羅赤宇，區(qū) 彤，譚 堅，戴朋森，張連飛，張艷輝，李文生，林松偉,2

(1 廣東省建筑設計研究院有限公司， 廣州 510010；2 廣州大學土木工程學院， 廣州 510006)

0 引言

廣州白云國際機場三期擴建工程總投資超過500億元，建設規(guī)模巨大，主要建設西二跑道(第四跑道)、東三跑道(第五跑道)，新建三號航站樓(T3航站樓)和二號航站樓[1]東四、西四指廊，并在T3航站樓前建設綜合交通中心，引入地鐵、城際鐵路、高速鐵路等軌道交通線路。廣州白云國際機場三期擴建工程的建設對于強化廣州國際航空樞紐、推動民航強國戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)、打造粵港澳大灣區(qū)發(fā)展新動力源具有重要意義。

為了提高建設工程抗震防災能力，降低地震災害風險，我國有關法律法規(guī)對位于高烈度設防地區(qū)、地震重點監(jiān)視防御區(qū)的重大建設工程、地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建設工程、地震時使用功能不能中斷或者需要盡快恢復的建設工程提出了明確的抗震設計要求，并根據(jù)建筑使用功能以及在抗震救災中的作用等因素，要求或鼓勵各類建設工程中采用隔震減震等技術，提高抗震性能[2]。

廣州白云國際機場三期擴建工程在T3航站樓、綜合交通中心等分項工程中，根據(jù)工程的建筑功能、空間要求以及與軌道交通建筑合建的特點，采用以抗震為主，結合消能減震及隔震技術應用的設計，使各分項工程均具有良好的抗震性能，保證發(fā)生本區(qū)域設防地震時，T3航站樓能夠滿足正常使用要求。

根據(jù)T3航站樓的項目特點，采用框架結構體系，考慮經(jīng)濟性，結合《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術導則》(報批稿)，確定按照正常使用Ⅱ類建筑的性能目標要求進行加強；結合超長結構的多點多維地震響應分析，研究行波效應對主體結構的影響并確定相應的加強措施；對異形的關鍵構件進行專項研究。

1 工程概況

廣州白云國際機場T3航站樓工程設計年旅客吞吐量為3 000萬人次，近機位55個，建筑面積約50萬m2，另設地下設備管廊和地下行李專用設施，建筑面積分別為3萬m2和2.2萬m2，登機橋固定端建筑面積為3.2萬m2。建筑設計以具有廣州特色的“花開羊城、羊城花冠”為造型概念，采用高效的站坪規(guī)劃及一軸兩園的空間結構，建筑效果如圖1所示。

T3航站樓平面呈大H形，南北長約970m，東西長約520m，由主樓和指廊組成，其中主樓布置在平面中間，指廊布置在主樓東西兩側。主樓地下1層，地上5層，自下至上分別為APM捷運站臺層、到達及行李提取層、到達層(夾層)、混流層(夾層)、辦票大廳出發(fā)層、商業(yè)(夾層)及鋼結構屋面層。指廊地下1層，地上2～4層，自下而上分別為設備管廊層、候機廳及設備房層、4.50～13.5m三個候機廳層及鋼結構屋面層。主樓和指廊剖面見文獻[3]。

T3航站樓除APM捷運系統(tǒng)相關范圍的結構使用年限為100年外，航站樓主體結構設計使用年限為50年，設計基準期為50年，結構安全等級為一級，抗震設防類別為重點設防類(乙類)，結構重要性系數(shù)γ0為1.1。重要構件(框架梁、框架柱、承臺、地下室底板及側壁)鋼筋混凝土耐久性設計使用年限為100年，其余構件耐久性設計使用年限為50年。

T3航站樓建設場地為廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn)，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[4]及安評報告[5]，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35s。項目位于巖溶強烈發(fā)育地區(qū)[6-7]，場地50年一遇基本風壓為0.5kPa，地面粗糙度類別為B類。地震參數(shù)見表1，本工程小震按安評報告[5]參數(shù)進行計算，中震和大震按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)計算。

表1 安評報告與規(guī)范地震參數(shù)對比

2 結構設計概況

根據(jù)建筑總平面的構型及功能分區(qū)布置，綜合考慮混凝土結構及屋蓋鋼結構合理的結構長度，主樓結構平面通過設置防震縫分為主樓A段及主樓B段兩部分，位于主樓東西兩側的指廊則通過設置防震縫各分為8段(圖2)。地面±0.000m以上設置防震縫，地面±0.000m及以下不設防震縫。T3航站樓結構分區(qū)示意如圖2所示。

主樓A段平面尺寸約為488m×150m，混凝土結構高度為19.0m，鋼結構屋蓋高度為30～40m；主樓B段平面尺寸約為360m×300m，混凝土結構高度約為24m，鋼結構屋蓋高度約為40m；主樓典型軸網(wǎng)為18m×18m、18m×9m、18m×12m。各段指廊均為狹長形平面，東北指廊、西北指廊的平面寬度為48m，典型軸網(wǎng)為18m×18m、18m×9m、9m×9m；其余指廊的平面寬度為27m，典型軸網(wǎng)為18m×18m、18m×8m、9m×8m。長寬比最大的指廊長度約300m，鋼筋混凝土柱頂標高為23.4m，鋼結構屋蓋結構高度約為30m。

T3航站樓屋面采用鋼結構，下部主體結構采用現(xiàn)澆混凝土框架結構，支承屋蓋的花冠柱采用鋼-混凝土組合結構?？紤]水平構件承載力、變形控制及超長混凝土結構抗裂的要求，跨度大于12m結構梁及跨度大于5m的懸臂梁采用緩粘結預應力混凝土梁，跨度小于12m的梁采用無粘結預應力混凝土梁。地下室底板采用板厚400～900mm的無梁樓蓋，其余層采用梁板結構，樓板厚度為130～150mm。主樓及指廊地下室梁板混凝土強度等級為C35，地上梁板混凝土強度等級為C40，墻柱混凝土強度等級為C40～C60。

T3航站樓整體屋面呈現(xiàn)花瓣曲面造型，由于屋面為不規(guī)則自由曲面，同時為滿足建筑布局功能需求及空間要求，主樓屋蓋采用預應力鋼網(wǎng)架結構(圖3、4)，其中穹頂玻璃天窗區(qū)域采用單層網(wǎng)殼-斜交桁架組合結構。指廊屋蓋采用鋼網(wǎng)架結構，玻璃采光頂范圍采用桁架結構連系(圖5)。主樓及指廊鋼結構構件截面主要為圓管截面，網(wǎng)架桿件截面為φ76×5～φ550×20，節(jié)點采用焊接空心球，焊接空心球直徑為300～700mm，材質均為Q355B。主樓屋蓋鋼結構分塊區(qū)域東西向最大長度為 488m，南北向長度565m，屬于超長結構，為解決溫度應力的不利作用，沿長向布置萬向滑動支座和滑動阻尼支座以應對溫度作用。

主樓支承屋蓋鋼結構柱為本工程特色的花冠狀分叉柱(簡稱花冠柱)和鋼筋混凝土圓柱(直徑1 200～1 600mm)，其橫向(東西向)最大柱距約為54m，縱向(南北向)最大柱距約為145m，屋蓋檐口最大懸挑25m。指廊支承屋蓋柱均為鋼筋混凝土圓柱(直徑1 200mm)，標準柱距為25m，最大柱距為34m，屋面檐口最大懸挑16m。除南邊第一排花冠柱外，其余花冠柱從地下1層到屋蓋均與混凝土樓層梁連接，花冠柱為鋼結構柱，材質為Q460，支承屋蓋柱布置見圖6。

3 抗震性能設計

T3航站樓屬于體型復雜、平面超長的建筑，最長結構單元長度為488m，屋蓋鋼結構最大跨度達到153m，支承屋蓋的花冠柱為復雜彎扭新型構件，屋蓋下部鋼筋混凝土樓蓋結構普遍為重載大跨度梁，曲面索網(wǎng)幕墻結構與主體結構一體化設計。盡管建設場地抗震設防烈度為6度，屋蓋大跨度鋼結構承載力及變形以風荷載作用控制為主，綜合考慮建筑重要性、結構特點及保證中震作用下建筑結構正常使用，本工程針對性地制定結構抗震設計策略，通過提高關鍵構件的抗震性能目標，進行不同烈度下地震作用計算及多點地震動輸入的超長平面結構地震作用分析，對結構及構件薄弱部位進行加強，從而確保結構整體抗震性能滿足要求。

3.1 構件抗震等級

本工程為乙類建筑，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)，抗震等級采用按高于本地區(qū)的抗震設防烈度1度的要求確定。結構構件的抗震等級要求如下：

(1)主樓A段及主樓B段，地上混凝土框架抗震等級為二級，地下1層混凝土框架抗震等級為二級，地下2層混凝土框架抗震等級為三級。

(2)各指廊地上混凝土框架抗震等級為二級，地下1層混凝土框架抗震等級為二級，地下2層混凝土框架抗震等級為三級。

(3)鋼框架、雨棚、花冠柱、浮島及登機橋等抗震等級為四級，屋蓋鋼結構截面板件寬厚比滿足《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)S3級延性構造要求，花冠柱滿足S4級延性要求。

3.2 超限概況及性能目標

參照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)和《廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查實施細則》(粵建市〔2016〕20號)的有關規(guī)定，本工程主體結構為鋼筋混凝土框架結構，結構高度并未超限；屋蓋鋼結構為鋼網(wǎng)架結構，屋面鋼結構最高高度約為40.00m，不屬于特殊類型高層結構?？紤]屋蓋鋼結構最大跨度約為144m，懸挑最大為32m，最大結構單元長度為565m，屬于超限大跨空間結構。

針對本工程的特點，考慮T3航站樓屬于地震時使用功能不能中斷或者需要盡快恢復的建設工程，應保證發(fā)生本區(qū)域設防地震時能夠滿足正常使用要求，參考《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術導則》(報批稿)，施工圖設計階段根據(jù)地震時正常使用Ⅱ類建筑的性能目標要求進行加強，在設防地震作用下，彈性層間位移角不大于1/300限值，總體性能目標達到B級的要求，主樓具體采用的抗震性能水準如表2所示。

表2 結構實現(xiàn)抗震性能的設計要求

3.3 結構動力特性

采用了YJK和MIDAS Gen兩種有限元分析軟件進行對比分析。兩種模型按屋面鋼結構剛度相近，各樓層重力荷載代表值相同以及各樓層地震作用基本一致的原則建立模型?？紤]下部混凝土結構與屋面鋼結構的阻尼比不同，在軟件中對整體模型阻尼比統(tǒng)一取 0.035進行計算分析。

整體模型振型如圖7所示。計算結果顯示，主樓整體模型的周期密集，前4階振型均為屋蓋水平方向的整體平動，其中，第1階振型周期為1.478 9s，Y向平動；第2階振型周期為1.031 5s，X向平動。第5階振型周期為0.914 4s，為屋蓋的扭轉。

3.4 中震作用分析

根據(jù)本工程預設的抗震性能目標，主樓按地震時正常使用建筑的要求進行設計，考慮抗震設防烈度為6度，采用振型分解反應譜法計算時，水平地震影響系數(shù)最大值乘以1.5增大系數(shù)，結構構件承載力按照設防地震作用進行驗算，重要構件承載力滿足中震彈性的要求。荷載作用分項系數(shù)按《工程結構通用規(guī)范》(GB 55002—2021)取值，中震計算不考慮風荷載和溫度作用，結構整體分析模型阻尼比與小震計算均取為0.035。

計算結果表明，主樓關鍵構件、普通豎向構件、耗能構件均達到了預設的抗震性能目標要求。中震彈性計算的鋼結構屋蓋構件最大應力比為0.85，花冠柱應力比最大為0.59(圖8)，索構件應力比均小于 0.5；下部混凝土框架結構最大層間位移角為1/351，滿足不大于1/300限值的震時正常使用建筑變形的控制要求。

對于狹長形平面的指廊結構，抗震性能化計算首先根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)要求對梁和普通框架柱(支承鋼屋蓋框架柱除外)進行規(guī)范要求的性能化驗算，然后對支承鋼屋蓋框架柱進行單獨計算，以高于規(guī)范要求的性能標準驗算其受力特性。屋面鋼結構關鍵構件需滿足中震彈性的要求，中震作用下，東南、西南指廊屋面鋼結構支座處關鍵構件最大應力比為 0.61，東、西指廊屋面鋼結構支座處關鍵構件最大應力比為 0.73，東北、西北指廊屋面鋼結構支座處關鍵構件最大應力比為 0.99。經(jīng)分析驗算，各指廊屋面鋼結構構件滿足預設的中震不屈服性能目標的要求(圖9)。

3.5 大震作用分析

主樓根據(jù)震時正常使用建筑性能目標，應滿足大震作用下輕微或輕度損壞的要求，抗震設計分別進行大震等效彈性及大震彈塑性分析。在大震作用下，花冠柱應力比最大為0.74，主樓鋼屋蓋關鍵構件應力比最大為1，以及索構件應力比均滿足大震彈性要求；主樓鋼屋蓋其他構件滿足大震不屈服要求。

為進一步驗證T3航站樓在大震作用下的抗震性能，本工程采用MIDAS Gen 2020對主體結構進行了動力彈塑性計算分析。動力時程分析地震波采用小震時程分析的3條波，并按大震作用調整加速度峰值。按三向地震計算，主方向地震加速度峰值為125m/s2，主次方向與豎直方向地震加速度峰值比為1∶0.85∶0.65，阻尼比取 5%。主樓結構在三向地震作用下的彈塑性分析整體結果匯總見表3。MIDAS Gen計算結構總質量為637 479.582t，小震X向基底剪力為107 300kN，Y向基底剪力為109 430kN?？蚣苤?花冠柱)、支承屋蓋柱柱頂最大位移角分別為1/535、1/209，滿足大震作用下不大于1/100限值的震時正常使用的Ⅱ類建筑的變形控制要求。

大震作用下，人工波1 沿X主方向輸入時的結構能量圖如圖10所示。從圖10可以看出，結構耗能主要為阻尼耗能，占比為72.6%，柱頂設置的黏滯阻尼器耗能占比為 0.1%，占比比例較小，主要原因為屋蓋為大跨度鋼結構，以及阻尼器的支座數(shù)量在整個主樓的支座數(shù)量總數(shù)占比(約15%)較少，后續(xù)建設階段將進一步優(yōu)化阻尼支座的設計。整體結構的耗能在 10s 以后趨于平緩，意味著結構彈塑性發(fā)展機制趨于穩(wěn)定不再有新的塑性出現(xiàn)。

表3 主樓結構大震彈塑性分析總體指標

對于混凝土結構，根據(jù)輸入?yún)⒖佳有韵禂?shù)將塑性鉸劃分為5個不同的狀態(tài)，Level 1～Level 5分別代表構件進入屈服狀態(tài)、輕微損壞狀態(tài)、中度損壞狀態(tài)、比較嚴重破壞狀態(tài)和構件失效，已不可修復使用，但構件尚能承受重力荷載而避免倒塌。從彈塑性分析塑性鉸的開展過程(圖11～13)可以看出，混凝土框架梁首先出現(xiàn)塑性鉸并開始進入塑性耗能狀態(tài)，緊接著框架柱開始出現(xiàn)塑性鉸，但大部分塑性鉸狀態(tài)為線性，未進入屈服狀態(tài)，支承屋蓋柱的塑性鉸開展較慢，整個塑性鉸的發(fā)展過程滿足強柱弱梁的發(fā)展機制。

從整體結構塑性鉸最終分布狀態(tài)可以看出，在大震作用下，大部分構件仍處于彈性狀態(tài)，只有少部分構件出現(xiàn)輕微損壞，進入屈服狀態(tài)的塑性鉸大部分集中在框架梁區(qū)域，支承屋蓋花冠柱仍處于彈性狀態(tài)，未進入屈服狀態(tài)，支撐屋蓋混凝土柱小部分構件進入Level 1狀態(tài)，應力并未超過極限強度而出現(xiàn)嚴重破壞，鋼屋蓋個別構件出現(xiàn)Level2狀態(tài)，即輕微損傷狀態(tài)，整個結構在大震下抗震性能良好，滿足抗震性能目標。

3.6 多點多維地震響應分析

T3航站樓主樓平面超長，主樓下部混凝土分為A段和B 段兩個結構單元，上部屋蓋鋼結構跨越主樓 A、B 段，整個主樓下部混凝土南北向長度為 510m，屋蓋南北向長度為 542m，整個主樓下部混凝土東西向長度 488m，屋蓋東西向長度為 488m，屬于超長跨縫結構，對于支承復雜的空間結構需考慮地震動傳播過程中非一致性對結構地震作用的影響。多點地震反應分析中最主要的是考慮行波效應的影響，本工程分析采用 MIDAS Gen 程序，采用相對位移法，在支座點直接輸入不同的地震加速度，地震波波形不變，而到達各支座的時間有差異。為考察多點輸入與一致輸入的桿件內力變化，定義桿件的行波效應影響因子a為多點與一致激勵時程分析所得的桿件絕對最大內力值F1與F2的比值?？紤]主樓兩個方向均為超長結構，以地震波Hector4500為例分別計算X向和Y向為主方向的多點多維地震響應，分析采用三向地震動輸入，根據(jù)安評報告提供的場地剪切波速，地震波速為 280m/s。其中X主方向地震作用輸入如圖14所示。

3.6.1 行波效應對基底剪力的影響

以X主方向輸入的一致激勵和非一致激勵為例，計算基底剪力時程。由各時程曲線(圖15)比較可見，一致輸入時基底剪力比多點輸入時大。其原因歸結于考慮行波效應時，各桿件振動步調不一致，疊加時為基底剪力有部分抵消，導致總基底剪力小于一致輸入時總基底剪力。

3.6.2 行波效應對鋼屋蓋的影響

從對鋼屋蓋的豎向位移、預應力拉索的索力、鋼屋蓋構件內力及支撐鋼屋蓋柱等方面進行一致激勵和非一致激勵的加速度時程計算比較分析，取典型位置的位移點及構件進行對比。計算結果顯示，非一致激勵與一致激勵對鋼屋蓋的影響較小，鋼網(wǎng)架構件軸力影響因子a分布在 0.25～0.5 之間，花冠柱軸力影響因子分布在 0.36～2.1 之間，其中邊柱軸力影響因子較大。

3.6.3 行波效應對下部混凝土的影響

結構分析主要對下部混凝土框架柱的內力，A、B 段變形縫的相對位移，下部混凝土平面的扭轉效應等方面進行考察。分析結果顯示，多點輸入對不同部位構件的內力影響不同，樓層越低影響越大，越接近角部和邊部影響越大。支承屋蓋柱的混凝土柱軸力影響因子分布在 0.25～1.86 之間，樓層框架柱軸力影響因子分布在 0.83～1.42之間。多點輸入的扭轉位移增大，相對位移最大達到8mm，雖然扭轉位移增大但扭轉位移角較小，最大扭轉位移角約為 0.008/295=0.000 027 ，絕對數(shù)值不大，伸縮縫寬度遠遠滿足變形要求。

總體上多點地震作用對結構的扭轉影響較大，扭轉角有較大的幅度增加，但變形縫處的位移對變形縫處的寬度設置并沒有影響；多點地震作用對結構底部影響較大，對結構上部的影響逐漸減少，對屋蓋結構的影響較小。

3.7 花冠柱專項設計

分別進行了花冠柱彈性屈曲分析、極限承載力分析、考慮二階P-Δ和P-δ效應的直接分析法驗算，屈曲因子及荷載系數(shù)-位移如圖16所示。從圖16及計算結果可得，花冠柱屈曲因子為15.37，極限荷載系數(shù)kcr=3.69>2.5，滿足要求。

進行恒載、活載、溫度作用、風荷載等非地震組合工況下靜力非線性計算，采用直接分析法計算的花冠柱應力比70%左右構件在0.4以下，最大應力比0.87；1階彈性設計構件最大應力比為0.85，兩種設計方法計算結果均可滿足規(guī)范要求。直接分析法花冠柱應力比云圖如圖17所示。

柱頂節(jié)點彈性分析應力云圖如圖18所示。從圖18可以看出，在彈性分析中，柱頂節(jié)點von Mises應力最大值為234.72MPa，小于Q460GJB鋼材屈服強度440MPa。在彈塑性極限承載力分析中，柱頂節(jié)點的荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯極值點，花冠柱極限承載力為8.1倍設計荷載。

花冠柱的抗震加強措施：花冠柱抗震等級四級，板件寬厚比滿足S4級，內部按S4級要求設置加勁肋；另外花冠柱與下部混凝土結構樓層相連時，與之連接的框架梁采用型鋼混凝土梁?；ü谥鶅炔考觿爬呷鐖D19所示。

3.8 抗震加強措施

針對本工程結構的不規(guī)則情況，設計從結構計算分析、結構抗震概念設計和構造幾個方面，進行了超限分析并通過了專家評審[8]，參考白云T2航站樓等設計經(jīng)驗[9-12]，采取如下對策和措施確保本工程的安全、可靠、經(jīng)濟。

(1)本工程在結構布置方面設置防震縫，同時作為溫度縫有效地釋放了超長結構的溫度應力，保證結構的整體抗震性能。

(2)針對較多的樓板大開洞，采用彈性樓板假定進行詳細的有限元應力分析，根據(jù)樓板應力情況，對開洞薄弱部位的周邊結構構件如樓板和梁均考慮加強，并按雙層雙向配筋。

(3)針對扭轉位移比超限，加強結構的抗扭剛度，通過合理布置抗側力構件，減小偏心影響，降低樓層位移比。

(4)改善結構整體受力，優(yōu)化支承屋面鋼結構花冠柱的受力形態(tài)，并優(yōu)化支座布置以減小花冠柱內力?？紤]花冠柱的特殊性，進行包含線性屈曲分析、極限承載力分析及直接分析法的專題分析計算，確?；ü谥Y構安全可靠。

(5)針對與花冠柱相連的樓層混凝土框架梁，在保證強柱弱梁耗能機制下增強混凝土框架梁的剛度，混凝土框架梁采用型鋼混凝土梁，并與花冠柱相連以增強抗剪抗彎承載力。

(6)考慮行波效應對結構的影響，施工圖階段采取計算加強措施，多點地震放大系數(shù)不與偶然偏心同時考慮。主體混凝土設計時考慮地震力的放大，邊柱和角柱的放大系數(shù)取1.3，中部混凝土柱取1.1。

4 結論

(1)廣州白云國際機場T3航站樓為重大建設項目，結構設計根據(jù)建筑特殊造型、平面超長及建筑功能空間要求，結合抗震性能要求，采用以抗震為主設計策略，通過設置防震縫，合理確定結構體系及新型花冠柱構件，通過性能設計、精細化分析及抗震構造加強措施，保證結構具有良好的抗震性能。

(2)本工程屬于地震重點防御區(qū)中地震時使用功能不能中斷或者需要盡快恢復的建設工程，結構設計根據(jù)地震時正常使用建筑的抗震性能要求進行加強，通過承載力及變形驗算，主樓滿足中震下完好或基本完好、大震下的輕微及輕度損壞的性能水準要求。

(3)T3航站樓最長混凝土結構單元接近500m，鋼屋蓋為超長跨縫結構，應在常規(guī)結構抗震分析的基礎上，考慮多點地震動輸入的雙向超長平面結構的地震作用分析，研究行波效應對主體結構的影響，并對影響較大的構件以考慮地震作用放大系數(shù)的措施進行復核及加強。