北京新机场航站楼隔震设计与应用

束伟农 朱忠义　张　琳　祁　跃　秦　凯

北京新机场航站楼隔震设计与应用

束伟农 朱忠义张琳祁跃秦凯

束伟农，教授级高级工程师，1985年毕业于东南大学土木工程系，获结构工程学士学位，1988年获东南大学土木工程系工学硕士学位。中华人民共和国一级注册结构工程师。现任北京市建筑设计研究院（集团）有限公司结构总工程师。长期从事建筑结构设计工作，代表性工程有：首都机场T3航站楼、昆明长水国际机场航站楼、北京电视中心、中石油大厦、深圳福田体育公园、全国人大机关办公楼、全国人大常委会议厅改扩建、侨福芳草地、北京银河SOHO、珠海歌剧院、北京CBD-Z15、北京CBD-Z6、西安国际金融中心、北京新机场航站楼等，并参编了多项国家规范和行业规程。获得的主要奖项有：全国优秀建筑结构设计奖10项；北京市优秀工程设计奖20项；全国优秀工程勘察设计奖15项；北京市科学技术进步奖二等奖3项。

项目概况

北京新机场位于北京市南部永定河北岸，北京市大兴区礼贤镇、榆垡镇和河北省廊坊市广阳区之间，属国家重点工程。

航站区主要包括航站楼及综合换乘中心、停车楼和综合服务中心等三个主要的建筑单元。航站区总用地面积约27.9 公顷，南北长1753.4 m，东西宽约1591 m，总建筑面积约143万平方米（含地下一层），其中航站楼建筑面积约80万平方米，综合服务楼建筑面积约13万平方米，停车楼建筑面积约26万平方米，轨道交通建筑面积约23万平方米。

图1　航站楼鸟瞰

航站楼混凝土结构南北长996 m，东西方向宽1144 m，由中央大厅、中央南和东北、东南、西北、西南五个指廊组成，中央大厅地下二层、地上五层，其他区地下一层，地上二到三层。

主体建筑航站楼由中央主楼和五条互呈60°夹角的放射状指廊构成（图1），在航站楼以北的中轴线上是旅客综合服务楼，在综合服务楼的东西两侧是两栋停车楼，综合服务楼的平面形状与航站楼的指廊相同，由此与航站楼共同形成了一个形态完整的总体构型，该构型外包直径为1200 m（图2），航站区的各建筑都包罗在了这个圆形之中。

北京新机场航站楼结构设计抗震设防烈度为8度，相应的设计基本地震加速度值为0.20 g；建筑抗震设防类别为乙类；建筑场地类别为Ⅲ类；设计地震分组：第一组，特征周期：0.45 s；本场地地基土层地震液化程度判定：轻微-中等液化。

图2　航站楼平面尺寸及标高图

结构体系

航站楼主体结构采用钢筋混凝土框架结构，主体混凝土结构分为19个单元（图3），单元之间的分缝在地下按伸缩缝和沉降缝设置，地上按抗震缝设置，混凝土柱网为9 m×9 m和9 m×18 m。中央大厅（C区）长宽两个方向的尺度较大（518 m×395 m），建筑功能复杂，屋顶钢结构支承条件复杂，采用隔震措施，隔震目标为降低一度。

为满足建筑布局灵活多变的功能要求。经综合考虑，航站楼主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，钢筋混凝土柱均为圆柱。主楼混凝土结构楼板均采用钢筋混凝土全现浇主次梁楼盖体系。

航站楼屋顶投影面积约为35万 平方米，南北长约1000 m，东西宽约1100 m，屋顶及支承屋顶的结构为钢结构。航站楼上部钢结构分为6个区（图4），包括主楼C区、西北指廊WN区及东北指廊EN区，中央指廊CS区，西南指廊WS区和东南指廊ES区。

图3　混凝土结构分段示意图

图4　钢结构分段示意图

钢结构设计结合放射型的平面功能，主楼C区在中央大厅设置六组C型柱，形成180 m直径的中心区空间，在跨度较大的北中心区加设两组C型柱减少屋盖结构跨度；北侧幕墙为支撑框架，可以给屋盖提供竖向支承及抗侧刚度，同时设置支撑筒，支撑筒顶与屋盖连接处按照方案比选结果采用不同的连接方式，为主楼C区屋盖提供可靠竖向支承和水平刚度。指廊区由布置在采光顶两侧的钢柱和外幕墙柱形成稳定结构体系，如图5所示。

图5　C区钢结构屋盖及支承体系示意图

隔震设计

隔震层的选择

由于支承钢结构屋盖的是C型钢柱和钢支撑筒，如果在C型钢柱和钢支撑筒顶设置隔震支座，大屋盖受地震作用产生的水平剪力通过隔震支座传递到C型钢柱上，对C型柱的稳定性不利。而且，由于屋盖重量仅占整体结构的7%，采用屋盖隔震意义不大。因此，隔震层不布置在C型钢柱和钢支撑筒顶部。

C区地下室局部有高铁和地铁穿过，设有地下二层，没有高铁和地铁穿过的部分没有地下室，为结构架空层，基础底标高不在同一个标高上，无法实现基础隔震，因此采用在地下室顶板处进行层间隔震。隔震层局部剖面如图6所示。

图6　C区隔震层局部剖面示意图

隔震目标

隔震预期目标为将隔震层上部结构的水平地震作用及有关的抗震措施按照降低1度（即7度）设计，竖向地震作用及抗震措施不降低。

按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（以下简称“抗震规范”）的规定，水平向减震系数为：

隔震层的布置及参数

隔震层由铅芯橡胶隔震支座、普通橡胶隔震支座、弹性滑板支座和阻尼器组成，隔震支座共计1152个。对于竖向反力较大处，采用弹性滑板支座。共布置160个阻尼器，阻尼系数1250 kN/（m/s）1.0，阻尼指数1.0。隔震支座布置如图7所示，阻尼器布置如图8所示，隔震支座参数如表1所示，弹性滑板支座参数如表2所示。

图7　橡胶支座布置示意图

图8　阻尼器布置示意图

表1　隔震支座参数列表

表2　弹性滑板支座参数列表

地震输入

根据地震安全性评价报告中提供的地震动参数，中震和大震分析分别选用5条天然波和2条人工波进行地震输入，地震波的频谱特性、有效峰值和持续时间均符合抗震规范相关规定。

主楼隔震分析结果

在设防烈度地震作用下，7条地震波的各层平均水平地震减震系数均小于0.4（图9），满足预期减少1度的目标。

在恒荷载+0.5倍活荷载下，隔震垫的最大压应力为11.9 MPa，小于12 MPa；滑移隔震橡胶支座最大压应力为20.7 MPa，小于25 MPa，满足抗震规范要求。

在恒荷载+0.5倍活荷载下，隔震垫的竖向变形最大变形值为3.9 mm，相邻橡胶垫相对变形最大值为1/3333。

在罕遇地震作用下，隔震支座的水平变形如表3所示，X主向地震作用输入时，最大水平变形为591 mm，Y主向地震作用输入时，最大水平变形为585 mm，满足隔震支座变形的要求。阻尼器的设置有效地减小了罕遇地震下的水平变形。

图9　各层水平地震减震系数图

表3　罕遇地震下隔震支座水平变形（mm）

在罕遇地震作用下，铅芯支座与普通橡胶支座最大压应力为22.7 MPa（图10），小于30 MPa。滑移隔震支座最大压应力为39.5 MPa，满足《减震隔震弹性滑板支座》（GB 20686.5—2014）50 MPa的要求；所有支座最大拉应力0.2 MPa，小于1 MPa。

地震输入下，隔震层以上各层层间侧移比如图11所示，最大层间侧移角发生在第一层，平均值为1/384，满足抗震规范要求。

在地震输入下，隔震层以下各层层间侧移比如表3所示，地下一层X向层间侧移比为1/1224，地下二层X向层间侧移比为1/2100。

图10　地震作用下隔震支座压应力分布图

图11　地震作用下隔震层以上各层层间侧移比

表3　地震作用下隔震层以下各层层间侧移比

上部钢结构隔震分析结果

上部钢结构减震系数如表4所示。隔震后，钢结构减震系数X向0.30，Y向0.29，均小于0.40，水平地震作用可降低1度。

选取屋盖图12节点位置评估地震作用下的钢结构扭转效应。在水平X向地震作用下，非隔震结构扭转效应比较明显，扭转位移比1/3283。隔震后结构的扭转效应明显减弱，扭转位移比1/15365，减小约79%。

选取屋顶钢结构最高点，评估罕遇地震作用下屋顶钢结构的加速度，X向输入地震作用，加速度峰值均值为1.35 m/s2，Y向输入地震作用，加速度峰值均值为1.63 m/ s2。与输入大震峰值加速度4 m/s2相比，隔震后加速度明显减小。

图12　钢结构扭转效应评估点示意图

隔震构造

隔震支座通过锚筋与上下支墩相连（图13），为保证支座的平整度，在支座与下支墩连接时通过二次灌浆进行找平。该连接形式可保证满足安装精度的同时，进行快速高效安装。

图13　隔震支座与上下部结构连接构造示意图

结论和展望

随着新的《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）的颁布与实施，隔震技术得到越来越广泛的关注与应用，建筑设计也从传统的“抗震”逐渐向“减震”“隔震”方向发展。本文结合北京新机场的层间隔震设计，探讨了在大型公共建筑中采用隔震技术的可行性，并付诸工程实践中。通过一系列的计算分析表明，北京新机场的隔震设计可有效减小地震作用，可大幅提高罕遇地震作用下上部结构的受力性能。

为保证罕遇地震作用下隔震层处于正常的工作状态，对隔震支座、弹性滑板支座以及阻尼器等正在进行100%的力学性能测试。同时为验证计算分析结果，正在进行北京新机场的振动台实验。这两部分实验内容详见后续文章。