大跨空间结构吊顶抗震韧性构造与施工技术

蓝建勋 曾金亮

广东省建筑装饰工程有限公司 广东 广州 510635

建筑结构的抗震研究在最近几十年已经形成了完整的体系，并取得了许多工程经验和研究成果，但国内非结构构件抗震设计规范标准模糊，且大跨空间结构吊顶大都没有进行抗震设计。

在21世纪历次强震（如2013年四川省芦山县7.0级地震、2011年日本9.0级地震、2010年智利8.8级地震、2001年华盛顿地震）中，对机场航站楼、高铁车站、展览馆、体育馆等大跨空间结构非结构系统破坏（包括吊顶坍塌、吊顶脱落下坠、吊顶龙骨弯折变形、灯具坠落等）远大于结构破坏程度，非结构系统破坏往往会阻塞逃生通道，影响地震中人员逃生和抗震救灾，无法在震后救援黄金时间里发挥重要作用，加重人员伤亡和经济损失。非结构系统抗震问题与当前社会经济的快速发展相匹配的问题愈发凸显，逐渐引起行业对其的关注[1-8]。

目前，我国机场航站楼、高铁车站、展览馆、体育馆等建设进入了一个高速发展时期，但这些空间结构吊顶大都没有进行抗震设计，航站楼大跨空间结构吊顶是非结构构件典型代表，具有空间大、人流密集等特点，在历次强震中震害严重。

吊顶在遭遇地震袭击时，如何依赖吊顶本身的抗震韧性功能使其特性保持或快速恢复到地震前状态，还缺乏工程经验和研究成果，大跨空间结构吊顶的抗震韧性亟需深入研究和高度重视。

1 大跨空间结构吊顶抗震韧性设计

1.1 抗震吊顶反应特性

空间结构吊顶是指悬吊在空间钢结构下弦球节点，具有三维调节功能，能适应空间结构屋面曲面变化和受力变形的吊顶系统，由吊杆、万向转接件、龙骨、面板等组成。其独特的物理特性使其不但对地震作用较敏感，而且其反应特性也跟主体结构迥然不同：

1）支承于主体结构，其地震反应不仅取决于地面运动特性，而且依赖于主体结构的动力特性。

2）反应与其在建筑物中所处的位置有关，相同构件对于地震作用的反应会因其位于不同高度而发生变化。

3）由于阻尼通常远小于主体结构的阻尼，造成整个组合结构系统的阻尼分布非常不均匀，因此该系统不具有经典阻尼特性。

4）除了受到自身弹塑性影响之外，还会受到主体结构的弹塑性影响。

5）吊顶系统与主体结构的连接部位往往不止一处，因而有可能受到各连接部位的不同步运动激励，继而产生一定的扭转。

1.2 破坏机理分析

从大量空间结构吊顶震害统计分析和模拟试验中发现，吊顶的破坏主要集中于基于位移的变形破坏和基于加速度的受力破坏，以及两者的混合作用而导致的破坏。破坏与其型号、大小、质量和连接方法有关。

1）空间结构吊顶的破坏模式可以分为加速度破坏模式、位移破坏模式及混合型破坏模式。

2）较大的竖向加速度引起的吊顶板掉落以及由于与主体结构连接不牢靠而导致的吊杆与主体结构脱离，使吊顶坍塌。

3）较大的位移变形引起吊顶系统吊件失效，龙骨弯折，吊顶板坠落，与墙、柱交界处发生破坏，这是吊顶系统典型的破坏形式。

4）空间结构吊顶在地震作用下的破坏程度主要取决于其位移响应和变形能力。

1.3 抗震设防目标

震害现象表明，即使主体结构达到一个立即使用的性能水平，非结构构件的破坏也会降低整体结构的性能水平。因此，要实现航站楼等基于性能的抗震设计，应使主体结构与吊顶的性能水平协调统一。

1）在多遇地震下，吊顶应该达到没有破坏，保持或快速恢复原有外观和航站楼使用功能。

2）在基本烈度地震下，吊顶虽然被允许发生比结构构件更严重的破坏，但仍需保证航站楼基本使用功能不会受到影响，吊顶即使发生损坏也可在修理下继续使用，甚至不需修理便可自动快速恢复原有功能。

3）在罕遇地震下，吊顶即使发生较严重的破坏但仍需保证不坍塌，生命安全能得到保障。

1.4 抗震构造基本要求

根据对空间结构吊顶破坏机理以及破坏模式的分析，针对此类吊顶抗震的薄弱环节，采取相应的吊顶抗震构造措施。

1）吊顶系统结构自身要有足够抗震能力。

2）吊顶与空间结构连接必须牢固。

3）水平或三维方向要有足够的位移响应和变形能力。

4）构件连接要有防松脱措施。

5）地震后，能维持与快速恢复建筑功能。

2 航站楼大跨空间结构吊顶韧性抗震关键施工技术

2.1 工程概况

某国际大型机场南北方向长约850 m，东西方向宽约1 120 m，屋盖投影面积18万 m2，网架最大跨度72 m，最高点标高72.91 m，吊顶面积约18万 m2，整个网架结构下采用穿孔铝板吊顶，吊顶根据网架曲线变化而变化（图1）。该机场处于小江断裂带和地质破碎带，抗震设防烈度为8.2度，抗震设防要求高，吊顶系统需要采取抗震构造措施。

图1 航站楼大跨空间吊顶

2.2 主要施工工艺

2.2.1 放线定位

1）布设控制点：使用三维激光扫描仪对现场进行数据采集，再将采集数据与设计模型坐标复核，并提取出网架球控制点坐标及网架球节点的基准线坐标，对球节点逐一编号。

2）采用BIM放样机器人逐个复测各球节点位置，计算吊顶完成面距离球点的垂直距离并标注在球节点上，作为吊顶施工高程控制点，该点必须考虑钢网架施工过程中的变化及受屋盖荷载影响而产生的下沉量，并考虑网架结构变化移位的因素，特别是出现个别下沉较大的网架球点时，必须适当调整吊顶完成面高程，给吊顶足够调整的空间距离。

2.2.2 下弦球节点上安装专用支座

1）根据现场实测，在下弦球节点上定位吊顶支座。对于收边位置，如柱子、外幕墙等处，则按照要求采用特制的支座，安装在下弦杆上。吊顶支座必须定位准确、安装牢固。

2）吊顶单元通过连接件与网架球节点预设安装板进行螺栓连接，连接结构不需现场焊接，结构牢固，工效高，可三维调节（竖向调节长度不受限制，平面X、Y向调节长度均为110 mm），实现吊顶系统第一级三维可调。

3）如果局部吊装盘安装坐标和下弦球节点有偏差，则将特制吊顶支座安装在下弦杆上，吊杆与网架下弦杆圆箍套连接。

4）将抗震斜撑抱箍安装在离下弦球轴心300～400 mm距离，抱箍与网架接触面垫2 mm厚胶垫，抗震斜撑与网架下弦杆夹角应为45e ～60e （图2）。

图2 吊顶与连接件上、下螺母固定示意

5）网架下弦无球连接的，则采用三爪吊件通过拉杆从网架腹杆连接（图3），拉杆中间调节套筒可调节长度，顶端与抱箍铰接点设置抗震橡胶垫，抱箍安装在网架腹杆的中段位置。

图3 三爪连接吊件

2.2.3 连接螺杆安装及上限位螺母安装

将直径为20 mm的螺栓吊轴插入吊顶支座的螺杆孔内，然后依据放线定出上限位螺母位置，再将上限位螺母装在螺栓吊轴上。

2.2.4 安装转动吊盘

将转动吊盘装入螺栓吊轴，拧上下限位螺母，法兰安装盘即通过螺栓吊轴固定在主屋面钢网架上。100C形主龙骨通过活动转接件组框，转接件和万向转动吊装盘的悬挑臂固定（图4），以适应不规则吊顶，同时可在地震作用后依据自身重力自动恢复震前状态。吊装盘有4个方向的悬挑臂，用于吊装龙骨结构框架（图5），可任意方向转动和水平方向位移调节，通过该结构实现吊顶系统三维可调。

图4 转动吊盘连接构造节点

图5 万向转盘铰式结构透视

2.2.5 安装C形主龙骨

把C形主龙骨安装在转动连接件上，并用螺栓紧固。安装后调节至水平顺直。

2.2.6 安装C形副龙骨

把C形副龙骨用特制吊件挂装在主龙骨上，并用螺栓紧固。相邻2支龙骨用连接件连接，相邻2排龙骨接口位置错开，安装后调节至水平顺直。

2.2.7 安装面板挂件

按排布距离安装面板挂件，吊顶铝板采用专用挂件固定在副龙骨上，条板卡齿挂件采用组合点式安装，并用M6 mmh 20 mm螺栓紧固，铝板与铝板间留缝30 mm，满足吊顶位移要求（图6），铝合金面板每件板能单独拆卸。

图6 铝板连接节点

集成灯带通过吊杆和主副龙骨连接。

2.2.8 安装铝合金冲孔板

确定天花安装轴线，并从轴线开始依照相应的次序安装，把三元乙丙橡胶片套接在板面折边上，并卡在面板挂件的卡槽里，再紧固螺丝。不同单元需要调整板面的缝隙，做到平滑、顺直（图7）。

图7 铝板与副龙骨卡齿挂件连接

2.2.9 安装中柱

中柱收口位置采用抗震韧性构造，单元吊顶系统与柱子为韧性连接。连接构件单元包含抱箍、调节矩形杆、抗震弹簧、双耳挂片、弹簧片（图8）；采用曲臂车将工厂预制加工连接件临时固定在钢结构柱上，抱箍与钢结构柱间放置3 mm厚橡胶垫，调好连接杆的方向后紧固，单元吊顶连接耳穿入连接杆的双耳挂片并用内六角螺丝紧固。

图8 吊顶与中柱抗震连接

2.2.10 安装外飘檐

空间结构外飘檐吊顶单元采用支撑柱和网架下弦球节点板螺栓连接，通过 关节 铰接式连接板将铝面板和副龙骨螺栓连接，实现吊顶三维可调，有效适应网架受力变形、地震作用及风荷载作用，满足吊顶曲面造型要求（图9）。

图9 三维可调外飘檐吊顶节点

2.2.11 伸缩缝处理

1）吊顶系统伸缩缝构造与空间结构相同位置设置吊顶伸缩缝（图10）。

图10 吊顶伸缩缝节点

2）与幕墙收边位置，吊顶系统与幕墙断开（图11）。

图11 吊顶与幕墙连接节点

3 结语

目前，国内对非结构构件抗震设计规范标准模糊，大跨空间结构吊顶大都没有进行抗震设计，其抗震设计也存在建筑、结构、装修权责不明现象，大跨空间结构吊顶及其他典型非结构构件的抗震亟需深入研究和高度重视。

近年来，我国经济社会快速发展，人财物高度集中，基础设施与生命线工程越来越尖端、复杂，全社会对地震防灾、减灾、救灾提出了更高的要求，常规抗震已经不能满足当下的发展需求，抗震韧性是抗震研究的新方向。