◆ ◆ ◆ ◆ 广州白云国际机场三号航站楼结构抗震设计 ◆ ◆ ◆ ◆ 文/罗赤宇，区 彤，谭 坚，等
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广州白云国际机场三号航站楼结构抗震设计
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文/罗赤宇，区 彤，谭 坚，等
引言
广州白云国际机场三期扩建工程总投资超过500亿元，建设规模巨大，主要建设西二跑道(第四跑道)、东三跑道(第五跑道)，新建三号航站楼(T3航站楼)和二号航站楼 [1] 东四、西四指廊，并在T3航站楼前建设综合交通中心，引入地铁、城际铁路、高速铁路等轨道交通线路。广州白云国际机场三期扩建工程的建设对于强化广州国际航空枢纽、推动民航强国战略目标的实现、打造粤港澳大湾区发展新动力源具有重要意义。
广州白云国际机场三期扩建工程在T3航站楼、综合交通中心等分项工程中，根据工程的建筑功能、空间要求以及与轨道交通建筑合建的特点，采用以抗震为主，结合消能减震及隔震技术应用的设计，使各分项工程均具有良好的抗震性能，保证发生本区域设防地震时，T3航站楼能够满足正常使用要求。
根据T3航站楼的项目特点，采用框架结构体系，考虑经济性，结合《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》(报批稿)，确定按照正常使用Ⅱ类建筑的性能目标要求进行加强；结合超长结构的多点多维地震响应分析，研究行波效应对主体结构的影响并确定相应的加强措施；对异形的关键构件进行专项研究。
工程概况
广州白云国际机场T3航站楼工程设计年旅客吞吐量为3 000万人次，近机位55个，建筑面积约50万m 2 ，另设地下设备管廊和地下行李专用设施，建筑面积分别为3万m 2 和2.2万m 2 ，登机桥固定端建筑面积为3.2万m 2 。建筑设计以具有广州特色的“花开羊城、羊城花冠”为造型概念，采用高效的站坪规划及一轴两园的空间结构，建筑效果如图1所示。
▲ 图1 T3航站楼建筑效果图
T3航站楼平面呈大H形，南北长约970m，东西长约520m，由主楼和指廊组成，其中主楼布置在平面中间，指廊布置在主楼东西两侧。主楼地下1层，地上5层，自下至上分别为APM捷运站台层、到达及行李提取层、到达层(夹层)、混流层(夹层)、办票大厅出发层、商业(夹层)及钢结构屋面层。指廊地下1层，地上2~4层，自下而上分别为设备管廊层、候机厅及设备房层、4.50~13.5m三个候机厅层及钢结构屋面层。主楼和指廊剖面见文献[3]。
T3航站楼除APM捷运系统相关范围的结构使用年限为100年外，航站楼主体结构设计使用年限为50年，设计基准期为50年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，结构重要性系数γ 0 为1.1。重要构件(框架梁、框架柱、承台、地下室底板及侧壁)钢筋混凝土耐久性设计使用年限为100年，其余构件耐久性设计使用年限为50年。
T3航站楼建设场地为广州市白云区人和镇，根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015) [4] 及安评报告 [5] ，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05 g ，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.35s。项目位于岩溶强烈发育地区 [6-7] ，场地50年一遇基本风压为0.5kPa，地面粗糙度类别为B类。地震参数见表1，本工程小震按安评报告 [5] 参数进行计算，中震和大震按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)计算。
表1 安评报告与规范地震参数对比
注： α max 为地震影响系数最大值； T g 为特征周期； γ 为衰减指数。
结构设计概况
根据建筑总平面的构型及功能分区布置，综合考虑混凝土结构及屋盖钢结构合理的结构长度，主楼结构平面通过设置防震缝分为主楼A段及主楼B段两部分，位于主楼东西两侧的指廊则通过设置防震缝各分为8段(图2)。地面±0.000m以上设置防震缝，地面±0.000m及以下不设防震缝。T3航站楼结构分区示意如图2所示。
▲ 图2 T3航站楼结构分区示意图
主楼A段平面尺寸约为488m×150m，混凝土结构高度为19.0m，钢结构屋盖高度为30~40m；主楼B段平面尺寸约为360m×300m，混凝土结构高度约为24m，钢结构屋盖高度约为40m；主楼典型轴网为18m×18m、18m×9m、18m×12m。各段指廊均为狭长形平面，东北指廊、西北指廊的平面宽度为48m，典型轴网为18m×18m、18m×9m、9m×9m；其余指廊的平面宽度为27m，典型轴网为18m×18m、18m×8m、9m×8m。长宽比最大的指廊长度约300m，钢筋混凝土柱顶标高为23.4m，钢结构屋盖结构高度约为30m。
T3航站楼屋面采用钢结构，下部主体结构采用现浇混凝土框架结构，支承屋盖的花冠柱采用钢-混凝土组合结构。考虑水平构件承载力、变形控制及超长混凝土结构抗裂的要求，跨度大于12m结构梁及跨度大于5m的悬臂梁采用缓粘结预应力混凝土梁，跨度小于12m的梁采用无粘结预应力混凝土梁。地下室底板采用板厚400~900mm的无梁楼盖，其余层采用梁板结构，楼板厚度为130~150mm。主楼及指廊地下室梁板混凝土强度等级为C35，地上梁板混凝土强度等级为C40，墙柱混凝土强度等级为C40~C60。
T3航站楼整体屋面呈现花瓣曲面造型，由于屋面为不规则自由曲面，同时为满足建筑布局功能需求及空间要求，主楼屋盖采用预应力钢网架结构(图3、4)，其中穹顶玻璃天窗区域采用单层网壳-斜交桁架组合结构。指廊屋盖采用钢网架结构，玻璃采光顶范围采用桁架结构连系(图5)。主楼及指廊钢结构构件截面主要为圆管截面，网架杆件截面为 φ 76×5~ φ 550×20，节点采用焊接空心球，焊接空心球直径为300~700mm，材质均为Q355B。主楼屋盖钢结构分块区域东西向最大长度为 488m，南北向长度565m，属于超长结构，为解决温度应力的不利作用，沿长向布置万向滑动支座和滑动阻尼支座以应对温度作用。
▲ 图3 主楼钢结构布置示意图
▲ 图4 预应力钢网架典型预应力索三维布置图
▲ 图5 指廊钢网架结构布置示意图
主楼支承屋盖钢结构柱为本工程特色的花冠状分叉柱(简称花冠柱)和钢筋混凝土圆柱(直径1200~1600mm)，其横向(东西向)最大柱距约为54m，纵向(南北向)最大柱距约为145m，屋盖檐口最大悬挑25m。指廊支承屋盖柱均为钢筋混凝土圆柱(直径1200mm)，标准柱距为25m，最大柱距为34m，屋面檐口最大悬挑16m。除南边第一排花冠柱外，其余花冠柱从地下1层到屋盖均与混凝土楼层梁连接，花冠柱为钢结构柱，材质为Q460，支承屋盖柱布置见图6。
▲ 图6 支承屋盖柱布置示意图
抗震性能设计
T3航站楼属于体型复杂、平面超长的建筑，最长结构单元长度为488m，屋盖钢结构最大跨度达到153m，支承屋盖的花冠柱为复杂弯扭新型构件，屋盖下部钢筋混凝土楼盖结构普遍为重载大跨度梁，曲面索网幕墙结构与主体结构一体化设计。尽管建设场地抗震设防烈度为6度，屋盖大跨度钢结构承载力及变形以风荷载作用控制为主，综合考虑建筑重要性、结构特点及保证中震作用下建筑结构正常使用，本工程针对性地制定结构抗震设计策略，通过提高关键构件的抗震性能目标，进行不同烈度下地震作用计算及多点地震动输入的超长平面结构地震作用分析，对结构及构件薄弱部位进行加强，从而确保结构整体抗震性能满足要求。
3.1 构件抗震等级
本工程为乙类建筑，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)，抗震等级采用按高于本地区的抗震设防烈度1度的要求确定。结构构件的抗震等级要求如下：
(1) 主楼A段及主楼B段，地上混凝土框架抗震等级为二级，地下1层混凝土框架抗震等级为二级，地下2层混凝土框架抗震等级为三级。
(2) 各指廊地上混凝土框架抗震等级为二级，地下1层混凝土框架抗震等级为二级，地下2层混凝土框架抗震等级为三级。
(3) 钢框架、雨棚、花冠柱、浮岛及登机桥等抗震等级为四级，屋盖钢结构截面板件宽厚比满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)S3级延性构造要求，花冠柱满足S4级延性要求。
3.2 超限概况及性能目标
参照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)和《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》(粤建市〔2016〕20号)的有关规定，本工程主体结构为钢筋混凝土框架结构，结构高度并未超限；屋盖钢结构为钢网架结构，屋面钢结构最高高度约为40.00m，不属于特殊类型高层结构。考虑屋盖钢结构最大跨度约为144m，悬挑最大为32m，最大结构单元长度为565m，属于超限大跨空间结构。
针对本工程的特点，考虑T3航站楼属于地震时使用功能不能中断或者需要尽快恢复的建设工程，应保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求，参考《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》(报批稿)，施工图设计阶段根据地震时正常使用Ⅱ类建筑的性能目标要求进行加强，在设防地震作用下，弹性层间位移角不大于1/300限值，总体性能目标达到B级的要求。
3.3 结构动力特性
采用了YJK和MIDAS Gen两种有限元分析软件进行对比分析。两种模型按屋面钢结构刚度相近，各楼层重力荷载代表值相同以及各楼层地震作用基本一致的原则建立模型。考虑下部混凝土结构与屋面钢结构的阻尼比不同，在软件中对整体模型阻尼比统一取 0.035进行计算分析。
整体模型振型如图7所示。计算结果显示，主楼整体模型的周期密集，前4阶振型均为屋盖水平方向的整体平动，其中，第1阶振型周期为1.478 9s，Y向平动；第2阶振型周期为1.031 5s，X向平动。第5阶振型周期为0.914 4s，为屋盖的扭转。
▲ 图7 整体模型振型
3.4 中震作用分析
根据本工程预设的抗震性能目标，主楼按地震时正常使用建筑的要求进行设计，考虑抗震设防烈度为6度，采用振型分解反应谱法计算时，水平地震影响系数最大值乘以1.5增大系数，结构构件承载力按照设防地震作用进行验算，重要构件承载力满足中震弹性的要求。荷载作用分项系数按《工程结构通用规范》(GB 55002—2021)取值，中震计算不考虑风荷载和温度作用，结构整体分析模型阻尼比与小震计算均取为0.035。
计算结果表明，主楼关键构件、普通竖向构件、耗能构件均达到了预设的抗震性能目标要求。中震弹性计算的钢结构屋盖构件最大应力比为0.85，花冠柱应力比最大为0.59(图8)，索构件应力比均小于 0.5；下部混凝土框架结构最大层间位移角为1/351，满足不大于1/300限值的震时正常使用建筑变形的控制要求。
▲ 图8 主楼花冠柱中震弹性应力比
对于狭长形平面的指廊结构，抗震性能化计算首先根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)要求对梁和普通框架柱(支承钢屋盖框架柱除外)进行规范要求的性能化验算，然后对支承钢屋盖框架柱进行单独计算，以高于规范要求的性能标准验算其受力特性。屋面钢结构关键构件需满足中震弹性的要求，中震作用下，东南、西南指廊屋面钢结构支座处关键构件最大应力比为 0.61，东、西指廊屋面钢结构支座处关键构件最大应力比为 0.73，东北、西北指廊屋面钢结构支座处关键构件最大应力比为 0.99。经分析验算，各指廊屋面钢结构构件满足预设的中震不屈服性能目标的要求(图9)。
▲ 图9 中震作用下东(西)北指廊屋盖钢构件应力比
3.5 大震作用分析
主楼根据震时正常使用建筑性能目标，应满足大震作用下轻微或轻度损坏的要求，抗震设计分别进行大震等效弹性及大震弹塑性分析。在大震作用下，花冠柱应力比最大为0.74，主楼钢屋盖关键构件应力比最大为1，以及索构件应力比均满足大震弹性要求；主楼钢屋盖其他构件满足大震不屈服要求。
为进一步验证T3航站楼在大震作用下的抗震性能，本工程采用MIDAS Gen 2020对主体结构进行了动力弹塑性计算分析。动力时程分析地震波采用小震时程分析的3条波，并按大震作用调整加速度峰值。按三向地震计算，主方向地震加速度峰值为125m/s 2 ，主次方向与竖直方向地震加速度峰值比为1∶0.85∶0.65，阻尼比取 5%。主楼结构在三向地震作用下的弹塑性分析整体结果汇总见表3。MIDAS Gen计算结构总质量为637479.582t，小震X向基底剪力为107300kN， Y 向基底剪力为109 430kN。框架柱(花冠柱)、支承屋盖柱柱顶最大位移角分别为1/535、1/209，满足大震作用下不大于1/100限值的震时正常使用的Ⅱ类建筑的变形控制要求。
大震作用下，人工波1 沿 X 主方向输入时的结构能量图如图10所示。从图10可以看出，结构耗能主要为阻尼耗能，占比为72.6%，柱顶设置的黏滞阻尼器耗能占比为 0.1%，占比比例较小，主要原因为屋盖为大跨度钢结构，以及阻尼器的支座数量在整个主楼的支座数量总数占比(约15%)较少，后续建设阶段将进一步优化阻尼支座的设计。整体结构的耗能在 10s 以后趋于平缓，意味着结构弹塑性发展机制趋于稳定不再有新的塑性出现。
表3 主楼结构大震弹塑性分析总体指标
▲ 图10 人工波1 X 主方向结构能量图
3.6 多点多维地震响应分析
T3航站楼主楼平面超长，主楼下部混凝土分为A段和B 段两个结构单元，上部屋盖钢结构跨越主楼 A、B 段，整个主楼下部混凝土南北向长度为 510m，屋盖南北向长度为 542m，整个主楼下部混凝土东西向长度 488m，屋盖东西向长度为 488m，属于超长跨缝结构，对于支承复杂的空间结构需考虑地震动传播过程中非一致性对结构地震作用的影响。多点地震反应分析中最主要的是考虑行波效应的影响，本工程分析采用 MIDAS Gen 程序，采用相对位移法，在支座点直接输入不同的地震加速度，地震波波形不变，而到达各支座的时间有差异。为考察多点输入与一致输入的杆件内力变化，定义杆件的行波效应影响因子 a 为多点与一致激励时程分析所得的杆件绝对最大内力值F1与F2的比值。考虑主楼两个方向均为超长结构，以地震波Hector4500为例分别计算 X 向和 Y 向为主方向的多点多维地震响应，分析采用三向地震动输入，根据安评报告提供的场地剪切波速，地震波速为 280m/s。其中 X 主方向地震作用输入如图11所示。
▲ 图11 主楼 X 主方向地震作用输入支座分区图
3.6.1 行波效应对基底剪力的影响
以 X 主方向输入的一致激励和非一致激励为例，计算基底剪力时程。由各时程曲线(图12)比较可见，一致输入时基底剪力比多点输入时大。其原因归结于考虑行波效应时，各杆件振动步调不一致，叠加时为基底剪力有部分抵消，导致总基底剪力小于一致输入时总基底剪力。
▲ 图12 基底剪力时程
3.6.2 行波效应对钢屋盖的影响
从对钢屋盖的竖向位移、预应力拉索的索力、钢屋盖构件内力及支撑钢屋盖柱等方面进行一致激励和非一致激励的加速度时程计算比较分析，取典型位置的位移点及构件进行对比。计算结果显示，非一致激励与一致激励对钢屋盖的影响较小，钢网架构件轴力影响因子a分布在 0.25~0.5 之间，花冠柱轴力影响因子分布在 0.36~2.1 之间，其中边柱轴力影响因子较大。
3.6.3 行波效应对下部混凝土的影响
结构分析主要对下部混凝土框架柱的内力，A、B 段变形缝的相对位移，下部混凝土平面的扭转效应等方面进行考察。分析结果显示，多点输入对不同部位构件的内力影响不同，楼层越低影响越大，越接近角部和边部影响越大。支承屋盖柱的混凝土柱轴力影响因子分布在 0.25~1.86 之间，楼层框架柱轴力影响因子分布在 0.83~1.42之间。多点输入的扭转位移增大，相对位移最大达到8mm，虽然扭转位移增大但扭转位移角较小，最大扭转位移角约为 0.008/295=0.000027 ，绝对数值不大，伸缩缝宽度远远满足变形要求。
总体上多点地震作用对结构的扭转影响较大，扭转角有较大的幅度增加，但变形缝处的位移对变形缝处的宽度设置并没有影响；多点地震作用对结构底部影响较大，对结构上部的影响逐渐减少，对屋盖结构的影响较小。
3.7 花冠柱专项设计
分别进行了花冠柱弹性屈曲分析、极限承载力分析、考虑二阶P-Δ和P-δ效应的直接分析法验算，屈曲因子及荷载系数-位移如图13所示。从图13及计算结果可得，花冠柱屈曲因子为15.37，极限荷载系数 k cr =3.69>2.5，满足要求。
▲ 图13 花冠柱A计算分析
进行恒载、活载、温度作用、风荷载等非地震组合工况下静力非线性计算，采用直接分析法计算的花冠柱应力比70%左右构件在0.4以下，最大应力比0.87；1阶弹性设计构件最大应力比为0.85，两种设计方法计算结果均可满足规范要求。直接分析法花冠柱应力比云图如图14所示。
▲ 图14 直接分析法花冠柱应力比云图
柱顶节点弹性分析应力云图如图15所示。从图15可以看出，在弹性分析中，柱顶节点von Mises应力最大值为234.72MPa，小于Q460GJB钢材屈服强度440MPa。在弹塑性极限承载力分析中，柱顶节点的荷载-位移曲线出现明显极值点，花冠柱极限承载力为8.1倍设计荷载。
▲ 图15 柱顶节点弹性分析应力云图/MPa
花冠柱的抗震加强措施：花冠柱抗震等级四级，板件宽厚比满足S4级，内部按S4级要求设置加劲肋；另外花冠柱与下部混凝土结构楼层相连时，与之连接的框架梁采用型钢混凝土梁。花冠柱内部加劲肋如图16所示。
▲ 图16 花冠柱内部加劲肋示意图
3.8 抗震加强措施
针对本工程结构的不规则情况，设计从结构计算分析、结构抗震概念设计和构造几个方面，进行了超限分析并通过了专家评审 [8] ，参考白云T2航站楼等设计经验 [9-12] ，采取如下对策和措施确保本工程的安全、可靠、经济。
(1) 本工程在结构布置方面设置防震缝，同时作为温度缝有效地释放了超长结构的温度应力，保证结构的整体抗震性能。
(2) 针对较多的楼板大开洞，采用弹性楼板假定进行详细的有限元应力分析，根据楼板应力情况，对开洞薄弱部位的周边结构构件如楼板和梁均考虑加强，并按双层双向配筋。
(3) 针对扭转位移比超限，加强结构的抗扭刚度，通过合理布置抗侧力构件，减小偏心影响，降低楼层位移比。
(4) 改善结构整体受力，优化支承屋面钢结构花冠柱的受力形态，并优化支座布置以减小花冠柱内力。考虑花冠柱的特殊性，进行包含线性屈曲分析、极限承载力分析及直接分析法的专题分析计算，确保花冠柱结构安全可靠。
(5) 针对与花冠柱相连的楼层混凝土框架梁，在保证强柱弱梁耗能机制下增强混凝土框架梁的刚度，混凝土框架梁采用型钢混凝土梁，并与花冠柱相连以增强抗剪抗弯承载力。
(6) 考虑行波效应对结构的影响，施工图阶段采取计算加强措施，多点地震放大系数不与偶然偏心同时考虑。主体混凝土设计时考虑地震力的放大，边柱和角柱的放大系数取1.3，中部混凝土柱取1.1。
结论
(1) 广州白云国际机场T3航站楼为重大建设项目，结构设计根据建筑特殊造型、平面超长及建筑功能空间要求，结合抗震性能要求，采用以抗震为主设计策略，通过设置防震缝，合理确定结构体系及新型花冠柱构件，通过性能设计、精细化分析及抗震构造加强措施，保证结构具有良好的抗震性能。
(2) 本工程属于地震重点防御区中地震时使用功能不能中断或者需要尽快恢复的建设工程，结构设计根据地震时正常使用建筑的抗震性能要求进行加强，通过承载力及变形验算，主楼满足中震下完好或基本完好、大震下的轻微及轻度损坏的性能水准要求。
(3) T3航站楼最长混凝土结构单元接近500m，钢屋盖为超长跨缝结构，应在常规结构抗震分析的基础上，考虑多点地震动输入的双向超长平面结构的地震作用分析，研究行波效应对主体结构的影响，并对影响较大的构件以考虑地震作用放大系数的措施进行复核及加强。
