#标题创作挑战#
【摘要】 西安咸阳国际机场三期工程由东航站楼、综合交通中心及过夜住宿区组成。东航站楼由一座集中式主楼和六座墩台组成。东航站楼纵横长1242m，横竖长832m。通过设置隔震缝和抗震缝划分为独立的结构单元。主楼中心区域采用隔震设计，其余单元采用抗震设计。
东航站楼下部主体结构为钢筋混凝土框架结构，主楼屋面为斜置圆形钢管柱、Y型钢柱支撑的直立四面体空间曲网格钢结构，指廊屋面为圆形钢管柱支撑的单向实腹变截面钢梁结构。
论文主要介绍了东航站楼结构设计中的关键问题，包括湿陷性黄土地基处理、桩基础设计、隔震设计、超长结构及复杂钢结构设计等，并对东航站楼结构进行了大震弹塑性分析，分析结果表明东航站楼整体结构具有保持稳定和承受荷载的能力。
【关键词】西安咸阳国际机场；航站楼；湿陷性黄土地基；桩基础；隔震设计；超长结构；复杂钢结构
1 项目概况
西安咸阳国际机场是我国八大枢纽机场之一，也是国家“十三五”规划明确建设的国际枢纽机场之一。西安咸阳国际机场三期工程位于西安咸阳国际机场现有场地（西航站区）东侧。航站区主要分为东航站楼、综合交通中心、过夜客房三个建筑单元。东航站楼建筑面积约70万平方米，综合交通中心建筑面积约35万平方米，过夜客房建筑面积约6万平方米。东航站楼建筑效果图如图1所示。
图1 建筑效果图
东航站楼由集中式主楼及六条连廊组成，主体为钢筋混凝土框架结构，屋盖及其支撑柱为钢结构。
主楼为地上3层、地下1层（局部为地下3层），从下至上分别为：-18.12米捷运层（局部为地下3层）、-11.5米行李分拣层（局部为地下2层）、-6.5米卫星厅到达层（地下1层）、0.5米到达层（1层）、4.2米国际到达层（夹层）、7.5米国内混合层（2层）、14.5米国际出发层（3层）、20.5米商业（夹层）。
候机楼地上共2至3层，由下至上分别为：标高4.2m的国际到达层（夹层）、标高7.5m的国内混流层（第2层）、标高14.5m的国际出发层（第3层）。APM捷运系统穿过东航站楼主楼下部；地下市政通道、管廊、机场专线穿过候机楼下部。
东航站楼剖面图如图2所示。
图2 建筑剖面
工程结构设计使用年限为50年（捷运车站为100年），结构安全等级为一级，抗震设防类别为重点设防类别，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g；设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.43s。50年一遇基本风压为0.35kN/㎡，地面粗糙度类别为B类。建设场地地貌单元属于黄土塬，为自重湿陷性黄土场地，湿陷性等级为Ⅱ级（中等）至Ⅳ级（极严重）。地基设计等级为A级。
1 结构设计
东航站楼南北长1242米，东西宽832米，通过设置隔震缝和抗震缝划分为独立的结构单元，主楼采用隔震设计，其余单元采用抗震设计。
东航站楼主体混凝土结构分为23个结构单元，其中主楼为独立结构单元，平面尺寸为486m×252m；钢屋盖分为17个结构单元，亦为主楼区域内的独立单元，平面尺寸为521m×286m。
主建筑区域与其他区域之间的结构缝按隔震缝要求设置，其他结构单元之间的结构缝按防震缝要求设置。主体结构及钢屋盖结构单元划分如图3所示。
图3 结构单元划分/m
东航站楼下部主体结构为钢筋混凝土框架结构，主楼屋面为斜置圆形钢管柱、Y型钢柱支撑的直立四面体空间曲网格钢结构，指廊屋面采用圆形钢管柱支撑的单向实腹变截面钢梁结构。
东航站楼典型柱网尺寸为18m×18m，楼面结构采用现浇钢筋混凝土十字交叉梁楼盖体系。柱混凝土强度等级为C50，梁混凝土强度等级为C40，钢柱强度为Q355GJC、Q390GJC。主楼典型结构平面布置图如图4所示。普通框架柱直径为1600~1800mm，支撑屋面柱直径为2400mm，框架梁截面为1000mm×1300mm，楼面厚度为140mm。
图4 主楼典型结构平面图
主楼钢结构屋面平面投影为长方形，宽286m，长521m，在南北对称位置设置两道交错的弧形竖向天窗，将屋面分为高、中、低三部分，高区屋脊标高为47.5m。屋面结构分区如图5所示，其中蓝色部分为各区域屋面一体化，中区屋面由4根Y型柱支撑，高区屋面由12根Y型柱支撑。为满足建筑功能与效果，侧窗仅采用两端铰接的单杆件连接，侧天窗的弱连接设置可有效减少温度应力。
图5 屋面结构分区示意图
主楼屋面采用方锥体网架结构，南北柱网距为36m，东西柱网距分别为36、54、72、54、18m。最东侧悬挑端为高架桥车道旁雨棚，最大悬挑25m。网架典型网格尺寸为4.5m×4.5m，厚度根据跨度分为3.4~3.7m。主楼整体结构模型如图6所示。
图6 主楼整体结构模型
3 基础设计
本项目建设场地地貌单元属于黄土塬，为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等）至Ⅳ级（极严重）。根据地基处理及地基方案经济性比较结果，需先对黄土的湿陷性质进行预处理，在有效桩长范围内提高单桩承载力。
参考近年来机场周边湿陷性黄土地基处理经验，采用静压沉管钻孔工艺成土挤密桩。钻孔直径D=560mm，桩距1200mm，呈等边三角形排列。桩身填料挤密系数不小于0.97，桩间土体挤密系数不小于0.93。处理后地基承载力不小于180kPa。
主楼结构体系复杂，设备及行李搬运荷载较大，柱间距较大，且需在14.5m标高处每隔一跨拆除一柱以满足高层建筑空间的需要，导致本工程单柱荷载较大，荷载分布不均。加之东航站楼中心区域土质不均匀，且地下三层设有地铁站，对基础沉降控制要求更为严格。
基础设计依据地质勘察资料及现场实际情况，结合当地实际工程经验，最终选择采用柱上钻孔灌注桩方案，并预处理场地湿陷性，以沉降变形与承载力双重控制标准确定桩身设计参数。考虑到捷运轨道区荷载较大，列车运行对地基变形控制要求较高，此区域灌注桩均增设后注浆技术。
基础设计依据地质勘察资料及现场实际情况，结合当地实际工程经验，最终选择采用柱上钻孔灌注桩方案，并预处理场地湿陷性，以沉降变形与承载力双重控制标准确定桩身设计参数。考虑到捷运轨道区荷载较大，列车运行对地基变形控制要求较高，此区域灌注桩均增设后注浆技术。
4 抗震性能目标
主楼下部为钢筋混凝土框架结构，屋面为大跨度钢结构，屋脊高度47.5m，为高层建筑。其超限情况为：主体结构存在不规则扭转、不连续楼板、夹层等不规则项目；主楼屋面结构单元长度大于300m；主楼采用层间隔震技术，属于标准规定中未包括的特殊形式的大型公共建筑。综合考虑以上因素，综合评价为超限项目。
根据该建筑主体结构自身特点及超限情况，考虑其使用功能和规模、震后损失及修复难度，参考《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3-2010），其抗震性能目标定为乙级，具体性能目标见表1。
表1 主要建筑抗震性能指标
5 隔震设计 5.1 设计概述
主楼为建筑的核心功能区，结构体系复杂，温度影响显著。为提高东航站楼大厅中心区域的抗震性能，减小温度变化对主体结构底层边柱的水平影响，在此区域设置了隔离层。
主楼地下一层柱顶设置隔离层，不仅起到隔震作用，还能有效降低楼板的温度应力。隔震设计不仅可以从根本上提高结构的抗震性能，还可以更好地保护楼内的重要设备和大面积的围护幕墙，避免在地震作用下造成严重的生命财产损失。
5.2 隔震目标
隔震目标是使水平地震作用减少1度，隔震层以上与水平地震作用相关的抗震措施减少1度，而垂直地震作用及其相关的抗震措施不减少。
5.3 隔震层布置
采用组合隔震技术，隔震层由铅芯橡胶隔震支座、普通橡胶隔震支座、弹性滑板支座、粘滞阻尼器组成。
根据竖向受力、水平减震要求及结构扭转控制确定铅芯橡胶支座、普通橡胶支座及弹性滑板支座的尺寸、参数及布置方式；铅芯橡胶隔震支座主要布置在建筑四周，增强隔震层抵抗偶然偏扭转的能力；弹性滑板支座设置在竖向轴力较大处，减少支座数量，有利于行李管线的穿越；设置少量粘滞阻尼器，在大地震下有效控制隔震层支座位移，确保结构有足够的安全储备和结构设计的经济性。
隔震层设置656个橡胶支座、60个弹性滑板支座、84个粘滞阻尼器。
5.4 地震输入
时程分析采用的峰值加速度值根据安全评价报告及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）（简称《建筑抗震设计规范》）确定，其峰值加速度值见表2。
表2 时程分析峰值加速度/加仑
选取5个天然波和2个人工波进行时程分析，将多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法地震影响系数曲线进行对比，结构主要振型对应的周期点差异不大于20%，如图7所示。
图7 中强地震时程反应谱与规范反应谱对比
5.5 隔震分析结果
隔震分析结果见《西安咸阳国际机场东航站楼隔震设计》，设计采用地下室柱顶隔震。除隔震相关的计算分析外，穿过地下室顶板隔震层的楼梯、电梯、自动扶梯、设备管线、行李系统等相对复杂，设计时需特殊处理。
6 大地震弹塑性时程分析
利用MIDAS/Gen2020完成大地震弹塑性时程分析计算。计算模型中，将一般顶板构件定义为弹性材料，关键顶板构件及其支撑钢结构定义为弹塑性材料，混凝土结构定义为弹塑性材料；对隔震装置进行了更为精确的模拟，考虑了非线性特性，其中铅芯橡胶支座水平本构结构采用双折线模拟，竖向考虑拉压刚度变化的特性，粘滞阻尼器采用Maxwell非线性单元模拟。重点分析了混凝土结构、顶板支撑构件、关键顶板构件的塑性变形及其发展。
6.1 能量时程分析
地震时程采用两组天然波和一组人工波，主方向、次方向、竖向峰值加速度输入比例为1:0.85:0.65，对于罕遇地震下的弹塑性分析，阻尼比取0.05。
以人工波为例罕遇地震钢结构阻尼比，地震波输入隔震结构后，地震能量的耗散如图8所示。
图8 隔震结构能量时程图
如图8所示，大部分地震能量被隔震支座和粘滞阻尼器所耗散，其中隔震支座占37.9%，粘滞阻尼器占35.8%，隔震层总耗能占结构整体耗能的73.7%。计算表明，隔震设计大大减少了上部结构的地震能量输入，隔震效果显著。
6.2 强震楼面损伤分析
在罕遇地震作用下，楼板协调框架柱间地震力的分配，因此楼板必然发生开裂。楼板开裂后，其抗拉刚度大大减弱，地震力会立即从楼板上卸载，裂缝不会扩展。在竖向荷载作用下，楼板仍然以对钢筋的拉力和对混凝土的压缩形式承受楼板上的竖向荷载，不会发生倒塌。通过分析可知，楼板的压缩损伤并不明显，楼板钢筋未发生塑性变形。第一层楼板损伤分析结果如图9所示。
图9 一楼板损坏及钢筋应变
6.3 大地震弹塑性分析结论
根据大震弹塑性时程分析结果，可以得出以下结论：
(1)混凝土结构最大层间位移角为1/512，小于1/100，满足预定的抗震性能目标。
(2)混凝土结构中，只有少量柱端出现塑性铰，且均处于轻微屈服状态；梁端塑性铰大部分处于轻微屈服状态，部分处于中度屈服状态；支撑钢结构屋盖的钢柱及关键屋盖拉杆均处于弹性状态。
(3)虽然部分构件进入弹塑性工作状态，但强度和刚度退化并不显著，结构整体仍具有足够的能力重新分配内力，保持其整体稳定性和承载能力。
7 超长结构分析 7.1 超长结构概述
东航站楼主楼混凝土结构平面尺寸为486m×252m，典型柱跨度为18m×18m，为超长结构，且在温度作用下混凝土收缩效应明显，需考虑其对结构的影响。
施工阶段结构温度与安全区环境温度接近，最高温度为37℃，最低温度为-9℃。正常使用阶段，夏季空调设计温度为26～28℃，冬季采暖设计温度为20℃。同时考虑东航站楼地面空调采暖区域与地下非空调采暖区域的温差，以及外幕墙处冷热桥因素的影响。混凝土结构温度效应取值见表3。温度荷载分项系数取1.5，混凝土收缩效应相当于等效温差进行计算。
表3 温度影响值/℃
（注：为进一步减少施工阶段混凝土收缩及温度变化对结构的影响，经优化比较后布置了一定数量的结构后浇带（宽3.0m，间距约125m）。）
表3中混凝土结构后浇带合拢温度综合考虑咸阳市全年气温分布情况，选取9～19℃范围罕遇地震钢结构阻尼比，除12月、1月、2月外，均可满足全年合拢要求。另外还考虑了合拢时隔震支座的定心、找平要求。控制目标是结构后浇带合拢时，加热温度应力能抵消大部分混凝土收缩应力，使隔震支座处于竖直状态，在无侧向变形的情况下进行最终合拢。
超长结构在混凝土收缩和季节性气温变化条件下，容易产生大量不可控的裂缝和大变形，影响结构的正常使用和承载力的安全性。为解决超长问题，东航站楼结构整体抗变形设计采用了“抗”、“放”、“防”的理念。放法是利用隔震技术减少上部结构竖向构件底部约束。抗法是在楼板内建立预应力，抵消梁板的收缩和温度变形。本工程梁板采用缓粘结预应力技术。
7.2 超长结构隔震前后对比分析
主楼施工阶段后浇缝封闭后，围护结构施工前，隔震前后主楼结构整体变形情况如图10所示。
图10 降温条件下主建筑结构整体变形量(mm)
从图10可以看出，在降温条件下，结构整体呈现向中心收缩的趋势，且其变形随着各构件距建筑中心点距离的增加而增大。
对于非隔震模型，由于竖向构件底部受预埋端约束，不能自由变形，将产生较大的内力。随着楼层数的增加，约束逐渐减弱，内力逐渐减小，变形也基本成正比增大。
对于隔震结构而言，由于上部结构与基础之间由柔性隔震层隔开，上部结构受到的侧向位移约束较小，整个结构在温度应力作用下更接近于自由变形，各层位移也比较接近。
基于以上结论，实际施工中，应在围护结构施工完毕、隔震层变形较小时，进行结构后浇缝的合龙。
使用阶段降温条件下，不采用隔震措施时，首层楼板大部分区域温度应力约为4.0MPa；采用隔震技术后，同样条件下楼板大部分区域温度应力在0.3MPa以内，仅中部洞口应力集中区域Y向应力约为1.3MPa，楼板两个方向温度应力均未超过所用C40混凝土抗拉强度标准值2.39MPa。
综上所述，采用隔震技术可以有效降低底层楼板的温度应力。
在后浇带范围内，结构梁、板、墙的钢筋均不直接连接，而是在后浇带范围内错开搭接，后浇带形成的结构单元采用跳接方式施工，平均每个仓体尺寸约50m。
7.3 预应力索布置方案的确定
根据结构受力特点、预期目标及施工难易程度，确定主楼区域预应力索布置方案，对预应力张拉跨数及张拉形式的选择进行比选，综合考虑预应力损失、施工难易程度、预应力钢筋工程量等因素，最终采用两跨两端张拉与单跨一端张拉相结合的钢筋布置方式。
7.4 超长混凝土结构裂缝控制
超长混凝土结构裂缝不可避免，但其危害性是可以控制的。结构控制从设计、施工、材料三个方面进行。通过人为设置诱导缝、控制施工期水化热升温降温速度、加强保温养护等措施，可以尽量减少裂缝的产生。
8 复杂钢结构设计 8.1 屋面系统研究
屋盖钢结构非线性稳定极限承载力分析结果见《西安咸阳国际机场东航站楼钢结构设计》。
在验证屋面抗连续倒塌性能时，基于突发事件风险概率评估，选取靠近车道入口的幕墙转角柱和中央大厅高区Y型柱两根屋面支撑柱，假设其在突发事件中因爆炸等破坏而失效，其余结构形成失效工况模型。
通过对两种破坏工况下模型的弹塑性分析可以看出，支撑柱损坏破坏后，其上方及相邻跨度局部区域屋盖杆件竖向位移迅速增加，屋盖失去承载能力而发生倒塌，但并未出现向周边蔓延的连续倒塌，表明屋盖钢结构体系具有良好的抵抗连续倒塌能力。
东航站楼中心区屋盖结构南北长度超过300m，根据《超高层建筑抗震设防专项审查技术要点》（建置[2015]67号）的要求，进行了考虑行波效应的多点地震反应分析。
计算分析选取地震波，考虑0°、90°两个方向传播，地震激发方向垂直于地震波传播方向。考虑到工程超限审查专家意见，采用视波速1500m/s进行计算分析。地震波输入及多点激发分区如图11所示。
图11 地震波输入及多点激励划分示意图
屋盖结构分别采用一致激励和多点激励两种不同激励方式进行计算分析，扭转效应、首层剪力、分力轴力均表现出不同的响应变化，变化规律不明显，因此在施工图设计中，局部关键杆件均采用考虑多点激励和一致激励的包络线设计。
8.2 Y 型柱分析
支撑钢屋盖的Y形柱截面为八边形，柱根截面尺寸平面内方向长1800mm，平面外方向宽1400mm，分叉后为马蹄形截面，其形状及截面如图12所示。
图12 Y型柱外形及截面图
Y形柱有限元分析使用钢柱法兰的厚度，网状的厚度为60mm，并且柱根的边界条件完全固定。
9关键节点分析
Y形圆柱节点是有限元分析的，根据整体模型中的最大载荷组合，并在节点分析中应用了。
图13应力分析结果云图/MPA
如图13所示，在设计负载的1倍（最大基本组合）的作用下，钢柱钢框架的最大应力为119.8MPA，混凝土的最大应力为21.8MPA，具有一定的安全储备，在达到7倍的安全储备后；
10 结论
（1）组合的隔离技术可以使各种轴承和粘性阻尼器的特性充分发挥作用，而隔离层轴承可以在各种地震动作以及风负载以及风负载和温度动作的合并工作条件下正常工作。
（3）通过计算各种工作条件，预防进行性崩溃和屋顶的非线性稳定性轴承能力分析，在弱部分中进行了相应的加固。
（4）在超长混凝土结构的不同阶段，温度应力分析的结果表明，地震隔离设计的使用可以有效地减少上层建筑的温度应力和变形。
（5）稀有地震下的弹性塑性时期分析的结果表明，尽管某些成分进入了弹性塑料阶段，但整体结构仍然具有维持稳定性和熊载荷的能力。
