北京大兴国际机场已开通“满月”。这座全新的现代化国际空港的模样犹如一只闪耀着金光的凤凰。它在北京中轴线延长线的南端展翅腾飞。去过大兴机场的旅客，都对这只“凤凰”的中心——航站楼中央大厅印象深刻。其大跨度、高透光的设计，让身处其中的旅客有豁然开朗之感。这种设计带来了新的挑战，那就是到底能否有效抵御地震等自然灾害的侵扰呢？
机场动工建设伊始，为确保航站楼“固若金汤”大兴机场钢结构，北京工业大学和北京建筑大学的师生团队便启动了对中央大厅屋顶钢结构稳定性能及抗震性能的验证研究。历经三年多时间，研究团队运用理论、模拟、试验以及监测相互印证等多种方法，最终确定在 8 度地震波的考验下，航站楼钢架能够安然无恙，而在 9 度罕遇地震的情况下，中央大厅的钢架结构也不会倒塌。据悉，该项研究成果已经提交给大兴机场建设有关部门。
巨大考验
百米跨度大厅挑战抗震能力
国内知名的钢结构工程技术专家是张爱林教授，他是该研究项目的主要负责人。2014 年，那时的张爱林还在北京工业大学任教，他申报了北京市科委的项目，以此来支撑北京新机场新型大跨度钢结构的研究。
当时，国家发改委批复了大兴机场。法国 ADP Ingenierie 建筑事务所与扎哈·哈迪德工作室成功获得新机场 T1 航站楼设计项目。按照设计方案，这座航站楼的外形好似展翅的凤凰，其造型为五指廊，旅客从航站楼中心步行至任何一个登机口，所需时间不超过 8 分钟。
这种设计，给旅客带来了很大的便利。不过，它也给航站楼的抗震性能带来了极大的挑战。“新机场航站楼屋顶钢结构的诸多设计，都达到了中国以及世界钢结构科技创新领域的最新水准。”北工大建筑工程学院教授刘学春是研究团队主要成员，他负责整体缩尺模型的稳定和振动台试验研究。他对记者表示，航站楼的最大单元长度达到 504 米，最大跨度为 125 米，最大悬挑长度高达 47 米，这对钢结构的承载能力和稳定性提出了极高的要求。
而是屋顶和柱子融为一体。
这种无柱空间的稳定性能到底怎样呢？它能否抵御强震呢？能否在拥有华丽外观以及最大使用空间的同时，做到安全毫无疏漏呢？所有这些都迫切需要学界提供技术支撑并进行验证。
高度还原
同等材质钢材建起“迷你”航站楼
刘学春称，科学研究绝不能有丝毫马虎，必须确保数据真实可靠。尤其在做大兴机场这样的超大型、超高水平项目时，更不能马虎，需进行精准模拟测试验证。面对几百米尺度的巨型航站楼，现场模拟是不现实的。研究团队依据航站楼设计方案中的数据，设计并制作了缩尺模型，让缩尺结构能反映原结构的受力特性。经过反复论证，缩尺比例被确定为1比10。
模型全景图
试验团队搭建的虽是缩尺模型，但几乎相当于造了一座“迷你”版航站楼。团队成员、北工大研究生强申表示，这需要用混凝土铺地基，也需要把钢架按航站楼外形离地支起 4 米多高。因为真实的航站楼高 40 多米。为保证试验精准，搭建模型用的钢材与航站楼所用钢材一样。
2017 年，这座航站楼模型进行了钢结构稳定性能试验且获得成功。研究团队进行了两项试验，一是通过加载砂袋来试验钢结构的竖向承载性能，二是利用液压千斤顶进行拟静力水平往复加载试验。团队按照 50%和 100%的静载对钢结构模型进行了两次加载，并且分别在白天和夜晚又各加载了一次，这样做的目的是周全地考虑各种复杂工况以及温度效应。这座“迷你”版航站楼框架顶部最多时加载了 175 吨的砂石载荷。强申说，他们安装了应力应变静动态采集仪，目的是观测钢结构的微量变形情况。测试表明，钢架轻松地经受住了考验。
研究团队为了开展精准验证，专门建造了大兴机场航站楼中央大厅屋顶钢结构的缩尺模型。
模拟试验
“迷你”航站楼抗住8度地震波
1 比 10 的缩尺模型成功验证了钢结构在静态时的水平抗压能力和垂直抗压能力，也验证了在拟静态时的水平抗压能力和垂直抗压能力。然而，现实中的地震波并非均匀施力。
北工大研究生王小青向记者透露，先前的缩尺模型主要侧重于针对中央大厅屋顶钢结构里的两个典型区域展开分区试验。然而，投入使用的大厅是一个完整的整体，倘若任何一处结构存在“短板”，都有可能给整个航站楼造成“致命一击”。基于这样的情况，研究团队开展了航站楼中心 504 米整个区域的缩尺振动台架试验，并且运用了之前所收集的地震波。
缩尺比例较高时，尺寸效应会较为明显。然而，若缩尺比例过小，就找不到足够大的振动台来放置整个模型。经过研究团队的多次分析研究后，将缩尺比例设计为 1 比 60。但在这一比例下，原型钢材的力学性能发生了改变，无法准确反映钢结构的受力特点。研究团队只得重新去寻找替代材料，最终选用紫铜作为材料大兴机场钢结构，制作出了一个模型，这个模型能够足以证明中央大厅屋顶钢结构的实际性能。
真实的地震通常以“震级”来区分能量的高低，以“烈度”来衡量其破坏性。在模拟试验里，团队分别施加了 8 度多遇、8 度基本、8 度罕遇等具有不同破坏性能等级的地震波。当面临考验时，航站楼屋顶钢结构模型交出了令人满意的答卷：在 8 度多遇和 8 度基本烈度的情况下，钢架几乎没有出现变形；而在 8 度罕遇时，钢架仅有个别柱子发生了弯曲，不过并没有发生倒塌的情况。最后加到了9度罕遇地震，结构仍然没有倒塌。
优化设计
团队帮航站楼省了80吨钢
2015 年，张爱林从北京工业大学被调任到北京建筑大学，并且担任校长一职。在北京建筑大学，有一个师生团队参与到了对航站楼中央大厅钢结构性能的验证研究中。两校的师生在同一位导师的引领下，共同携手展开攻坚行动。
北京建筑大学的师生们除了利用缩尺后的“迷你”航站楼来进行技术验证，还对航站楼中央大厅屋顶的关键结构，像 C 形柱等，进行了原尺寸的检验和把控。
不少建筑大学的学生，这是他们首次亲身参与国家级重大项目工程，每一名学生都很努力。硕士研究生邵迪楠从 2015 年入校起就跟随导师张爱林和张艳霞参与新机场项目。在他之前的两届同导师组研究生，几乎都参与到了该项目的相关试验中，实实在在地为新机场提供了大学生的智慧。他们把原本全封闭的球形试验装置改进成为适用节点更加多样的半开放式结构。据王宗洋介绍，优化方案减少梁柱14根，共节约用钢80吨。
研究证明
大兴机场航站楼“固若金汤”
2016 年初至 2019 年，历经三年多时间。研究团队运用理论、模拟、试验、监测相互印证等方式，对北京大兴国际机场航站楼中央大厅屋顶钢结构展开安全性评价。验证了理论和计算方法的合理性与有效性，还提出了结构体系优化设计方案。这有力地表明整个中央大厅屋顶钢结构的稳定性能和抗震性能，完全能够满足高烈度的抗震设防要求。
这足以说明北京大兴国际机场的稳定性能和抗震性能是令人放心的。刘学春称，研究既为北京大兴国际机场航站楼工程在地震作用下的结构安全性提供了保障，又丰富了大跨度空间结构抗震性能分析的研究资料，还为未来类似的工程建设提供了可借鉴的经验与科学依据。
