3孔超前钻，Φ1200及Φ1000桩每桩做2孔超前钻，Φ800及Φ600桩每桩做1孔超前钻或利用原有的地

质勘察孔，超前钻入岩6~9米，以确保桩底完全基岩厚度≥3d，若超前钻于是时的实际情况有较大差异，则在桩

施工时再做验孔检查。当灌注桩穿越土洞时，可抛填泥块或袋袋粘土填充土洞。当桩遭遇溶洞或溶沟槽时，在

抛填泥块的同时掺抛片石填充溶洞，若土洞或溶洞的高度较大，可采用钢护筒。钢护筒造价高，要求施工精确

在实际中应用不多。若岩面倾斜，可反复修孔、纠正无效再用抛填掺石块或片石的粘土处理。如遇塌孔，回填

粘土，加大泥浆比重，反复冲击造壁后，继续冲孔。桩孔附近常备200M3以上的泥浆及50M3以上的粘土泥块、石

块、片石，松散粘土用袋装好，以备应急救险使用。嵌岩桩全截面入岩1米，无遇到岩溶时，一根Φ1200桩工期

约为10天，其中入岩段需要3~4天，遇到岩溶或岩面倾斜，一根桩的工期约为一个月，遇到复杂的岩溶，一根桩

相对浅基础来说。深基础的工期长，施工困难。除施工原因外，影响嵌岩桩质量的不利因素是：


（1）桩端持力层范围内若存在洞顶厚度不大，又未被发现的小溶洞，会对桩基础的安全构成潜在的威胁。


（2）桩端持力层范围内的岩溶裂缝发育，岩石破碎，降低了持力层的岩石质量。


（3）场区内存在溶沟、溶槽、石柱、石墩、落水洞的边壁，这些边壁的高度一般为10~20米，有的在桩侧形成临

空面，影响桩的稳定性。我没蒽响应的设计措施是：（1）控制嵌岩桩的轴力本工程嵌岩桩的实际受力约为

桩承载力的70%。由于场地内竖向发育的溶蚀裂隙分布复杂，尽管进行了多次工程勘察，桩基施工中又采取

了多项有效措施，但仍有溶蚀裂隙和细小溶洞未被发现，在桩基抽芯检测时又被揭露。航站楼主楼冲孔灌

注桩的抽芯率达到13%，抽芯的桩有4%发现有溶蚀裂隙，岩芯呈半边溶蚀或者裂隙中可见溶痕、溶蚀或者裂

隙中可见溶痕、溶蚀现象，在一定程度上破坏了岩体完整性，使其整体的力学强度降低。溶洞、溶蚀裂隙

中有流动的地下水，溶蚀作用将使溶洞、裂隙的规模扩大，岩体进一步受损害。据推算，在100年内，石灰

岩的溶洞、溶蚀裂隙将在现有的规模上扩大约30~60MM，虽然此时溶洞、溶蚀裂隙侧壁的岩体不会因桩端施

压而破坏，但其整体力学强度有所降低。对这些在抽芯中发现的桩底持力层有缺陷的桩都做了静载试压，

静载试压合格周再加压注浆补强。考虑到种种的不利因素，桩的承载力留有较大富裕量是必要的。（2）

按建筑物的重要性及柱轴力的大小，我们采用了不同基础形式。主楼的屋盖结构是76米跨度的空间桁架，

地面以下有一层或而层地下室（地铁站），主楼柱的最大轴力为25000KN，主楼采用的是嵌岩桩--筏板基础

筏板厚1.4米及1.6米，采用后张有粘结预应力混凝土结构，底下室的挡土结构为钢筋混凝土地下连续墙。

航站楼的两翼，包括动西连接楼及东西指廊，屋盖为24~35米跨度的钢桁架，楼盖为18米及12米柱网的混凝

土结构，无地下室，最大轴力的柱为15000KN，采用嵌岩桩基础。航站楼的地面比原土面搞2~3米，地面结构

地下通道结构采用静压管桩基础。桩--筏基础的安全等级最好，嵌岩桩基础次之，摩擦桩的安全等级较低

（3）非桩- -筏基础的嵌岩桩，若发现桩侧形成较高的临空面，桩侧注浆，提高桩的稳定性。

4、航站楼桩基础工程简介

主楼最大的箱形柱截面为2500×4500mm，轴力为2500KN，柱下布置4根嵌岩桩，其余柱分别为单柱及双柱。两

翼连接楼中柱的轴力为15000KN，为3根嵌岩桩的基础，其余柱为单桩及双桩基础，指廊柱为单桩及双桩基础

嵌岩桩曾考虑过采用带钢护筒及硬合金钻头的干式成孔钻孔桩，后因国内这类桩机的数量太少而改为湿式成

孔泥浆护壁反循环冲孔灌注桩。航站楼工程冲孔数量约为2000根，桩混凝土量约为4万M3；静压管桩数量约30

00根，两类桩的总长度为140千米，平均每根桩长度为28米，Φ1200桩承载力为10000KN实际应用时约为7000K

N。静压管桩的承载力为600~1000KN。桩基础工程的施工工期从2000.5~2001.3，共约10个月。本工程岩面最

陡的一根桩Φ1400冲孔桩一侧入岩21米，另一侧入岩1米，岩面倾角为86o。施工最困难的一根桩，耗时96天

施工时冲锤被溶洞卡死，钢丝绳拉断，不得已的情况下派潜水员下桩底放炸药爆破，多次作业后才将冲锤取出。

相对桩来说，地下连续墙的施工要顺利得多，地下连续墙的主要功能是挡土及挡水，连续墙也承重及抗浮，

连续墙入微风化石灰岩500MM，无对墙底岩体完整性提出要求，连续墙围封后，降水顺利，效果很好。


5、航站楼桩基础工程检测简介

桩基础的质量检测分别为静载实验、抽芯、动测、超声波检测、桩混凝土试压等5种。

主楼冲孔桩共447根，静压管桩共681根。静载试压共进行4根，占冲孔桩总数的1.9%，4根静载试验桩的承载力

全部合格。抽芯桩59根，占冲孔桩总数的13%，抽芯桩的桩身混凝土全部合格。冲孔桩动测351根，占冲孔桩的

78.5%，检测桩全部合格。其中I类桩占76.35%。超声波检测38根，占Φ1200及Φ1400桩总数的18.7%，全部合格

其中I类桩占94.74%。桩混凝土试压447组，全部合格，平均强度44.76%Mpa。主楼 冲孔桩的检测率为100%，每一根桩都经过静载、或者抽芯、或者动测、或者超声波检测。静压桩动测76根，占

全部静压桩总述的11.2%全部合格，其中I类桩占88.76%。两翼桩的检测密度少于主楼，检测全部合格。从检测

结果看，桩的质量良好。

三、 混凝土结构设计

1、 混凝土结构工程概况

主航站楼长325M，宽235M，地下局部2层，柱网18M×18M，建筑面积约14万M2，地下部分地下部分不分缝，混凝

土结构的最大长度325M，地面以上用三道伸缩缝把主楼混凝土平面分成6个结构单元，混凝土结构的最大长度为

96M。东西连接楼每翼各位450M×62M，地上3层，柱网18M×18M，两翼连接楼的总建筑面积约12万M2，每翼用三

道伸缩缝把混凝土平面分成4个结构单元，每个结构单元的长度为108M。东一西一指廊每翼约360M×34M，东二

西二指廊每翼约252M×34M，地上三层，柱网12M×12M，指廊的总建筑面积约9万M2。东一西一指廊用三道伸缩

缝把混凝土平面分成4个结构单元长度为84M。主楼剖面图见图4




连接楼剖面图见图5，指廊剖面图见图6。主楼地面以上混凝土结构工期为2001.8~2002.1，东西两翼混凝 土结构工

期为2001.11~2002.4。航站楼混凝土结构的特点是结构单元长、柱网大。主框架梁的高度为1M，宽度分别为2M、2.5M、

3.0M，为宽扁梁结构。主楼负二层基础筏板的板厚1.6M，体积约9000M3，主楼负一 层两块基础筏板的半后.4M，每块

的体积约13000M3，为大体积混凝土板。


在航站楼的混凝土结构中，我们全部采用了后张部分预应力混凝土结构，其中框架梁采用有粘结预应力混凝土结

构，次梁采用无粘结预应力混凝土结构，楼板采用钢筋混凝土结构，主楼的基础筏板采用有粘结预应力混凝土平

板结构，主楼及连接楼框架梁为沿平面加腋的宽扁梁结构，主楼及连接楼的混凝土框架及不承受水平力的框架结

构。混凝土强度等级为C40，预应力筋采用低松弛高强度钢绞线，强度等级为1860Mpa。



2、 后张有粘结与无粘结预应力混凝土结构



本设计在框架梁中采用了用了有粘结预应力混凝土结构（BPCS），次梁采用了无粘结预应力混凝土结构（UPCS）。

目前，现浇预应力混凝土结构一般采用后张法，后张预应力施工分为有粘结及无粘结两种。BPCS靠灌浆实现有粘

结，UPCS靠端锚建立预应力。有粘结筋的最大应力出现在最大弯矩截面处，破坏时临界截面有粘结筋的应力。有

粘结筋的应力非常接近钢筋的界限强度FPU，无粘结筋的应力沿全长几乎相等，构件破坏时，无粘结筋的英里总是

低于条件屈服点FP，0.2，预应力钢筋应力随荷载变化曲线见图7。由于无粘结筋的应力沿全长几乎保持相同，预

应力钢筋的非弹性性能即构件的能量消散不能得到充分发挥，限制了UPCS在地震区矿家结构中的应用。有粘结预

应力结构的极限强度高，抗震性能该，使用于框架梁 。本工程框架梁的预应力度λ= ≤0.7。无粘结预应力结构

施工简单，适合数量多、吨位不大的次梁。次梁不需要抵抗地震力，可以采用无粘结预应力结构。混凝土楼盖采

用不同的预应力结构，充分



发挥了有粘结结构及无粘结结构的优点。



3、 单向板体系楼盖



本工程混凝土楼盖采用单向板结构。单向板方案采用18M跨度的次梁，次梁的间距为3M，沿结构单元的长向布置，

利用次梁的预应力筋抵抗超长混凝土的伸缩应力。由于只有一个方向有次梁，次梁中的预应力值较大，可以有

效的解决超长混凝土结构的抗裂度，主框架梁采用的是宽扁梁，一个方向的宽扁梁的梁柱接 点形式比较简单。

方案设计时亦考虑过采用井字楼盖的双向板方案，双向板方案的优点是利用了两个的框架梁受力，框架梁的负担

小，楼盖的两个方向都有预应力，提高了楼盖的抗裂性能。缺点是两个方面的宽扁梁节点受力复杂，节点的用钢

量多；沿结构单元长向的次梁需多配预应力筋以抵抗超长混凝土的伸缩应力。用钢量较单向板方案多，施工也较

单向板方案复杂。最后采用的是单向板方案，主框架梁截面为2000×1000MM在支座处梁宽加腋至2500×1000M或

3000×1000MM，与次梁平行的框架梁为500×1000MM，次梁为300×1000MM，楼板厚120MM。


4、 不承受水平力的混凝土框架梁结构


不承受水平力的混凝土框架最适合采用后张预应力混凝土结构。后张预应力混凝土梁通常将预应力筋布置成

抛物线形状，这样的力筋最适合承受竖向均布荷载。由于正反方向的水平荷载会产生支座处的正负弯矩，因

此抛物线形状的力筋不适合承受水平力，一般是用抛物线形状的预应力筋抵抗竖向荷载，用直线形状的上下非

预应力筋抵抗水平力。在框架结构中，非预应力筋占总用钢量70%以上，如果框架不受水平力，这个结构的非

预应力钢筋的用量可以降至最低。国外有的不承受水平力的有粘结预应力框架的用钢量非常低，有的梁甚至不

配纵向非预应力钢筋，广州新机场地处抗震烈度6度毒，设计中不计算地震力；风荷载是通过玻璃木强系统的

桁架传至屋盖钢桁架的下弦，再传至2500×4500MM的超级混凝土箱形柱，箱形柱壁厚为500，超级混凝土箱形

柱与混凝土楼盖脱离，使混凝土楼盖不承受水平力，而检举为3M的次梁集中重使垂直荷载近似于均布荷载，非

常适合采用抛物线形状的手张预应、力筋，这种不承受水平力的混凝土框架结构的设计，使大跨度的混凝土框

架的用钢量降至最低。


5、 梁柱节点


本工程混凝土结构采用了三种梁柱节点形式，分别是：


（1） 梁柱同宽节点及柱比梁宽节点；


（2） 大部分钢绞线及纵向钢筋通过柱的宽扁梁节点；


（3） 大部分钢绞线及纵向钢筋在柱外通过的宽扁梁节点。


第（1）种节点梁的纵向钢筋全部通过柱，是一种传统的框架梁柱节点，受力可靠，抗震性能好，结构简

单，用钢量少。第（2）种节点柱载面为Φ1200，沿次梁平行方向的框架梁截面为500×1000MM，宽扁梁

60%以上的钢绞线及纵向钢筋通过柱。第（3）种节点柱截面为Φ1200，沿次梁平行方向的框架梁截面为

500×1000MM，主框架跨中截面为2000×1000MM，支座处加宽至2500×1000MM及3000×1000MM，约40%以

上的钢绞线及纵向钢筋通过柱。节点分为内外核心区，共同受力传递平衡梁柱节点弯矩。宽扁梁设计的

关键是：（A）、内外核心区能否共同工作；（B）、外核心区的抗扭承载力。宽扁梁节点构造如图8。由

于大部分的纵向钢筋在柱的外侧通为了减少对抗震性能不利的影响，主楼的梁柱节点处加了柱帽。


四、 钢结构设计

1、 钢结构工程概况

主楼长325M，宽235M，其中平面又二片反向的圆弧形带组成，见图9。主楼南北两侧钢无该的支承构件是一排

由3Φ273×16圆钢管组成的三角形变截面人字形组合柱，人字形柱的两端铰接，使柱的受力最小，以期取得修

长轻巧的建筑效果。人字形柱的柱顶高度从东西二端的14.7M升高到中间的35.7M，由里向外倾斜。主楼的内部

设置了二排巨形变截面混凝土箱形柱，由于主楼脊骨结构（spine structure）的两侧是刚度及约束都较小的人

字形铰接柱，在脊骨结构的内部设计刚度较大的抗侧力柱是必要的。巨形柱的柱距为18M，在基础处的截面为25

00MM×4500MM，刚接于基础，承受全部水平力。主楼的屋盖为近似的几何球形，巨形柱的柱顶高度又东西二端的

21M上升到中间的41.9M。主楼采用三角形钢管桁架结构，跨度为76.9M，桁架高度为5M，两端铰接支承在人字形

柱及混凝土巨形柱上，主桁架在人字形柱以外的南北方向悬挑7~23M。主桁架两上弦杆的间距从人字形柱处的

3.8M变化到巨形柱处的5.25M，弦杆为508×16~25MM，腹杆为Φ245×7.1~12MM。腹杆在下弦杆交汇点的间距为

6.35M。主桁架之间的屋面结构是14M跨度的箱形压型钢板，主楼屋盖共设置了二道伸缩缝，伸缩缝采用悬挑结

构，这时箱形屋面压型钢板悬挑7M，这种箱形压型钢板除了作为结构板外还兼作屋盖支撑，整个屋面简洁美观。

为了增加 建筑外观的造型变化以及满足采光要求，主桁架在巨形柱处上升为一个拱型桁架采光带，采光带的宽

度由中间的20M变化到东西二端约50M，采光带是玻璃纤维张拉膜结构。主楼的屋盖透视图见图10。


图9 连接楼分为东西连接楼，每翼连接楼的平面为450×62M，地上三层，用三道伸缩缝将混凝土楼盖分为四段，

用二到伸缩缝将屋面分为三段。连接楼的柱距为18M，典型的钢桁架见图11。三角形圆管桁架的弦杆为3

Φ245×12~16MM，腹杆为Φ127×6~12MM，桁架的高度2.8M，上弦杆的间距为3M。主桁架一端落地，另一

端支承在由3Φ168×12.5MM的钢管组成的变截面人字形组合柱上，与主楼人字形柱子不同的是，连接楼的

人字形柱是从外向里倾斜的。主桁架在跨中位置支承于1M直径的钢筋混凝土圆柱上，从落地端到混凝土柱

的跨度约25M，从混凝土柱到人字形柱的跨度约30M，再悬挑约7M。连接楼的屋面是有檩体系。屋面板是

层压型钢板，部分屋面为玻璃纤维张拉膜。整个屋面沿纵向设置了5道次桁架，次桁架即支承檩条也是屋盖

的支撑，在屋盖伸缩缝处设有X形的支撑。




东一西一指廊的平面为360mX38.8m，东二及西二指廊的平面为252mX38.8m。指廊为三层建筑，柱距为

12m。混凝土楼盖的伸缩缝间距为96m。钢屋盖的伸缩缝间距为126m。与主楼相同，屋盖伸缩缝采用悬挑结

构，在伸缩处悬挑6m指廊屋盖钢桁架采用方钢管平面桁架，主桁架跨度24m，支承于钢筋混凝土柱子上，两

端各悬挑7.4m。混凝土柱的高度为23.6~12.6m。主桁架高2.2m，弦杆为口250X12~16mm，腹杆为口160~180

X6~8mm，屋面为1.6mm及2.0mm厚和箱形压型钢板。指廊屋盖在混凝土柱顶设有2道纵向支撑。东西高架连

廊为二层钢结构，连接主航站楼和连接楼。高架连廊的宽度为13~16m，跨度为54m，两端带有4.5m~7.0m的

悬挑，屋面标高为20~40m，屋面为玻璃纤维张拉膜，楼盖为型钢梁及压型钢板――混凝土纵使组合楼板。

高架连廊为口400mm及口500mm的方管钢桁架，支承于1078X461X70X125mm的焊接H型钢柱上。高架连廊的高

度高，跨度大，宽度窄，对抗水平力非常不利，在航站楼的四建筑物的单位用钢量中，高架连廊的用钢量

最大。高架连廊典型桁架见图12。

2、屋盖的结构分析与荷载

大跨度的屋盖自重较轻，本工程为6度设防，结构分析中不考虑地震作用，屋盖的最主要荷载是风荷载。

风荷载按中国规范取值，最大风压的重现期取100年。主桁架的计算考虑风振系数，风振系数由水平风力

和竖向风力作用下结构动力计算得到。屋面板的计算考虑正风压的峰值及负风压，风压的峰值及风荷载的

内压力、内吸力由风洞试验确定。根据风洞试验结果，中央高四角低的近似几何球形屋面对于抗风较为有

利，主楼的四角有长达23m 的悬挑，悬挑部分的负风压是主桁架的控制荷载之一，近似的球形屋面使四个

角的负风压最小。


结构的整体计算采用美国结构分析与设计程序STAAD，并用同济大学空间钢结构计算程序3D3S及美国

MARC公司大型通用有限元程序Marc进行验算比较，节点有限元分析及人字形柱的有限元分析采用ANSYS程

序。空间计算模型由Autocad三维模型线框图转换而成。桁架弦杆、腹杆采用柱单元（考虑轴向、弯曲、

剪切和扭转变形），宽翼缘工字钢及角钢采用梁单元（只考虑弯曲和剪切变形），屋面板及人字形柱上钢

板采用薄壳单元（只考虑拉伸和剪切变形）。承载能力的验算满足中国规范及美国规范的要求。

3节点设计


广州新白云国际机场航站楼的钢管桁架节点形式很多，主楼和连接楼主要是圆管节点，指廊和高架连

廊是方管节点，节点分为支座节点及相贯连接节点。节点的设计及承载力计算主要参考了J.A.Packer、

J.E.Henderson、J.J.Cao（曹俊杰）著《空心管结构连接设计指南》（科学出版社，1997，北京）中所提

供的空心管焊接接头方法及计算公式。相贯连接节点的失效模式有：（1）弦杆表面塑性失效；杆表面冲

剪失效；（3）受拉腹杆拉伸破坏；（4）受压腹杆局部屈曲；（5）弦杆在间隙处剪切破坏；（6）在受压

腹杆作用下弦杆侧壁局部屈曲；（7）受拉腹杆背面弦杆表面局部屈曲。承载力的计算应该保证节点不出

现上述各种失效模式。


本工程相贯节点主要的构造措施是圆管采用间隙接头，方管采用搭接接头。采用间隙接头的优点是腹杆与

弦杆有全周焊缝，节点的抗剪承载力高；缺点是节点有偏心弯距，降低了弦杆的轴向承载力。由于圆管为

马鞍型坡口，圆管节点需整体安装焊接，如果腹杆搭接，被搭接腹杆相接于弦杆的趾部为隐藏区不能焊接，

因此圆管节点应避免全搭接接头，圆管节点也应尽量避免采用KT节点或有较多杆件交于一点的节点。方管

及矩形管为直线坡口，其搭接接头可先焊接一次相贯的全周焊缝，再安装焊接二次相贯的焊缝，这样的搭

接接头刚并大，承载力高。当然，方管及矩形管也可以采用间隙接头，这时施工较为简单。本工程贺管腹

杆在弦杆的交汇处设计有离开弦杆中心线50~70mm的正偏心和沿弦杆方向30mm的偏心，避免了双K节点的腹

杆搭接。高架连廊及指廊的方管KT节点腹杆有部分搭接，施工时先焊接受力较大的斜腹杆，斜腹杆与弦杆

相交处为全周焊缝，然后再焊接受力较小的直腹杆，直腹杆焊在弦杆及斜腹杆上。间隙接头及搭接接头大

样见图13。主楼及连接楼下弦杆两端支座处，部位重要，相交的杆件多，受力大，设置了1m长的实心钢棒。

另外，有个别的空心管接头节点承载力不足，我们分别采用了：（1）在弦杆外焊加强板，施工简单，可

用于受拉或受压弦杆，但影响外观；（2）在弦杆内加穿心板，施工复杂，不影响外观，可用于受拉或受

压弦杆；（30用混凝土填充节点，施工复杂，不影响外观，可用于受压较大的弦杆。

4、人字形柱的应用与试验

人字形柱是由3根圆钢管组砀三角形变截面格构式组合柱。柱的两端钢管相贯连接，在柱的中部3根钢管换

汤不换药成三角形格构式柱，其三角形纵使截面设计成沿长度线性变化，各柱的变化斜率相同，柱的外形

呈两头小中间大的榄核形，3根圆钢管由厚度30mm的钢缀板连接。人字形柱的精确计算很困难，柱的两端钢

管截面相贯，截面削弱大，人字形柱是倾斜设置的，自重造成的初始偏心自然存在，人字形柱的长细比一般

比较大，加上制作误差等因素，初始偏心对长柱的影响较大。我们请清华大学结构工程研究所对主楼19m、23m、

29m三根人字形柱用弹塑性大挠度有限元法Ansys程序分别按无初始偏心及按L/500初始偏心进行计算，并进

行足尺模型破坏试验，其结果如下：

　　　　 5、　273X16mm人字形柱极限承载力

柱长（m） 柱中截面处管中距（mm） 荷载设计值（KN） 不考虑初始偏心的极限承载力计算值（KN） 考虑

L/500初始偏心极限承载力计算值（KN） 足尺试验的极限承载力（KN） 足尺试验时制作误差 试验与L/500

初始偏心计算值的差值

29.465 1135 1344 5290 3740 3820 L/1000 2.14% 22.922 830 1984 5940 5070 5300 L/1000 4.54% 18.985 654 2979 6520 6400 6300 L/190 1.56%

初步结论是：

（1） 初始偏心对短柱的影响小，对长柱的影响大，柱的承载力由整体稳定性控制；

（2） 不同长度的柱，其破坏形式相似，破坏点约在离两端0.3L处。柱子两端相贯截面削弱不起控制作用，超

过弹性极限后，截面削弱加速承受柱荷载――位移曲线的非线性将就，最后破坏为屈折破坏； （3） 按L/500初始偏心计算结果与试验结果吻合；

（4） 增大人字形柱　的钢管中距对改善整体稳定有利，增加横隔板对改善局部稳定有利，增大钢管的外径或

壁厚对改善柱子的整体稳定及局部稳定有利；

（5） 可以考虑根据荷载――位移曲线，取柱的弹性极限承载力为柱　承载力设计值。

6、屋面箱形压型钢板的应用与试验


钢板为Q235C镀锌钢板，按跨度及风荷载的变化分为1.2mm、1.5mm、1.6mm 1.9mm.、2.0mm五种。这种箱形压型

钢板是冷弯薄壁结构，首次在我国制造及应用。压型钢板分上下两种轧制成型，再焊成箱形，在箱形空腔内加

保温吸音材料，亦可按需要在空腔内加型钢。压型钢板的下表面按声学要求开孔，孔径3mm。开孔率约8%，孔壁

复涂冷镀锌防腐。这种压型钢板集结构承重、屋盖支撑、建筑吸音、吊顶装饰等功能于一身，外观简洁美观，

是目前跨度最大的屋面压型钢板。跨度14m的压型钢板在同济大学做了3组共9个试件的荷载破坏试验，跨度12m

的压型钢板在天津大学做了2组共6个试件的荷载破坏试验，试验结果台下：

组合压型钢板荷载试验

跨度（m）

板厚（mm） 换算极限均布荷载（KN/m2） 挠度为L/200时换算极限均布荷载（KN/m2）

14 1.2 2.64 1.59

14 1.55 3.55 1.75

14 1.79 5.07 2.27

12 1.60 5.08 3.56

12 2.0 6.73 4.00 结论为：

（1） 组合压型钢板的破坏形式为跨中上翼缘受压换稳破坏，破坏前刚度呈线性减小，变形增大，破坏

时腹板两侧鼓出，最后换稳破坏。 （2） 箱形压型钢板的承载力及刚度均超过设计要求，是一种承载力高、刚度大的屋面大跨度结构。 （3） 破坏时腹板的剪应力及剪应变都比较小，与破坏无关。

（4） 上下板之间的电阻点焊抗剪强度满足要求，压型钢板屈服前无焊点断裂，屈服后仅极小焊点因板

边变形过大而拉开。

（5） 试验结果的离散性很小，一组三个试件最大值与最小值相关不超过2%，压型钢板的质量均匀，试验

可靠。

6、材料与用钢量


广州新白云国际航站楼钢结构用量约2.1万吨（未包玻璃幕墙桁架，未包屋面板、未包损耗，连损耗施工

结算用量约2.35万吨），屋面板的复盖面积约16.5万m2，屋面板用钢量约5500吨，整修航站楼钢结构平均

用钢量约127kg/ m2屋面板用钢量约为33 kg/ m2，二者合计约160 kg/ m2。其中主楼钢结构用量为135 kg

/ m2（包括钢柱），连接楼为120 kg/ m2（包括钢柱），指廊为85 kg/ m2（包括登机桥固定端连接口的

竖向结构系统），每条高架连廊用钢量约为900吨。经总量2.1万吨钢材中，圆钢管的用量约8千吨，方钢

管用量约6千吨，轧制及焊接的型钢约5千吨，钢板及螺栓、拉索等约2千吨。广州新机场的钢材采用国际

招标的方式采购，钢管及型钢主要为进口钢材。钢管采用欧洲标准EN10210的S355J2H热成型高频电焊管，

原产国英国。热　轧及焊接型钢采用美国标准ASTM　A36钢及A572Grade50钢，原产国英国、卢森堡、日本。

屋面板采用中国标准Q235C镀锌钢板，原产地上海及台湾。有部分钢管及钢板采用国产Q345B钢。

钢管采用焊接管的主要优点是：（1）比无缝管便宜。（2）焊管由50米长的钢板卷制而成，可按需要切割成

各种长度尺寸，损耗少。无缝的长度一般为12米，切割成各种需要的长度时损耗较大。采用热　成型方管的

主要优点是：（10热成型钢管的残余应力较小，在受压时的强度比冷成型管要高8%~10%。（2）热成型方管转

角部位的弧度，对相贯焊缝的加工较容易。（3）热　成型方管的截面面积及抵抗矩比冷成型方管略大。

7、焊接

本工程焊接计算及要求参加了美国标准ANSI/AWSD1.1：2000《钢结构焊接规范》。钢管拼接为全熔透对接

焊缝，焊缝质量等级一级。钢管相贯焊缝采用全熔透坡口焊缝，焊缝质量等级为二级，允许局部的未熔透

缺陷，允许的未熔透缺陷按《焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》（JG/T303.1－1996）进

行超声波探测。斜腹杆小于750的趾部区的相贯焊缝为部分熔透坡口焊缝，焊缝质量等级为三级。钢管焊接

采用手工电弧焊，平板件焊接采用CO2气体保护焊。

高架连廊的16根1078X461X70X125mm焊接H型钢，钢材为美标A572Grade50钢，厚度方向要求为Z25级，为了

防止厚钢板由于焊接而导致的层状撕裂，减少焊接变形，主要采取了：（1）厚钢板的对接采用双U型坡口

埋弧自动焊，厚钢板的对接只允许长度方向对接。焊前预热至1500C，焊后后热，后热温度由试验确定。

（厚钢板的T型焊接为带钝边的双面丁型坡口全熔透焊缝，焊缝质量等级为一级。焊缝采用埋弧自动焊，

焊前预热至1500C，多道多层焊接，每焊完t/6厚度焊缝后，翻身焊另一侧反面焊缝，循环反复，直至焊至

要求的焊缝高度，焊后进行后热及保温处理。

屋面箱形压型钢板为1.2~2.0mm厚的镀锌钢板，上下压型钢板之间的连接为间距50mm的电阻点焊，压型钢板

与6mm厚的封土板焊接为熔化极气体保护焊，压型钢板的现场安装为手工电弧焊。

8、涂装设计

防腐设计的年限是30年，按照室内外不同环境，采用不同的防腐涂装。室外钢结构的防腐涂装配套是：喷

砂除锈Sa3.0级→电弧喷铝150μm→环氧树脂封闭漆30μm→ 环氧云铁中间漆100μm→丙烯酸聚胺脂面漆

60μm。室内钢结构防腐涂装配套是：喷砂除锈Sa2.5级→无机富锌底漆80μm→环氧树脂封漆30μm→环氧

云铁中间漆100μm→丙烯酸聚胺脂面漆60μm。室内钢结构在离混凝土楼盖或地面8m以内作防火保护，耐

火极限2小时，超薄型防火涂料的厚度为2mm.

9、吊装

主楼采用胎架分级滑移就位法，南北桁架就位后再拼装。楼采用半榀桁架吊机吊装，现场高空拼接。指廊

采用整榀桁架吊机吊装。高架连廊采用下部桁架吊机吊装，上部桁架分单元现场拼装。航站楼的钢结构制

作及吊装工期为2002年2月－2002年9月、

五、结语

广州新机场是中国目前在岩溶地区兴建的规模最大的民用公共建筑，我们在所做的磨擦桩试验是一组很

完整的试验，可为研究者参考，航站楼混凝土框架结构为预应力结构及宽扁梁结构，本工程采用的不承

受水平力的大跨度预应力混凝土结构，是比较独特的设计构思。广州新航站楼是中国目前规模最大的相

贯焊接空心管结构工程，其中16米~37米高的三角形变截面人字形柱、12米及14米跨度的屋面箱形压型

钢板是首次在中国应用。广州市新机场航站楼的建设规模大，科技含量高，其设计及施工经验可为类似

工程提供有益的参考及借鉴。

The Strycture Design of the Terminal Building in

Guangzhou New Baiyun International Airport

LI ZHEN ZHANG WU GUO HUA

(THE ARCHITECTURAL DESIGN AND RESEARCH INSTITUTE OF GUANGDONG PROVINCE 510010)

ABSTRACT The structure design of the terminal building in Guangzhou New Baiyun International

Airport is introduced . In the building, the rocky cast-in-placd crocrete piles were used,

the post prestressed concrerte was applied in the floor systems and the intersecting welded

structural hollow section were adopted to the whole roof . The terminal building will be

the largest scale hollow section welded joints structure and the largest civil architecture

located in a karst strong developed area in China. The triangle varing herringbone columns

with the height of 16m~37m and the roofing box ribbed deck with 12m and 14m span were first

applied in the country.

KEY WORDS karst area, prestressded concrete, intersecting weld, steel tubes truss,

herringbone colrmn , profiled sheet.