北京大兴国际机场迎来开通“满月”。这座全新的现代化国际空港犹如一只闪耀着金光的凤凰，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——航站楼中央大厅记忆深刻，大跨度、高透光的设计，使得身处其中的旅客有种豁然开朗的感觉。但这种设计也带来了新的挑战：到底能不能有效抵御地震等自然灾害的侵扰？
为了确保航站楼“固若金汤”，从机场动工建设之初，来自北京工业大学和北京建筑大学的师生团队就启动了对中央大厅屋顶钢结构稳定性能和抗震性能的验证研究。历时三年多，研究团队通过理论、模拟、试验、监测相互印证等方法，最终确认8度地震波考验下航站楼钢架都能安然无恙，9度罕遇地震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相关部门。
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张爱林教授是该研究项目的主要负责人，年，当时还在北京工业大学任教的张爱林申报了北京市科委的项目，支撑北京新机场新型大跨度钢结构研究。
当时，大兴机场刚刚获得国家发改委的批复。法国ADPIngenierie建筑事务所和扎哈·哈迪德工作室成功拿下新机场T1航站楼设计项目。根据设计方案，这座航站楼的外形如展翅的凤凰，以五指廊为造型，旅客从航站楼中心步行到达任何一个登机口，所需的时间不超过8分钟。
如此设计，大大方便了旅客。但却对航站楼的抗震性能提出了巨大考验。“新机场航站楼屋顶钢结构的很多设计都达到了中国乃至世界钢结构科技创新的最新水平。”研究团队主要成员、北工大建筑工程学院教授刘学春负责整体缩尺模型的稳定和振动台试验研究，他对记者说，航站楼的最大单元长度为米，最大跨度为米，最大悬挑长度高达47米，对钢结构的承载能力和稳定性提出了非常高的要求。
同时，中央大厅设置了8组C形钢柱结构，形成了直径达米的无柱空间。这已经不再是传统的“柱”的概念，而是屋顶和柱子融为一体。
这种无柱空间稳定性能如何，能否抵御强震，能否实现在拥有华丽外观和最大使用空间的同时，做到安全万无一失？这一切都急需来自学界的技术支撑与验证。
高度还原
同等材质钢材建起“迷你”航站楼
刘学春说，科学研究绝不能有半点的马虎，必须保证数据的真实可靠，尤其是做大兴机场这样的超大型、超高水平项目，更是马虎不得，要进行精准模拟测试验证。面对几百米尺度的巨型航站楼，现场模拟肯定不现实。研究团队按照航站楼设计方案中的数据，设计制作缩尺模型，使缩尺结构反应原结构的受力特性。经过反复论证，缩尺比例被确定为1比10。
模型全景图虽然是缩尺模型，但试验团队几乎相当于造了一座“迷你”版航站楼。团队成员、北工大研究生强申说，这一样需要用混凝土铺地基，一样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就是40多米。为了确保试验精准，搭建模型用的钢材都跟航站楼一样。
年，这座航站楼模型成功进行了钢结构稳定性能试验。研究团队通过加载砂袋对钢结构的竖向承载性能进行试验，还利用液压千斤顶进行拟静力水平往复加载试验。团队按50%和%静载对钢结构模型进行两次加载，并分别在白天和夜晚再各加载一次，为的就是周全考虑各种复杂工况及温度效应。最多时，这座“迷你”版航站楼框架顶部加载了吨的砂石载荷。“我们安装了应力应变静动态采集仪，用来观测钢结构的微量变形情况。”强申说，测试显示，钢架轻松经受住了考验。
为了开展精准验证，研究团队专门建起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的缩尺模型成功地验证了钢结构在静态和拟静态时的水平、垂直抗压能力。但现实中的地震波并不会均匀施力。
北工大研究生王小青告诉记者，之前的缩尺模型更侧重对中央大厅屋顶钢结构中的两个典型区域进行分区试验，但投入使用的大厅是一个整体，任何一处结构有“短板”都可能给整个航站楼带来“致命一击”。基于此，研究团队进行了航站楼中心米整个区域的缩尺振动台架试验，用上了之前收集的地震波。
缩尺比例越高，尺寸效应越明显，但缩尺比例太小，就没有足够大的振动台能放下整个模型。经过研究团队的反复分析研究，缩尺比例设计为1比60。但这一比例下，原型钢材的力学性能出现了变化，无法真实反映钢结构的受力特点。研究团队只好再重新寻找替代材料，最终以紫铜为材料制作了一个足以证明中央大厅屋顶钢结构实际性能的模型。
真实的地震一般用“震级”来区分能量水平，用“烈度”来衡量破坏性。在模拟试验中，团队分别施加了8度多遇、8度基本、8度罕遇等不同破坏性能等级的地震波。面对考验，航站楼屋顶钢结构模型交出了圆满的答卷：8度多遇、8度基本烈度时，钢架几乎没有变形，8度罕遇时，钢架个别柱子发生弯曲，但并未发生倒塌。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
年，张爱林从北京工业大学调任北京建筑大学，担任校长。在北京建筑大学，一个师生团队也加入了对航站楼中央大厅钢结构性能的验证研究。两校师生在同一位导师的带领下，联手展开攻坚。
除了利用缩尺后的“迷你”航站楼进行技术验证，北京建筑大学的师生们还对航站楼中央大厅屋顶的关键结构，如C形柱等，进行了原尺寸“把关”。
对于不少建筑大学的学生而言，这是他们第一次亲身参与国家级的重大项目工程，每一名学生都很拼。硕士研究生邵迪楠从年刚入校时便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也几乎都参与到了该项目的相关试验中，切切实实为新机场提供了大学生智慧。届毕业生王宗洋和届毕业生李振兴主要负责球形自平衡全方位加载试验装置的设计研发。他们根据试验需求绘图纸，与北京建筑设计研究院有限公司的工程师研讨完善设计方案，把原本全封闭的球形试验装置改进成为中心空间更加开放、加载节点更加便捷、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”
从年初到年，历时三年多，研究团队通过理论、模拟、试验、监测相互印证等方法，对北京大兴国际机场航站楼中央大厅屋顶钢结构进行安全性评价,验证了理论和计算方法的合理性和有效性，并提出结构体系优化设计方案，有力地证明了整个中央大厅屋顶钢结构的稳定性能和抗震性能足够满足高烈度的抗震设防要求。
“在设计过程中，北京大兴国际机场的抗震设防为8度，而我们在试验中设定的最大工况为9度罕遇地震，如此罕见的高烈度，模型都能禁得住，这足以说明北京大兴国际机场的稳定性能和抗震性能是足够令人放心的！”刘学春说，研究不但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证，同时丰富了大跨度空间结构抗震性能分析的研究资料，为将来类似的工程建设提供了可参考的经验和科学依据。
来源：北京晚报·深度报道记者：张航
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