沉没中的……关西机场

iStructure2018-12-05 18:53:48

作者:杨笑天


 大阪关西机场 Kansai International Airport

建筑设计:伦佐.皮阿诺,日建设计,巴黎空港协会

结构设计:Arup(钢屋盖),日建设计(混凝土和基础)

层数:主楼地上4层,地下1层

高度:檐口高23.97米,屋面最高36.54米

 

2018年9月4日,受强台风“燕子”的影响,日本关西国际机场的跑道和停机坪被淹,将这个著名的机场又一次推到了风口浪尖。

今天我们来了解一下,关西机场的结构设计,以及它为何不断下沉?

 

01

结构设计 

关西国际机场航站楼,于1994年9月投入使用,是日本第一座可24小时全天候运营的机场。

建筑设计草图

建筑横向剖面

航站楼长达1.7公里,在建筑设计概念上,它追求连续的空间感受,呈现流动的形态,剖面造型像一架滑翔机。整体建筑功能复杂但细节却不失精致。


暴露在室内的空间华伦桁架

由V形斜柱支撑,中间最大跨度达82.8米。

同时,它也是一项工程传奇,在填海地基上建造的超大规模的机场,以及优美的大跨度空间桁架屋盖结构。关西机场建成的第2年,经受住了阪神大地震的考验,几乎没有任何损坏。

航站楼由主楼和两翼长廊组成,主楼平面尺寸318x153m,两翼平面42x677m,全长1672米。国际航线到达厅在机场大楼1层,出发厅在4层,国内航线到达出发厅均在2层。


1. 空间桁架

主楼横向近160米,屋盖共分为6跨。由V形斜柱或摇摆柱支承。空侧长廊为钢索加劲的单层结构,其余5跨为空间桁架结构。


剖面示意模型

俯视示意模型

空间华伦桁架,横断面为三角形,构件在三个维方向布置,大大提高了桁架的整体稳定性。主桁架共计18榀,间距14.4米,桁架之间布置次级钢梁和支撑体系。

空间桁架和斜柱、梭形柱的传力路径


2. 斜柱

▼ 建筑中大量应用了V形斜柱、摇摆柱、斜撑


▲ 施工现场:柱端直径收小,采用高强螺栓连接

如今看到的精美柱脚节点好像只是外包装饰板


3.长廊结构

空侧长廊结构:屋盖与立面呈连续的整体,钢结构为单层形式,一端支承在斜柱或空间桁架的悬挑端,另一端支承在混凝土结构楼面。

▲ 空侧长廊的结构单元模型

以钢拉索和支撑加强的单层结构

整体呈现筒形,有利于减小海风荷载

沿纵向布置了许多斜撑杆,加强了单层结构的曲面内刚度。在横剖面上,我们看到在曲面转折位置有一些拉索,加强结构曲面外的刚度。

▲ 用于加劲的拉索几乎难以觉察


▲ 主钢管贯通,斜撑、系杆不在同一平面连接


▲ 节点:柱脚销轴轴


▲ 空侧长廊的建造现场


4. 索桁架幕墙

▼ 幕墙索桁架呈鱼腹式,一半在室内、一半在室外




▼ 最靠边的一榀桁架、斜柱、索桁架幕墙


5. 屋面

屋盖采用双层屋面系统

外层82000块不锈钢屋面板块拼接

每块1.8m x0.6m

外层不锈钢折肋屋面,有利于释放温度作用


每隔150~200m设一道变形缝(兼抗震缝)

 

02

填海与沉降 

土地是日本的稀缺资源,因此工程师选在大阪湾东南部的海面填出一块大型人工岛(4.0公里x 2.6公里),用以建造这个机场。

围海填筑人工岛

原场地的海水深约18~20m。地质勘探表明,地基表层属于正常固结的冲积粘土层,厚度约20米,下层则为超固结的洪积粘土层和砂砾层。 


填海建成的关西机场(右为一期,左为二期) 

历时3年填筑了1.8亿立方填料,填料厚度达33m左右,填料附加在原土层上的荷载达到450kN/m2设计时预计航站楼在建设过程中沉降约1.5m,运营50年后还将下沉1.5~2m,远期的最终总沉降量为5.5m

设计航站楼的基础时,考虑了承载力、沉降、抗震性、施工等因素,选择在填海地基上用砂井加固的方法。至于基础梁则采用刚度大的钢筋混凝土梁,减小不均匀沉降的影响。


一期人工岛的历年沉降量

然而,自建设之日起,场地的沉降速度便远超预期。在人工岛刚出水时曾紧急停工1年,研究沉降的解决方案,最终临时修改设计将高程再加高3m。 

截至2015年底,一期人工岛累计沉降已达13.12m,其中,机场营运之后的沉降达3.30m。虽然人工岛下的软土层在持续压缩下,已经历了长达20多年的土体变形,孔隙水基本消散完成,已远超经典土力学认为的孔隙水消散的时间,但至今它仍以每年6cm速度继续下沉,丝毫没有减缓的迹象。

以此趋势,若干年后关西国际机场一期人工岛的高程降至高潮位时的海面以下是极有可能的。而二期人工岛的下沉速度更快,每年的下沉速度达30cm。

二期人工岛的历年沉降量

纵坐标单位为m,沉降速度非常之快  

如何应对巨大的沉降量和不均匀沉降,在设计之初就是一个重要课题,应预留一定的措施,使得在运营中能够对不均匀沉降进行纠正和调节。其中,顶升系统可谓最有先见之明,不然关西机场可能已经沉没了。

柱脚的顶升系统

用千斤顶将柱脚抬起,安装垫片调平

顶升系统是在航站楼地下一层实施的,在柱脚设置千斤顶,可以根据监测的沉降数据,将各个柱子的标高重新调平和抬高。

 

在关西机场建造之初,人们可能并没有考虑到全球气候变暖的影响。联合国政府间气候变化专门委员会曾预计,到2100年海面可能会上升18~59cm,甚至更多。这对关西国际机场无疑是雪上加霜。工程师们为了延续这座机场的生命、延缓它的沉没,仍在不断努力中……

参考文献:

1.日本关西机场或将沉入大海,大连海事大学王诺教授,

2.日本结构技术典型实例100选,日本建筑构造技术者协会编,滕征本等译

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