昆明长水国际机场航站楼减隔震技术应用

宋廷苏　安晓文

昆明长水国际机场航站楼减隔震技术应用

宋廷苏安晓文

宋廷苏，工程师，硕士研究生学历，2007年毕业于中国地震局工程力学研究所。中国土木工程学会防震减灾工程技术推广青年委员；云南省地震学会青年委员。现于云南省地震局主要从事减隔震技术研究与应用工作。起草完成云南省两部隔震地方标准DBJ 53/ T-47和DBJ 53/T-48，参编国家、行业隔震相关标准共3部。参与分析设计重大减隔震项目10多项，昆明新机场隔震工程现场项目负责人。获中国施工企业技术协会科技创新成果特等奖和一等奖各1项。

安晓文，1987年毕业于北京大学地震地质专业，云南省地震工程研究院总工程师，研究员级高级工程师。中国勘察设计协会抗震分会副会长、中国土木工程学会减灾委员会委员。主要从事地震工程、建筑隔震减震技术研究。参编国家标准《建筑隔震设计规范》、行业标准《隔震建筑工程施工与验收规范》等规范。主持完成全球最大隔震建筑“昆明新机场航站楼减隔震技术研究与应用”项目，曾获得国家优质工程金奖等国家奖励。

工程概况

昆明长水国际机场是国家“十一五”期间批准新建的大型机场，项目总体定位为“面向东南亚、南亚，连接欧亚的国家门户枢纽机场”，属于国家重点工程。航站楼由前中心区、前端东西两侧指廊、中央指廊、远端东西Y型指廊等几部分组成。

航站楼建筑面积为548300 m2，停车楼90640 m2，预留轻轨车站18750 m2；航站楼南北长855.1 m，东西长1131.8 m，停车楼东西长330 m，南北长130 m；中轴屋脊最高点相对标高72.25 m，航站楼地上三层、局部四层，地下三层，主体结构采用钢筋混凝土框架结构，屋顶及支承屋顶的结构为钢结构，屋顶形状为双曲面，采用正放四角锥网架结构，钢彩带、锥形钢管柱、变截面箱形摇摆柱和柱间支撑为屋顶支承结构。

结构设计背景

由于特殊的地理位置和复杂的结构形式，昆明长水国际机场航站楼前中心区在结构设计中主要遇到如下困难：

（1）机场建设场地属于高烈度区，使用期内发生大震的危险性高。工程场地位于小江地震带中段，1833年曾发生过8级地震，航站楼距小江断裂带约12 km，抗震设防地震动参数为0.30 g，属高烈度区，机场使用期内遭遇强震的可能性很大。

（2）地质条件复杂。工程场地属岩溶区，地形起伏大，挖填方达3.2亿立方米，高填方场地对地震动放大作用显著，对工程抗震不利。

（3）航站楼结构复杂。航站楼最大结构平面为324 m×256 m、地上四层、地下三层，主体结构采用钢筋混凝土框架结构，屋顶支承结构为钢彩带、超大型的索幕墙、纵横向结构刚度不对称，为钢筋混凝土与钢结构的异型混合结构，保证航站楼的地震安全难度大。

（4）使用超大玻璃幕墙。航站楼核心区采用钢彩带间嵌入式玻璃幕墙，幕墙玻璃网格尺寸为3.2 m×3 m，采用抗震设计方案时，钢彩带的层间变形不容易满足玻璃幕墙所能承受的极限变形，可能导致大震作用下玻璃幕墙的大量破碎，造成严重的经济损失和人员伤亡。

（5）符合高标准的使用功能要求。机场工程航站楼部分采用许多先进的电子仪器设备，如行李分检与输送系统、安保系统等，这些贵重仪器设备在大震中可能遭受严重破坏，导致系统服务中断。昆明长水国际机场为我国西南地区航空运输的生命线工程。确保昆明长水国际机场工程的地震安全，对于保障机场的正常运行，减轻地震损失，保障抗震救灾工作的顺利开展，具有十分重要的意义。

因此，针对本工程所处的特殊地震地质环境和自身的结构特点，如何科学、经济、合理地解决上述抗震难题，将直接影响到航站楼工程的抗震安全性、建设投资和施工工期。

图1　昆明长水国际机场鸟瞰图及航站楼前中心区效果图

航站楼减隔震设计

关键技术

为确保航站楼前核心区的地震安全、建设投资和施工工期，核心区采用减隔震技术。鉴于此前从未有如此规模的建筑采用减隔震技术，而且还有很多难题需要解决。因此，以昆明长水国际机场航站楼工程为依托，科研院校、设计单位和隔震产品生产单位联合攻关，开展了8个相关专题的研究：（1）特殊地质、地震背景下的地震动研究；（2）超大型复杂混合隔震结构设计方法研究；（3）地震模拟振动台试验；（4）大型隔震支座配方和工艺研究；（5）大型隔震支座施工技术研究；（6）隔震支座更换方法研究；（7）隔震构造措施研究；（8）隔震建筑安全监测系统研究与建设。昆明长水国际机场航站楼减隔震技术研究取得的成果入选“2009年云南十大科技进展”。

隔震层位置

通常隔震层设在±0.00 m位置。针对本工程，由于航站楼使用功能的要求，结构首层楼面开洞较多，影响了隔震层以上楼面的整体刚度。同时，由于机场功能复杂，安装自动扶梯、电梯等设备，布置幕墙玻璃、锥形钢管柱等，穿过隔震层结构处理较困难。因此，本航站楼的隔震层没有设置在±0.00 m处。综合考虑航站楼工程特殊性，隔震层设置在基础底板上部，隔震层位于-14.2 m之下，即地下三层之下与基础顶面之间，如图2所示。在结构地下室底板顶面布置隔震层时，一方面不影响整体建筑的功能布置，另一方面可充分发挥隔震效果，降低因上部结构采用复杂结构形式带来的风险，从根本上提高整体结构的抗震性能。此外，又由于昆明长水国际机场航站楼工程的基础底板位于填方区，增加隔震层还可以减小土方的回填量，经济性较好。

隔震层计算模型

隔震分析模型为整体结构计算模型，模型中包括下部混凝土结构、屋顶支承钢结构、屋顶结构以及隔震层。航站楼采用橡胶隔震支座和粘滞阻尼器组合隔震技术。隔震层由普通叠层橡胶垫、铅芯橡胶垫和粘滞阻尼器组成，如图3所示。

图2　隔震层位置示意图

图3　隔震结构计算模型示意图

航站楼核心区共采用了1810个隔震橡胶支座，其中铅芯支座654个，无铅芯支座1156个，力学性能参数及数量见表1。天然橡胶隔震支座（无铅芯支座）计算模型取为线弹性模型，铅芯橡胶隔震支座的计算模型取为双线性模型。

表1　隔震支座力学性能及数量

此外，航站楼核心区还使用了108个粘滞阻尼器，X向和Y向各布置54个，力学性能参数及数量见表2，粘滞阻尼器采用Maxwell模型。在整体结构计算模型中，上部结构模型阻尼比统一取0.05。

表2　粘滞阻尼器力学性能及数量

地震动输入

2007年完成航站楼设计工作，执行《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）。根据规范要求，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。人工模拟地震动时程由地震安全性评价单位提供，按照目标反应谱生成，与目标反应谱吻合。由于天然地震记录的随机性，要使各个周期点上与地震安全性评价报告给出的反应谱频谱特性相符合，非常困难。因而，在选择实际强震记录时，要求其周期在隔震前和隔震后结构基本周期区域内，二者频谱特性的偏差不大。按照上述原则，选择本工程分析的实际强震记录。

针对不同的计算目的和需解决的问题，选用上述地震波进行时程分析时，采用如下不同的输入方式：（1）按照抗震规范确定减震系数时，采用单方向水平输入；（2）大震位移计算按双向水平输入（X∶Y=0.85∶1或1∶0.85）；（3）计算隔震支座极限拉压应力时，按三向输入（X∶Y∶Z=0.85∶1∶0.65或1∶0.85∶0.65）。

计算结果概要

小震减震结果：根据计算结果，小震作用下隔震结构与非隔震结构各层剪力比值均小于0.46。因此，隔震后能达到上部结构地震作用降低1度（即Ⅶ度半）进行抗震设计的设防目标。最小剪重比大于抗震规范5.2.5条Ⅷ度设防的0.032要求。

大震减震结果：罕遇地震作用下，隔震支座最大水平位移的平均值为480 mm，满足1000 mm隔震支座直径的位移限值（3倍橡胶层总厚度和0.55 D二者最小值，为550 mm）。隔震支座拉压应力也满足规范要求。隔震设计达到预定目标要求。阻尼器所提供的最大阻尼力是阻尼器的重要参数之一，大震作用下阻尼器的最大阻尼力平均值为1440 kN，小于本工程最小设计阻尼力1600 kN。

隔震橡胶支座研发

航站楼特大结构采用减隔震技术，最终隔震目标的实现依赖于所采用的减隔震产品的质量和性能，此前国内尚未在大型公共建筑中如此大规模应用过大直径隔震支座。当时国内隔震橡胶支座生产现状为：（1）以500 ～800 mm直径的小型隔震橡胶支座为主；（2）隔震支座竖向受压条件下，侧向不均匀变形大，反映了隔震支座的生产材料性能不均匀；（3）国内隔震产品生产企业不具规模，生产工艺落后，产品繁杂，没有形成系列化和标准化。昆明长水国际机场航站楼采用性能化设计，隔震支座性能应满足航站楼隔震设计要求，满足航站楼隔震性能目标的隔震支座没有定型产品，需要专门开展产品研发。项目依托制造企业在隔震支座研发方面取得了如下成果。

（1）研发出低剪切模量橡胶配方，满足机场隔震支座性能要求；

（2）研发出大厚型隔震支座均匀硫化技术：①上下两端橡胶使用抗过硫的配方；②在模具设计中增加导热系统；③采用分段式硫化工艺，生产效率提高20%；

（3）研发出提高钢板与橡胶粘结强度技术：研究天然橡胶对粘结强度的影响，给出钢板粗糙度与粘结强度之间的关系，提高了隔震支座的极限变形；

（4）研制和完善了支座生产模具，确保隔震橡胶支座的生产质量。

支座结构见图4和表3，实物照片见图5。隔震支座通过武汉华中科大土木工程检测中心的型式检验，力学性能、极限变形性能以及支座耐久性均满足国家相关标准要求。隔震支座老化实验照片见图6。隔震支座产品取得云南省建设厅“云南省建设新技术新产品推广证书”。同时编制了《昆明新机场航站楼用Ф1000隔震橡胶支座生产工艺规程》，对所有工艺、材料细节的处理进行了详细规定，确保了隔震支座生产的质量。

图4　隔震橡胶支座结构示意

图5　隔震橡胶支座实物

表3　隔震支座结构

图6　隔震橡胶支座老化试验

振动台试验

试验内容

为验证航站楼隔震技术的有效性，在中国建筑科学研究院开展了隔震结构模型地震模拟振动台试验，主要研究了四方面内容：（1）掌握结构在不同水准地震动作用下的动力特性（自振频率、振型和阻尼比等）的变化；（2）量测结构在多遇、基本、罕遇地震作用下的位移和加速度反应，检验结构是否满足《建筑抗震设计规范》要求，验证其隔震效果；（3）考察结构在不同水准地震动作用下的破坏形态，隔震层的受力变形状况，整体结构扭转反应和结构薄弱环节等，研究其破坏机理；（4）在综合分析振动台试验结果的基础上，提出相应的设计建议或改进措施。

模型设计与制作

原型结构为大跨、钢和混凝土组合的复杂基础隔震结构，综合考虑振动台台面尺寸（为6.1 m×6.1 m）、振动台噪声、台面承载力和振动台性能参数等因素，确定几何相似比为1∶60，加速度相似比为2∶1，应力相似比为1∶4。

航站楼A区结构的动力模型选用微粒混凝土来制作钢筋混凝土主体结构，选用紫铜材料制作钢结构彩带，选用方钢管材料制作网架结构，选用镀锌铁丝模拟受力钢筋。隔震层通过隔震支座和阻尼器来模拟：隔震支座都是规格为直径100 mm铅芯和无铅芯两种橡胶隔震支座，由原型隔震支座生产厂家制作，阻尼器是由上海材料研究所制作提供。

试验结论

通过隔震与非隔震结构振动台对比实验发现：（1）隔震结构的阻尼比是非隔震结构的2～3倍；且随着输入地震动量级的加大，隔震结构自振频率的降低和结构阻尼比增加不明显，而非隔震结构两特性变化明显。这表明：在整个试验过程中非隔震结构的损伤要比隔震结构严重。（2）Ⅷ度大震、中震、小震下隔震结构各层的加速度反应都要低于Ⅶ度半非隔震结构对应工况的各层加速度反应。（3）对隔震结构模型，在小震和大震下，对装有阻尼器和没有装阻尼器的结构分别进行试验。在有阻尼器的状态下，结构的加速度放大系数，结构的相对楼层位移，层间剪力以及扭转角都要小于无阻尼器结构。大震下阻尼器的作用要更加明显。（4）结构的扭转不太明显，其中隔震结构的扭转角要比非隔震结构小。结构的扫描频率随输入地震动幅值的增大而降低，结构阻尼比随结构的破坏加剧而增大。

图7　地梁上安装支座

图8　模型全貌

图9　地震模拟振动台试验

振动台模型试验结果表明：基础隔震能够有效地降低隔震层上部结构的加速度、位移等地震反应。在隔震结构中，罕遇地震工况下，隔震层的阻尼器对隔震层的扭转和最大位移有很好的控制作用。本结构能够满足我国规范“小震不坏，大震不倒”的抗震设防要求。综上所述，隔震结构已经很好地达到隔震效果。

隔震支座安装

隔震支座的安装精度要求高，施工质量控制十分关键，昆明长水国际机场隔震支座总数为1810个，单个隔震支座重约2吨。确定经济可行、便于大面积施工和保证质量精度的安装工法，对保证隔震施工质量和工期十分重要。为此，在大面积安装施工前进行了两组不同安装工法试验，经过试验对比，取优去劣，制定了安装施工质量标准和流程，确定了适合隔震支座大面积安装施工的方案。隔震支座的安装流程见图10。

其中锚筋、套筒及钢模板的定位测量与固定和下支墩混凝土浇筑前模板的位置测量为关键步骤。

1.预埋件定位与固定

下支墩钢筋笼绑扎完成后，使用钢模板将4根（或8根）预埋件固定。固定时应使用带胶套筒的螺栓M1，并将其拧入预埋套筒中，确保预埋定位模板底部与预埋套筒顶部紧密接触，将固定好的预埋板放置于钢筋笼上，待预埋板中心位置对正后将预埋锚筋通过连接钢筋与支墩主筋点焊固定。螺栓只须用手拧紧，使胶套筒底部和钢套筒顶部紧贴钢模板，且预埋件锚固钢筋必须保持铅直状态。

测量模板标高和平面中心位置，调准后对预埋件进行焊接固定。预埋件与主筋应通过钢筋焊接（不宜直接将预埋钢模板与下支墩钢筋焊接在一起），保证下支墩混凝土浇筑过程中，预埋件不发生偏斜和位移。

2.下支墩浇筑

下支墩浇筑混凝土前必须进行定位复测，复测内容包括预埋件标高及平面中心位置。注意：①混凝土浇筑时，施工人员不能站在定位预埋板上，以免钢板变形定位不精确，导致隔震支座无法安装；②振捣过程中，振捣棒不要碰到预埋件，以避免预埋件发生倾斜，导致隔震支座无法安装。

图10　隔震支座安装与更换施工流程

监测系统

考虑到航站楼工程的复杂性及重要性，设计单位要求对机场施工及使用阶段进行监测，并对监测内容及相关技术指标做出具体要求。航站楼监测系统包括四部分：施工阶段地基基础变形监测、施工阶段隔震支座变形监测、施工阶段钢结构应力、应变监测以及运营阶段结构地震反应监测。地基基础变形监测和隔震支座变形监测表明，地基和隔震支座变形满足国家相关规范的要求，为隔震工程的验收提供数据依据。钢结构应力应变监测为钢结构施工中的安全提供保障。地震反应监测有三个主要目的：（1）验证航站楼的减隔震效果，地震监测系统，在地震发生时，可以采集并记录航站楼的地面输入以及不同楼层的地震反应，从而可以有效地验证航站楼的减隔震效果；（2）为震后航站楼抗震性能科学评估提供基础数据；（3）为建筑结构，特别是减隔震相关理论的研究和规范制定积累数据。航站楼所在地区是强震区，监测到大地震的可能性特别大。强震监测系统建成后，获得了2015年3月9日17时59分嵩明4.5级地震记录，隔震层底板和三层底板的加速度见表4。这里需要说明的是航站楼的隔震层位于地下四层，也即两个强震仪相差6层楼，约30 m的高度。

图11　套筒定位示意图

表4　航站楼峰值加速度对比

由表4可知，经过隔震后，水平向的加速度明显减小，仅为输入的29%，竖向地震作用放大了68%。与目前对橡胶隔震支座的认识一致：隔震橡胶支座产品对水平地震作用隔震效果较好，对竖向地震不明显。显然，实际地震记录的隔震效果要好于隔震设计的效果，与地震动输入的频谱和峰值加速度有关。如果仅从峰值加速度来判断，该次地震相当于影响烈度为Ⅵ度的小震。这次地震一定程度上验证了航站楼隔震设计的有效性。

图12　下支墩浇筑及顶面找平

总结

昆明长水国际机场航站楼是全球最大的单体隔震建筑，也是我国首次在高烈度地区采用隔震技术解决一系列技术和工程难题。昆明长水国际机场航站楼形成了超大结构减隔震设计、产品开发、质量检验、安装施工、支座更换、隔震建筑安全监测的成套技术。该技术中的部分成果，推广应用到了后期建设的建筑中。航站楼减隔震技术的有效性，在2015年3月9日嵩明4.5级地震中得到一定程度验证。昆明长水国际机场航站楼减隔震技术的应用，极大推动了我国隔震建筑的推广应用。