广州白云国际机场三号航站楼结构抗震设计

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

表1 安评报告与规范地震参数对比

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

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5 指廊钢网架结构布置示意图

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。

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。

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。

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

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

▲ 图9 中震作用下东(西)北指廊屋盖钢构件应力比

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

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

▲ 图12 基底剪力时程

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。

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

▲ 图14 直接分析法花冠柱应力比云图

▲ 图15 柱顶节点弹性分析应力云图/MPa

▲ 图16 花冠柱内部加劲肋示意图

(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。