北京新機(jī)場航站樓隔震設(shè)計(jì)與應(yīng)用

束偉農(nóng) 朱忠義　張　琳　祁　躍　秦　凱

北京新機(jī)場航站樓隔震設(shè)計(jì)與應(yīng)用

束偉農(nóng) 朱忠義張琳祁躍秦凱

束偉農(nóng)，教授級高級工程師，1985年畢業(yè)于東南大學(xué)土木工程系，獲結(jié)構(gòu)工程學(xué)士學(xué)位，1988年獲東南大學(xué)土木工程系工學(xué)碩士學(xué)位。中華人民共和國一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。現(xiàn)任北京市建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司結(jié)構(gòu)總工程師。長期從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，代表性工程有：首都機(jī)場T3航站樓、昆明長水國際機(jī)場航站樓、北京電視中心、中石油大廈、深圳福田體育公園、全國人大機(jī)關(guān)辦公樓、全國人大常委會議廳改擴(kuò)建、僑福芳草地、北京銀河SOHO、珠海歌劇院、北京CBD-Z15、北京CBD-Z6、西安國際金融中心、北京新機(jī)場航站樓等，并參編了多項(xiàng)國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)程。獲得的主要獎(jiǎng)項(xiàng)有：全國優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)10項(xiàng)；北京市優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)20項(xiàng)；全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)獎(jiǎng)15項(xiàng)；北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

項(xiàng)目概況

北京新機(jī)場位于北京市南部永定河北岸，北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)、榆垡鎮(zhèn)和河北省廊坊市廣陽區(qū)之間，屬國家重點(diǎn)工程。

航站區(qū)主要包括航站樓及綜合換乘中心、停車樓和綜合服務(wù)中心等三個(gè)主要的建筑單元。航站區(qū)總用地面積約27.9 公頃，南北長1753.4 m，東西寬約1591 m，總建筑面積約143萬平方米（含地下一層），其中航站樓建筑面積約80萬平方米，綜合服務(wù)樓建筑面積約13萬平方米，停車樓建筑面積約26萬平方米，軌道交通建筑面積約23萬平方米。

圖1　航站樓鳥瞰

航站樓混凝土結(jié)構(gòu)南北長996 m，東西方向?qū)?144 m，由中央大廳、中央南和東北、東南、西北、西南五個(gè)指廊組成，中央大廳地下二層、地上五層，其他區(qū)地下一層，地上二到三層。

主體建筑航站樓由中央主樓和五條互呈60°夾角的放射狀指廊構(gòu)成（圖1），在航站樓以北的中軸線上是旅客綜合服務(wù)樓，在綜合服務(wù)樓的東西兩側(cè)是兩棟停車樓，綜合服務(wù)樓的平面形狀與航站樓的指廊相同，由此與航站樓共同形成了一個(gè)形態(tài)完整的總體構(gòu)型，該構(gòu)型外包直徑為1200 m（圖2），航站區(qū)的各建筑都包羅在了這個(gè)圓形之中。

北京新機(jī)場航站樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為8度，相應(yīng)的設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g；建筑抗震設(shè)防類別為乙類；建筑場地類別為Ⅲ類；設(shè)計(jì)地震分組：第一組，特征周期：0.45 s；本場地地基土層地震液化程度判定：輕微-中等液化。

圖2　航站樓平面尺寸及標(biāo)高圖

結(jié)構(gòu)體系

航站樓主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體混凝土結(jié)構(gòu)分為19個(gè)單元（圖3），單元之間的分縫在地下按伸縮縫和沉降縫設(shè)置，地上按抗震縫設(shè)置，混凝土柱網(wǎng)為9 m×9 m和9 m×18 m。中央大廳（C區(qū)）長寬兩個(gè)方向的尺度較大（518 m×395 m），建筑功能復(fù)雜，屋頂鋼結(jié)構(gòu)支承條件復(fù)雜，采用隔震措施，隔震目標(biāo)為降低一度。

為滿足建筑布局靈活多變的功能要求。經(jīng)綜合考慮，航站樓主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土柱均為圓柱。主樓混凝土結(jié)構(gòu)樓板均采用鋼筋混凝土全現(xiàn)澆主次梁樓蓋體系。

航站樓屋頂投影面積約為35萬 平方米，南北長約1000 m，東西寬約1100 m，屋頂及支承屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。航站樓上部鋼結(jié)構(gòu)分為6個(gè)區(qū)（圖4），包括主樓C區(qū)、西北指廊WN區(qū)及東北指廊EN區(qū)，中央指廊CS區(qū)，西南指廊WS區(qū)和東南指廊ES區(qū)。

圖3　混凝土結(jié)構(gòu)分段示意圖

圖4　鋼結(jié)構(gòu)分段示意圖

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合放射型的平面功能，主樓C區(qū)在中央大廳設(shè)置六組C型柱，形成180 m直徑的中心區(qū)空間，在跨度較大的北中心區(qū)加設(shè)兩組C型柱減少屋蓋結(jié)構(gòu)跨度；北側(cè)幕墻為支撐框架，可以給屋蓋提供豎向支承及抗側(cè)剛度，同時(shí)設(shè)置支撐筒，支撐筒頂與屋蓋連接處按照方案比選結(jié)果采用不同的連接方式，為主樓C區(qū)屋蓋提供可靠豎向支承和水平剛度。指廊區(qū)由布置在采光頂兩側(cè)的鋼柱和外幕墻柱形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，如圖5所示。

圖5　C區(qū)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋及支承體系示意圖

隔震設(shè)計(jì)

隔震層的選擇

由于支承鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的是C型鋼柱和鋼支撐筒，如果在C型鋼柱和鋼支撐筒頂設(shè)置隔震支座，大屋蓋受地震作用產(chǎn)生的水平剪力通過隔震支座傳遞到C型鋼柱上，對C型柱的穩(wěn)定性不利。而且，由于屋蓋重量僅占整體結(jié)構(gòu)的7%，采用屋蓋隔震意義不大。因此，隔震層不布置在C型鋼柱和鋼支撐筒頂部。

C區(qū)地下室局部有高鐵和地鐵穿過，設(shè)有地下二層，沒有高鐵和地鐵穿過的部分沒有地下室，為結(jié)構(gòu)架空層，基礎(chǔ)底標(biāo)高不在同一個(gè)標(biāo)高上，無法實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)隔震，因此采用在地下室頂板處進(jìn)行層間隔震。隔震層局部剖面如圖6所示。

圖6　C區(qū)隔震層局部剖面示意圖

隔震目標(biāo)

隔震預(yù)期目標(biāo)為將隔震層上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用及有關(guān)的抗震措施按照降低1度（即7度）設(shè)計(jì)，豎向地震作用及抗震措施不降低。

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（以下簡稱“抗震規(guī)范”）的規(guī)定，水平向減震系數(shù)為：

隔震層的布置及參數(shù)

隔震層由鉛芯橡膠隔震支座、普通橡膠隔震支座、彈性滑板支座和阻尼器組成，隔震支座共計(jì)1152個(gè)。對于豎向反力較大處，采用彈性滑板支座。共布置160個(gè)阻尼器，阻尼系數(shù)1250 kN/（m/s）1.0，阻尼指數(shù)1.0。隔震支座布置如圖7所示，阻尼器布置如圖8所示，隔震支座參數(shù)如表1所示，彈性滑板支座參數(shù)如表2所示。

圖7　橡膠支座布置示意圖

圖8　阻尼器布置示意圖

表1　隔震支座參數(shù)列表

表2　彈性滑板支座參數(shù)列表

地震輸入

根據(jù)地震安全性評價(jià)報(bào)告中提供的地震動(dòng)參數(shù)，中震和大震分析分別選用5條天然波和2條人工波進(jìn)行地震輸入，地震波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均符合抗震規(guī)范相關(guān)規(guī)定。

主樓隔震分析結(jié)果

在設(shè)防烈度地震作用下，7條地震波的各層平均水平地震減震系數(shù)均小于0.4（圖9），滿足預(yù)期減少1度的目標(biāo)。

在恒荷載+0.5倍活荷載下，隔震墊的最大壓應(yīng)力為11.9 MPa，小于12 MPa；滑移隔震橡膠支座最大壓應(yīng)力為20.7 MPa，小于25 MPa，滿足抗震規(guī)范要求。

在恒荷載+0.5倍活荷載下，隔震墊的豎向變形最大變形值為3.9 mm，相鄰橡膠墊相對變形最大值為1/3333。

在罕遇地震作用下，隔震支座的水平變形如表3所示，X主向地震作用輸入時(shí)，最大水平變形為591 mm，Y主向地震作用輸入時(shí)，最大水平變形為585 mm，滿足隔震支座變形的要求。阻尼器的設(shè)置有效地減小了罕遇地震下的水平變形。

圖9　各層水平地震減震系數(shù)圖

表3　罕遇地震下隔震支座水平變形（mm）

在罕遇地震作用下，鉛芯支座與普通橡膠支座最大壓應(yīng)力為22.7 MPa（圖10），小于30 MPa。滑移隔震支座最大壓應(yīng)力為39.5 MPa，滿足《減震隔震彈性滑板支座》（GB 20686.5—2014）50 MPa的要求；所有支座最大拉應(yīng)力0.2 MPa，小于1 MPa。

地震輸入下，隔震層以上各層層間側(cè)移比如圖11所示，最大層間側(cè)移角發(fā)生在第一層，平均值為1/384，滿足抗震規(guī)范要求。

在地震輸入下，隔震層以下各層層間側(cè)移比如表3所示，地下一層X向?qū)娱g側(cè)移比為1/1224，地下二層X向?qū)娱g側(cè)移比為1/2100。

圖10　地震作用下隔震支座壓應(yīng)力分布圖

圖11　地震作用下隔震層以上各層層間側(cè)移比

表3　地震作用下隔震層以下各層層間側(cè)移比

上部鋼結(jié)構(gòu)隔震分析結(jié)果

上部鋼結(jié)構(gòu)減震系數(shù)如表4所示。隔震后，鋼結(jié)構(gòu)減震系數(shù)X向0.30，Y向0.29，均小于0.40，水平地震作用可降低1度。

選取屋蓋圖12節(jié)點(diǎn)位置評估地震作用下的鋼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在水平X向地震作用下，非隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較明顯，扭轉(zhuǎn)位移比1/3283。隔震后結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯減弱，扭轉(zhuǎn)位移比1/15365，減小約79%。

選取屋頂鋼結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)，評估罕遇地震作用下屋頂鋼結(jié)構(gòu)的加速度，X向輸入地震作用，加速度峰值均值為1.35 m/s2，Y向輸入地震作用，加速度峰值均值為1.63 m/ s2。與輸入大震峰值加速度4 m/s2相比，隔震后加速度明顯減小。

圖12　鋼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)評估點(diǎn)示意圖

隔震構(gòu)造

隔震支座通過錨筋與上下支墩相連（圖13），為保證支座的平整度，在支座與下支墩連接時(shí)通過二次灌漿進(jìn)行找平。該連接形式可保證滿足安裝精度的同時(shí)，進(jìn)行快速高效安裝。

圖13　隔震支座與上下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造示意圖

結(jié)論和展望

隨著新的《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）的頒布與實(shí)施，隔震技術(shù)得到越來越廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，建筑設(shè)計(jì)也從傳統(tǒng)的“抗震”逐漸向“減震”“隔震”方向發(fā)展。本文結(jié)合北京新機(jī)場的層間隔震設(shè)計(jì)，探討了在大型公共建筑中采用隔震技術(shù)的可行性，并付諸工程實(shí)踐中。通過一系列的計(jì)算分析表明，北京新機(jī)場的隔震設(shè)計(jì)可有效減小地震作用，可大幅提高罕遇地震作用下上部結(jié)構(gòu)的受力性能。

為保證罕遇地震作用下隔震層處于正常的工作狀態(tài)，對隔震支座、彈性滑板支座以及阻尼器等正在進(jìn)行100%的力學(xué)性能測試。同時(shí)為驗(yàn)證計(jì)算分析結(jié)果，正在進(jìn)行北京新機(jī)場的振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)。這兩部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容詳見后續(xù)文章。