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  • 减震技术丨全球最大的单体隔震建筑——昆明新

    2019-01-06

    工程概况

    昆明新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( A ) 、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。建筑总平面、立面及局部如图 13 所示。

     

    航站楼工程地上三层 , 局部四层 , 地下三层 , 建筑面积 548300, 航站楼南北长 855.1m , 东西宽1 131.8m ,中轴屋脊最高点相对标高 72.25m。航站楼下部结构采用钢筋混凝土框架结构,屋顶及支承屋顶的结构为结构 ,屋顶形状为双曲面 , 采用正放四角锥网架结构 ,屋顶支承结构为钢彩带、锥形钢管柱、变截面箱形摇摆柱。


    1 航站楼平面图



    2 建筑立面图





    航站楼局部效果图

    2 关键问题

    2.1昆明新机场航站楼面临复杂的场地环境

    昆明拟建场地跨越多个地貌单元 ,地形起伏不平 , 场区岩溶非常发育 , 多条断层从场区穿过 ,属高地震烈度区(图4)。场地为半挖半填场地,填筑厚度差异大,地基极不均匀。新建昆明国际机场航站区三维线框图见图5


    场地断层分布图


    5 新建昆明国际机场航站区三维线框


    2.2 昆明新机场航站楼面临严峻的地震形势

    工程场地位于近南北向小江地震带中段西缘(图6 , 距机场只有 12km 的小江断裂带为世界上活动级别最高的断裂带之一,500 年来平均 150 年发生一次近 8 级地震 ,至今 170 年没有发生7 级以上地震 , 形势愈来愈严峻。




    6   小江断裂带

     

    近场区为历史强震多发地段 , 自公元 1599 年有破坏性地震记载以来 , 至今共计有 M 4.7 级地震 7 ,其中 55.9 4 , 6 6.9 2 , 8 1 , 主要集中在场地东侧 ,为小江地震带内强震。云南地区2020年前强震危险性预测图见图7


    云南地区2020年前强震危险性预测图


    2.3昆明新机场航站楼结构复杂

    2.3.1结构超长

    下部钢筋混凝土框架结构分为 16 段;上部屋顶钢结构分为 7 ,如图8 所示。


    8   混凝土结构及屋顶钢结构分段示意图

     

     

    2.3.2 彩带钢结构

    航站楼 A ( 核心区) 屋顶支承结构为钢彩带结构,见图 7 。钢彩带结构的设计难度很大 , 如平面外计算长度取值 ( 规范没有规定) 、彩带的稳定、节点构造、钢结构制作问题等。

    屋顶钢结构正立面


    屋顶钢结构侧立面

    7  屋顶钢结构示意图

     

    钢结构彩带共 7 , 包括 5 榀垂直于地面的平面彩带和两榀与地面倾斜并在空中相交构成的空间彩带。彩带的轴测拆分图如图8 所示。


    8   彩带的轴测拆分图

    为实现将彩带飘起来的建筑设计理念 , 彩带的截面高度根据建筑要求统一定为 750mm , 各榀钢彩带的截面宽度根据结构计算确定。彩带截面见图 9

    9   彩带截面示意

    空间彩带的拱脚支承在 1#4#彩带的下彩带顶点 ,如图10 所示。




    10 1#4#彩带关系示意

     

    2.4 ( 东西侧面) 南北向平面钢框架

    为提高屋顶层结构的抗侧刚度 , 在东西侧面布置南北向带支撑的平面钢框架结构 , 柱顶与网架铰接。柱截面为组合 T 形截面 , 如图11 所示。典型截面宽2m , 1.675m , 其中下部箱型高 0.75m , 伸出箱型高0.925m ,壁厚以 25m m 为主。


    图 11  T 形柱截面示意

    2.5 锥形钢管柱

    彩带以外部分为减小结构跨度 , 布置 16 根锥形钢管柱 ,柱顶与屋顶网架固定铰接。柱截面为圆形 , 由固定端到屋顶钢柱截面直径线性减少 ,单边斜率 2 %

     

    2.6 弧线边界上的摇摆柱

    为减小悬挑网架的变形 ,结合幕墙支承的要求 , 在东西弧线边界上 , 每隔 5.8m 左右设置一根摇摆柱 , 摇摆柱沿弧线边界与地面倾斜 12 ° , 高度在 15.263 21.352m 之间 ,柱截面为变高度梯形截面 , 根据柱高分为六种尺寸的截面 , 如图12 所示。摇摆柱上端与网架铰接、下端与混凝土结构铰接。

    12   摇摆柱部分截面示意图

     

    3 索幕墙结构

    A( 核心区) 1#钢彩带为满足建筑要求 , 采用了索幕墙结构 (13) , 可以取得最大的通透效果 ,体现钢结构彩带的立面特色。

    昆明新机场航站楼工程索结构有以下几个方面的特点 :1) 幕墙的受力索穿过钢彩带结构 ; 2) 索网结构不规则 ;3) 支撑索结构的为钢彩带结构 , 钢彩带与索结构的变形会相互影响 ; 4) 索节点的构造复杂 ; 5) 索的张拉施工难度很大。

    13  索幕墙布置图

     

    4 屋顶网架结构

    A区屋顶东西方向尺寸 336.6m , 南北方向尺寸275m ,采用变厚度双曲面网架结构 , 网架上、下表面均为空间曲面。采用正放四角锥网架形式 , 大部分网格尺寸为 4.0m × 4.0m , 局部区域网格尺寸为 6.0m ×4.0m ,在边界部位为不规则网格。在南侧中部悬挑根部 ,网架结构高度最大为 8.0m , 沿南北、东西方向网架高度变簿 ,最小高度 2.5m。网架最大跨度 72m ,南端为悬挑结构 ,最大悬挑跨度 36m( 不包括 6m 挑檐)

     

    屋顶网架结构采用下弦支承。为适应航站楼周边幕墙柱分格并为屋面挑檐提供较好的支承条件 , 沿整个屋面边界设置边桁架。屋顶曲面是由直线和圆弧线组成光滑连续的母线沿由直线和圆弧线组成的光滑连续的路径线平移或者旋转移动得来。图 14,15 为核心区 ( A ) 屋顶曲面的成形方法。

    14  核心区(A ) 屋顶曲面示意

    15   屋顶成形方法

     

    核心区( A ) 屋顶结构如图 16所示。网架与彩带、锥形钢管柱、摇摆柱的连接节点大样如图 1719 所示。

    16  核心区(A )屋顶平面

    17  网架与彩带连接节点大样示意图

    18  网架与锥形钢柱连接节点大样示意图

    19  网架与幕墙摇摆柱连接节点大样示意图

    5  隔震结构

    5.1  隔震设计思路

    昆明新机场航站楼隔震设计的总体思路 : 1) 组合隔震 ;2) 在隔震层布置一定数量的阻尼器来控制大震位移 ;3) 中心区叠层橡胶隔震支座 , 外围采用铅芯橡胶隔震的组合来提高隔震效率 , 同时限制隔震层的偏心率 ,避免隔震结构的扭转 ; 4) 为解决柱轴力过大 , 采用了在一个柱下并联多个隔震支座的做法,见图 20

    20  橡胶垫排列形式示意图

     

    结构隔震共采用1000m m的铅芯橡胶垫 651 个,1000m m的叠层橡胶垫1152 , 共计1803 ,阻尼器类型为粘滞性阻尼器 ,数量为108 个。具体参数见图21

     


    21  阻尼器参数

    5.2 隔震连接构造

    根据柱下竖向力的大小,每个柱下设置1~6个隔震垫,为了安装施工或更换方便,隔震垫之间留有足够的净距,如图22所示。

    22  橡胶垫的连接示意

     

    隔震垫布置在桩基础承台上,上部结构地板梁向下设支墩,阻尼器水平设置在桩基础承台和该支墩之间,见图23。隔震垫布置示意见图24

    23  阻尼、橡胶垫与支墩的关系


    24  隔震垫布置示意图



    25  X向阻尼器布置及编号


    26  Y向阻尼器布置及编号

     

    5.3  地震模拟振动台试验

    振动台试验见图27 , 通过试验得出以下结论 : 从整体上看 , 该航站楼结构设计基本合理 , 隔震效果明显 , 可满足“小震不坏 ,中震可修 , 大震不倒”的抗震设防水准和 8.2度的设计设防要求。



    27   试验现场照片

    6   系列现场照片









    更多内容详见《建筑结构》杂志2009年第12期文章,题目:昆明新机场航站楼钢结构设计;作者:束伟农 , 朱忠义 , 柯长华 , 黄嘉 , 秦凯 , 王毅 , 卜龙瑰;单位:北京市建筑设计研究院;题目:昆明新机场航站楼工程结构设计介绍;作者:束伟农, 朱忠义, 柯长华, 王春华 , 祁跃 , 黄嘉 , 秦凯 , 王毅;单位:北京市建筑设计研究院。


    以上内容由《减震技术》杂志编辑整理