机场航管楼工程的结构抗震设计研究

张 旭,杨仲国,董建锋

(1. 成都军区空军勘察设计院,四川成都 610041; 2. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610052; 3. 中国民航机场建设集团公司,北京 100083)

一般而言，航管楼工程的功能性建筑包括航管楼及塔台。航管楼及塔台是机场的指挥中心[1]，承担着民航航行调度、空中交通管制、航空通信、气象测报等功能[2]，为民航航班的正常运行提供保障。GB 50233-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[3]对其抗震设防类别的划分较干线机场航站楼严格，航管楼及塔台的重要性不言而喻。

GB 50233-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[3]将建筑物的抗震设防类别分为四个类别，从高到低依次为：特殊设防类、重点设防类、标准设防类和适度设防类。根据规范，航管楼的抗震设防类别为高于重点设防类，即其设防类别应介于特殊设防类和重点设防类之间，但对于应当在哪些方面比重点设防类严格等问题，规范并未进行阐述和说明。关于航管楼，已有研究从概念设计[2]、消防设计[4-5]、防雷设计[6]、节能设计[7]等方面对航管楼的设计进行了阐述，但鲜有研究从结构抗震设计方面对其进行分析。因此，本文以四川某机场航管楼工程为例，从结构抗震设计的角度，分析航管楼工程应采取的结构抗震加强措施。

1 工程概况

本航管楼工程位于四川省某市，抗震设防类别为6度(0.05g)，第一组。工程包括三个建筑单体：航管楼、塔台及连廊。航管楼主要功能为通信、配电、办公等，塔台主要功能为管制，连廊作为走廊连接两个结构，总建筑面积736.43 m2(塔台不计入)，三者相对位置关系如图1所示。航管楼地上2层，建筑平面为规则矩形，轴线尺寸26.1 m×13.2 m。塔台房屋高度为28.95 m，地上8层，地下1层，平面外形为圆形，中间为方形电梯间，下部圆直径(轴线尺寸)为φ6.3 m，高宽比4.39。连廊地上2层，建筑平面为规则矩形，轴线尺寸6.65 m×2.1 m。塔台采用混凝土剪力墙结构，顶层为钢框架结构的管制室(图2)，航管楼、连廊为混凝土框架结构。

本工程(航管楼、塔台、连廊)位于填方区，最大填方高度约14 m，最小填方高度不到4 m。填方区由机场土方工程中地基处理专业进行统一处理，清除表层软弱土，填筑体按道槽区回填要求。回填土下卧土层从上到下依次为：耕植土、粉质黏土、粉砂质泥岩等。

2 本工程结构设计采取的抗震加强措施

2.1 结构整体加强措施

(1)本工程塔台、航管楼抗震设防类别根据规范取为高于重点设防类，连廊是连接塔台及航管楼的通道，故连廊抗震设防类别也取为高于重点设防类。三个建筑单体在计算地震作用时提高1度，即按7度(0.10g)进行计算；同时抗震等级提高一级，即混凝土剪力墙、混凝土柱抗震等级按二级计算，塔台顶部钢框架抗震等级按三级计算。

(2)连廊因建筑功能要求需采用单跨框架结构。根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》[8]第6.1.5条文说明：一～二层的单跨连廊应进行加强。本工程连廊采取如下加强措施：将其抗震等级提高为二级，并进行性能化分析，结果表明其整体能满足中震弹性的要求。

(3)航管楼计算结果显示，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比为1.25，大于楼层平均值的1.2倍，但超出不多，计算考虑双向地震。

2.2 结构局部加强措施

对于结构的部分薄弱区域，本工程分别从轴压比控制及配筋加强、塔台内外筒衔接加强、塔顶钢结构与下部牛腿衔接加强、其他局部措施四个方面进行阐述。

2.2.1 轴压比控制及配筋加强

(1)对于塔台，进行如下控制：剪力墙轴压比全高控制小于0.35；提高底部加强区剪力墙的分布筋配筋率(加大至0.4 %以上)及约束边缘构件纵筋配筋率(加大至1.35 %以上)，确保第二道防线较弱时筒体剪力墙有较强的抗震能力抵抗地震作用；适当提高连梁的箍筋配筋率，以提高连梁的抗剪能力和延性。这些措施保证了核心筒有足够的刚度以及抗震能力，核心筒亦无明显的薄弱环节，整个结构具有良好的抗震效应。

图1 航管楼、塔台及连廊底层平面(单位：mm)

图2 塔台计算模型

(2)对于航管楼，一层所有混凝土柱及二层角柱箍筋全长加密，保证地震工况下具有更好的延性。对于连廊，柱箍筋全部加密，保证地震工况下具有更好的延性，以弥补其因单跨结构造成的抗震性能薄弱环节。

2.2.2 塔台内外筒衔接加强

(1)塔台的内筒四个转角处设置暗柱，外筒根据门窗洞口位置，每层较均匀地设置6～8根暗柱(图3)；同时在每层楼层标高处内外筒上均设置与剪力墙同宽的暗梁，并设置框架梁连接内筒和外筒。这些暗柱和暗梁形成的“暗框架”共同构成整个结构抗震体系的一道防线。

图3 暗柱布置示意(单位:mm)

(2)塔台除顶层以外的部分以楼梯为主，并有管道。因楼梯和管道的阻隔，塔台内外筒连接较弱。故在每层标高位置处设置框架梁连接内筒和外筒；对于水管，不再专门预留洞口，而是将楼板、梯板直接连通至内筒上，将管道预埋在板中；对于电线电缆等的开洞，在不影响使用的前提下，采用框架梁连接内筒和外筒，将较大的洞口分隔成3个较小的洞口，如图4所示。

图4 内外筒连接较弱处的加强处理示意(单位:mm)

(3)连接内外筒的楼板、梯板，钢筋均拉通分别锚入内外筒中，并适当增大每层楼板厚度至150 mm。因梯板钢筋锚入内外筒，故楼梯荷载将传递至内外筒墙体上。对最底层楼梯处内外筒墙体、层高最高处内外筒墙体、楼梯对应的墙肢最长处的内外筒墙体进行稳定性验算，满足稳定性要求。

2.2.3 塔顶钢结构与下部牛腿衔接加强

塔顶钢结构柱将架于塔台外筒顶层，为保证塔台外筒的承载力及结构整体性能，需在外筒上增设牛腿。塔顶钢结构与下部牛腿衔接加强主要体现在以下方面：

(1)塔台16.450～20.950 m标高处因设置牛腿存在刚度变化，故将牛腿从下一层板底(16.300 m)开始逐渐向外凸出，使得牛腿在3 850 mm高度上外凸由0达到最大值(800 mm)，使得刚度的变化更加平缓如图5(a)所示。同时，增大16.450～20.950 m标高剪力墙配筋，并在16.950 m标高及20.950 m标高设置暗梁形成环箍(详第2.2.2节)，在一定程度上对剪力墙进行约束。

(2)将塔顶钢管柱向下延伸一层(伸至20.950 m标高)，如图5(a)所示，并在钢柱上全长设置栓钉与牛腿进行连接，保证钢柱嵌固如图5(b)所示，同时在20.950～24.600 m层形成钢骨混凝土结构过渡层。因设置牛腿及钢柱，适当增大了20.950～24.600 m标高处剪力墙配筋。

(a)牛腿设计

(b)柱脚栓钉设计图5 牛腿做法及钢柱柱脚做法示意(单位:mm)

2.2.4 其他局部措施

(1)塔台电梯在第3～5层不停靠，但考虑到内筒剪力墙在其他楼层均开设了门洞，故在第3～5三层也开设与其他层相同大小的洞口，以保证内筒剪力墙各层受力较为均匀。这三层的电梯洞口以填充墙填充。

(2)航管楼楼梯底部采用滑动支座，以保证地震作用下其具有较大的变形能力。

2.3 基础加强措施

根据勘察报告，本工程拟建场地为抗震不利地段，将对基础进行如下加强：根据现场情况考虑负摩阻力的影响。同时，保证桩基进入持力层的深度不小于3倍桩径，保证桩基承载力满足要求并有一定的富余；对于局部填土厚度较大区域，保证桩基进入持力层深度不小于4倍桩径。

2.4 非结构构件加强措施

对于填充墙、女儿墙等非结构构件，采取下列措施：

(1)塔台女儿墙位于塔台24.600 m、28.500 m标高两处。因其所处高度较高，故塔台女儿墙采用钢筋混凝土与主体结构一起浇筑。

(2)玻璃或石材幕墙、装饰饰面、各类顶棚、外挂保温材料及建筑附属机电设备等其他非主体结构构件，应选择具有相应资质的单位进行设计与施工。其自身及其与结构主体的连接及预埋件，应满足7度抗震要求。非结构构件的抗震措施需满足JGJ 339-2015《非结构构件抗震设计规范》的要求，并应得到本主体结构设计单位认可。

3 结论

本文以四川某机场航管楼工程为依托，介绍了航管楼、塔台、连廊的工程概况，分析了结构抗震设计可采取的措施，主要结论如下：

(1)提高一度进行结构计算，可从整体上加强结构的抗震性能。

(2)塔台内外筒设置暗柱、暗梁，内外筒之间设置框架梁，楼板钢筋拉通内外筒，弥补内外筒之间连接较弱的缺陷，形成结构抗震的一道防线。

(3)由于牛腿将造成结构局部的刚度增大，故将牛腿从下一层板底开始逐渐向外凸出，使结构的刚度变化趋于平缓。

(4)考虑负摩阻力的影响，桩基进入持力层的深度不小于3倍桩径，对于局部填土厚度较大区域保证桩基进入持力层深度不小于4倍桩径。

(5)塔台女儿墙采用钢筋混凝土浇筑，并保证其他非结构构件的抗震措施要求满足7度抗震要求。

通过上述抗震设计加强措施，保证本工程结构方案基本达到安全、可靠、舒适的目标。