大跨空間結構吊頂抗震韌性構造與施工技術

藍建勛 曾金亮

廣東省建筑裝飾工程有限公司 廣東 廣州 510635

建筑結構的抗震研究在最近幾十年已經形成了完整的體系，并取得了許多工程經驗和研究成果，但國內非結構構件抗震設計規范標準模糊，且大跨空間結構吊頂大都沒有進行抗震設計。

在21世紀歷次強震（如2013年四川省蘆山縣7.0級地震、2011年日本9.0級地震、2010年智利8.8級地震、2001年華盛頓地震）中，對機場航站樓、高鐵車站、展覽館、體育館等大跨空間結構非結構系統破壞（包括吊頂坍塌、吊頂脫落下墜、吊頂龍骨彎折變形、燈具墜落等）遠大于結構破壞程度，非結構系統破壞往往會阻塞逃生通道，影響地震中人員逃生和抗震救災，無法在震后救援黃金時間里發揮重要作用，加重人員傷亡和經濟損失。非結構系統抗震問題與當前社會經濟的快速發展相匹配的問題愈發凸顯，逐漸引起行業對其的關注[1-8]。

目前，我國機場航站樓、高鐵車站、展覽館、體育館等建設進入了一個高速發展時期，但這些空間結構吊頂大都沒有進行抗震設計，航站樓大跨空間結構吊頂是非結構構件典型代表，具有空間大、人流密集等特點，在歷次強震中震害嚴重。

吊頂在遭遇地震襲擊時，如何依賴吊頂本身的抗震韌性功能使其特性保持或快速恢復到地震前狀態，還缺乏工程經驗和研究成果，大跨空間結構吊頂的抗震韌性亟需深入研究和高度重視。

1 大跨空間結構吊頂抗震韌性設計

1.1 抗震吊頂反應特性

空間結構吊頂是指懸吊在空間鋼結構下弦球節點，具有三維調節功能，能適應空間結構屋面曲面變化和受力變形的吊頂系統，由吊桿、萬向轉接件、龍骨、面板等組成。其獨特的物理特性使其不但對地震作用較敏感，而且其反應特性也跟主體結構迥然不同：

1）支承于主體結構，其地震反應不僅取決于地面運動特性，而且依賴于主體結構的動力特性。

2）反應與其在建筑物中所處的位置有關，相同構件對于地震作用的反應會因其位于不同高度而發生變化。

3）由于阻尼通常遠小于主體結構的阻尼，造成整個組合結構系統的阻尼分布非常不均勻，因此該系統不具有經典阻尼特性。

4）除了受到自身彈塑性影響之外，還會受到主體結構的彈塑性影響。

5）吊頂系統與主體結構的連接部位往往不止一處，因而有可能受到各連接部位的不同步運動激勵，繼而產生一定的扭轉。

1.2 破壞機理分析

從大量空間結構吊頂震害統計分析和模擬試驗中發現，吊頂的破壞主要集中于基于位移的變形破壞和基于加速度的受力破壞，以及兩者的混合作用而導致的破壞。破壞與其型號、大小、質量和連接方法有關。

1）空間結構吊頂的破壞模式可以分為加速度破壞模式、位移破壞模式及混合型破壞模式。

2）較大的豎向加速度引起的吊頂板掉落以及由于與主體結構連接不牢靠而導致的吊桿與主體結構脫離，使吊頂坍塌。

3）較大的位移變形引起吊頂系統吊件失效，龍骨彎折，吊頂板墜落，與墻、柱交界處發生破壞，這是吊頂系統典型的破壞形式。

4）空間結構吊頂在地震作用下的破壞程度主要取決于其位移響應和變形能力。

1.3 抗震設防目標

震害現象表明，即使主體結構達到一個立即使用的性能水平，非結構構件的破壞也會降低整體結構的性能水平。因此，要實現航站樓等基于性能的抗震設計，應使主體結構與吊頂的性能水平協調統一。

1）在多遇地震下，吊頂應該達到沒有破壞，保持或快速恢復原有外觀和航站樓使用功能。

2）在基本烈度地震下，吊頂雖然被允許發生比結構構件更嚴重的破壞，但仍需保證航站樓基本使用功能不會受到影響，吊頂即使發生損壞也可在修理下繼續使用，甚至不需修理便可自動快速恢復原有功能。

3）在罕遇地震下，吊頂即使發生較嚴重的破壞但仍需保證不坍塌，生命安全能得到保障。

1.4 抗震構造基本要求

根據對空間結構吊頂破壞機理以及破壞模式的分析，針對此類吊頂抗震的薄弱環節，采取相應的吊頂抗震構造措施。

1）吊頂系統結構自身要有足夠抗震能力。

2）吊頂與空間結構連接必須牢固。

3）水平或三維方向要有足夠的位移響應和變形能力。

4）構件連接要有防松脫措施。

5）地震后，能維持與快速恢復建筑功能。

2 航站樓大跨空間結構吊頂韌性抗震關鍵施工技術

2.1 工程概況

某國際大型機場南北方向長約850 m，東西方向寬約1 120 m，屋蓋投影面積18萬 m2，網架最大跨度72 m，最高點標高72.91 m，吊頂面積約18萬 m2，整個網架結構下采用穿孔鋁板吊頂，吊頂根據網架曲線變化而變化（圖1）。該機場處于小江斷裂帶和地質破碎帶，抗震設防烈度為8.2度，抗震設防要求高，吊頂系統需要采取抗震構造措施。

圖1 航站樓大跨空間吊頂

2.2 主要施工工藝

2.2.1 放線定位

1）布設控制點：使用三維激光掃描儀對現場進行數據采集，再將采集數據與設計模型坐標復核，并提取出網架球控制點坐標及網架球節點的基準線坐標，對球節點逐一編號。

2）采用BIM放樣機器人逐個復測各球節點位置，計算吊頂完成面距離球點的垂直距離并標注在球節點上，作為吊頂施工高程控制點，該點必須考慮鋼網架施工過程中的變化及受屋蓋荷載影響而產生的下沉量，并考慮網架結構變化移位的因素，特別是出現個別下沉較大的網架球點時，必須適當調整吊頂完成面高程，給吊頂足夠調整的空間距離。

2.2.2 下弦球節點上安裝專用支座

1）根據現場實測，在下弦球節點上定位吊頂支座。對于收邊位置，如柱子、外幕墻等處，則按照要求采用特制的支座，安裝在下弦桿上。吊頂支座必須定位準確、安裝牢固。

2）吊頂單元通過連接件與網架球節點預設安裝板進行螺栓連接，連接結構不需現場焊接，結構牢固，工效高，可三維調節（豎向調節長度不受限制，平面X、Y向調節長度均為110 mm），實現吊頂系統第一級三維可調。

3）如果局部吊裝盤安裝坐標和下弦球節點有偏差，則將特制吊頂支座安裝在下弦桿上，吊桿與網架下弦桿圓箍套連接。

4）將抗震斜撐抱箍安裝在離下弦球軸心300～400 mm距離，抱箍與網架接觸面墊2 mm厚膠墊，抗震斜撐與網架下弦桿夾角應為45e ～60e （圖2）。

圖2 吊頂與連接件上、下螺母固定示意

5）網架下弦無球連接的，則采用三爪吊件通過拉桿從網架腹桿連接（圖3），拉桿中間調節套筒可調節長度，頂端與抱箍鉸接點設置抗震橡膠墊，抱箍安裝在網架腹桿的中段位置。

圖3 三爪連接吊件

2.2.3 連接螺桿安裝及上限位螺母安裝

將直徑為20 mm的螺栓吊軸插入吊頂支座的螺桿孔內，然后依據放線定出上限位螺母位置，再將上限位螺母裝在螺栓吊軸上。

2.2.4 安裝轉動吊盤

將轉動吊盤裝入螺栓吊軸，擰上下限位螺母，法蘭安裝盤即通過螺栓吊軸固定在主屋面鋼網架上。100C形主龍骨通過活動轉接件組框，轉接件和萬向轉動吊裝盤的懸挑臂固定（圖4），以適應不規則吊頂，同時可在地震作用后依據自身重力自動恢復震前狀態。吊裝盤有4個方向的懸挑臂，用于吊裝龍骨結構框架（圖5），可任意方向轉動和水平方向位移調節，通過該結構實現吊頂系統三維可調。

圖4 轉動吊盤連接構造節點

圖5 萬向轉盤鉸式結構透視

2.2.5 安裝C形主龍骨

把C形主龍骨安裝在轉動連接件上，并用螺栓緊固。安裝后調節至水平順直。

2.2.6 安裝C形副龍骨

把C形副龍骨用特制吊件掛裝在主龍骨上，并用螺栓緊固。相鄰2支龍骨用連接件連接，相鄰2排龍骨接口位置錯開，安裝后調節至水平順直。

2.2.7 安裝面板掛件

按排布距離安裝面板掛件，吊頂鋁板采用專用掛件固定在副龍骨上，條板卡齒掛件采用組合點式安裝，并用M6 mmh 20 mm螺栓緊固，鋁板與鋁板間留縫30 mm，滿足吊頂位移要求（圖6），鋁合金面板每件板能單獨拆卸。

圖6 鋁板連接節點

集成燈帶通過吊桿和主副龍骨連接。

2.2.8 安裝鋁合金沖孔板

確定天花安裝軸線，并從軸線開始依照相應的次序安裝，把三元乙丙橡膠片套接在板面折邊上，并卡在面板掛件的卡槽里，再緊固螺絲。不同單元需要調整板面的縫隙，做到平滑、順直（圖7）。

圖7 鋁板與副龍骨卡齒掛件連接

2.2.9 安裝中柱

中柱收口位置采用抗震韌性構造，單元吊頂系統與柱子為韌性連接。連接構件單元包含抱箍、調節矩形桿、抗震彈簧、雙耳掛片、彈簧片（圖8）；采用曲臂車將工廠預制加工連接件臨時固定在鋼結構柱上，抱箍與鋼結構柱間放置3 mm厚橡膠墊，調好連接桿的方向后緊固，單元吊頂連接耳穿入連接桿的雙耳掛片并用內六角螺絲緊固。

圖8 吊頂與中柱抗震連接

2.2.10 安裝外飄檐

空間結構外飄檐吊頂單元采用支撐柱和網架下弦球節點板螺栓連接，通過 關節 鉸接式連接板將鋁面板和副龍骨螺栓連接，實現吊頂三維可調，有效適應網架受力變形、地震作用及風荷載作用，滿足吊頂曲面造型要求（圖9）。

圖9 三維可調外飄檐吊頂節點

2.2.11 伸縮縫處理

1）吊頂系統伸縮縫構造與空間結構相同位置設置吊頂伸縮縫（圖10）。

圖10 吊頂伸縮縫節點

2）與幕墻收邊位置，吊頂系統與幕墻斷開（圖11）。

圖11 吊頂與幕墻連接節點

3 結語

目前，國內對非結構構件抗震設計規范標準模糊，大跨空間結構吊頂大都沒有進行抗震設計，其抗震設計也存在建筑、結構、裝修權責不明現象，大跨空間結構吊頂及其他典型非結構構件的抗震亟需深入研究和高度重視。

近年來，我國經濟社會快速發展，人財物高度集中，基礎設施與生命線工程越來越尖端、復雜，全社會對地震防災、減災、救災提出了更高的要求，常規抗震已經不能滿足當下的發展需求，抗震韌性是抗震研究的新方向。