賴傳芳

(福建省建盟工程設(shè)計集團有限公司 福建福州 350019)

羅源灣5D飛行影院結(jié)構(gòu)設(shè)計

賴傳芳

(福建省建盟工程設(shè)計集團有限公司 福建福州 350019)

結(jié)合羅源灣5D飛行影院工程實例，介紹了當(dāng)前正在各地興起的一類特種影院的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對該建筑主體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)大開洞、躍層柱、柱間支撐、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)穹頂相結(jié)合、少墻框架結(jié)構(gòu)等設(shè)計過程中遇到的難點問題進行分析，提出解決方案。

平面內(nèi)大開洞；躍層柱；柱間支撐；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)穹頂相結(jié)合；少墻框架結(jié)構(gòu)

0 引言

5D影院，特別是球幕影院，與傳統(tǒng)影院在建筑格局及造型上有所不同，有其獨特的一些特點。

本文通過羅源灣5D飛行影院工程實例的設(shè)計，歸納總結(jié)這一類型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可能碰到的難點，供工程設(shè)計參考。

1 工程概況

圖1 5D飛行影院實景圖一

該工程項目位于福州市羅源灣濱海新城，如圖1～圖2所示。影院單體層數(shù)為4層，屋面以上為一個直徑達27.4m的鋼結(jié)構(gòu)半球形穹頂，建筑高度為23.73m(室外地面至外裝飾鋼結(jié)構(gòu)桁架高度的一半)?？偨ㄖ娣e為3 300m2。標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)板面積約為1 180m2。其中一層(含夾層)主要為大廳，二至四層為觀眾觀影區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)層平面主要由觀眾區(qū)與球幕安放區(qū)構(gòu)成，球幕為一個直徑為23m的半球體，半球豎向徑切面自一層豎立至屋面，因此，球幕安放區(qū)平面位置自二層樓面至屋面均需做大開洞處理。

圖2 5D飛行影院實景圖二

2 結(jié)構(gòu)體系

影院單體結(jié)構(gòu)為地上4層框架結(jié)構(gòu)，屋面為鋼結(jié)構(gòu)桁架穹頂。由于影院球幕放映設(shè)備安裝需要，建筑平面內(nèi)在東側(cè)一跨范圍內(nèi)樓板須大開洞(開洞面積已超過該層平面面積的30%)，東側(cè)一跨框架僅有南北兩側(cè)幾跑Z字形斜坡道板與框架柱連接，造成平面剛度削弱和分布不均勻。又由于洞口自二層樓面直通屋面，如圖3所示，導(dǎo)致平面東側(cè)7軸線上的一排框架柱成為在X軸方向上無樓板及梁約束的懸臂柱，如圖4所示，對結(jié)構(gòu)安全不利。影院一層層高7.2m，二層層高3.6m，一層空間僅在半層高處設(shè)置了局部小開間夾層，實際上造成了豎向剛度分布不均勻。

圖3 飛行影院剖面圖

圖4 飛行影院平面圖一

圖5 飛行影院平面圖二

為盡量減小大開洞及懸臂柱對結(jié)構(gòu)剛度、規(guī)則性及安全的影響，在不影響影院使用功能前提下，通過調(diào)整柱網(wǎng)，緊貼放映球幕外側(cè)，在平面東北、東南角逐層加設(shè)直角邊長為9.5m×8.5m的三角形結(jié)構(gòu)板與斜邊梁，如圖5所示。這樣既有效增強了框架間水平連接，增加水平力通過樓板傳遞與分配的路徑，避免了此處形成懸臂柱。同時，增設(shè)結(jié)構(gòu)板也減少了平面的開洞面積，使洞口面積占比降低至30%以內(nèi)，避免造成樓板局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則。結(jié)構(gòu)板設(shè)置也為今后球幕設(shè)備安裝及檢修提供了平臺。

圖6 飛行影院結(jié)構(gòu)布置圖

3 設(shè)計要點分析

3.1 少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)

針對平面大開洞和層高突變引起的結(jié)構(gòu)剛度削弱及不規(guī)則，采取了如下措施：洞口周邊及坡道板設(shè)置為彈性板，并加大板厚，采用雙層雙向拉通的鋼筋網(wǎng)，如圖6所示。

通過初步計算，結(jié)構(gòu)仍存在位移比偏大及側(cè)向剛度突變造成的薄弱層問題。同時，因平面大開洞造成的東西兩側(cè)剛度分布不均勻的問題仍未有效解決。為滿足規(guī)范對位移、剛度的要求，需大幅增加梁柱截面才能實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)指標(biāo)的控制。因此，圍繞平面剛度被削弱的洞口周邊，在合適的位置布置了4片剪力墻，經(jīng)計算對比，剪力墻的設(shè)置減小了結(jié)構(gòu)的位移，同時也增強了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，降低了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3.2 柱間支撐

該工程一層層高達7.2m(僅局部半層高處設(shè)夾層)，為了增加該層的側(cè)向剛度，減小一二層之間的豎向剛度突變，在一層柱間適當(dāng)位置設(shè)置了X型和V型鋼筋混凝土支撐，如圖7所示。經(jīng)計算，增加支撐后的結(jié)構(gòu)模型僅有位移比超1.2一項不規(guī)則類型，指標(biāo)對比如表1所示。

因支撐首尾連接了相鄰兩根框架柱的柱底與柱頂，客觀上形成了多個以支撐為斜邊的大型直角三角形。當(dāng)兩柱之間跨度較大時，支撐的構(gòu)件長度也隨之加大。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變形時，一對支撐中必然有一個受拉一個受壓，此時受壓的支撐因桿件長細比較大，有必要補充其在該三角形結(jié)構(gòu)平面外的穩(wěn)定性驗算。該工程設(shè)置的支撐，當(dāng)支撐構(gòu)件受軸向壓力時，通過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》6.2.15條以及細長壓桿的臨界壓力計算的歐拉公式對其進行正截面受壓承載力驗算[1]，均有較大的安全儲備。

另外，設(shè)置支撐的區(qū)域構(gòu)件較多，相互交叉，荷載傳遞路徑較為復(fù)雜。為達到框架結(jié)構(gòu)體系簡單直接的傳力特點，支撐構(gòu)件不宜直接承擔(dān)豎向荷載，才能更好地發(fā)揮其抵抗水平力作用的效能。因此，在計算時人為指定支撐構(gòu)件的施工次序在所有構(gòu)件施工次序的最后一步，且在施工圖中注明：支撐構(gòu)件應(yīng)做好鋼筋的預(yù)埋，待主體結(jié)構(gòu)施工完成后再澆注支撐混凝土。支撐連接的框架柱按無支撐的計算模型的配筋結(jié)果包絡(luò)設(shè)計。

表1 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對比

圖7 一層結(jié)構(gòu)模型示意圖

3.3 鋼結(jié)構(gòu)穹頂?shù)恼w計算

由于屋面上部連接了一個半徑為13.7m的空間網(wǎng)架穹頂結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載對于該結(jié)構(gòu)的作用較大，不可忽略不計。因此，在進行整體結(jié)構(gòu)分析時，有必要考慮該空間結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載[2]。

該工程采用盈建科結(jié)構(gòu)軟件進行建模和計算。軟件提供空間結(jié)構(gòu)(主要為空間桁架、網(wǎng)架殼體等)參與建模計算的模塊，整體計算模型組裝如圖8所示。由于空間層體型復(fù)雜多變，軟件目前尚不能自動算出該層的風(fēng)荷載，需人工補充輸入。該工程采用蒙皮導(dǎo)荷的方式補充空間層風(fēng)荷載，由軟件自動在空間結(jié)構(gòu)外生成蒙皮，人工輸入作用在蒙皮外的風(fēng)壓或者體形系數(shù)，軟件自動導(dǎo)算風(fēng)荷載。蒙皮導(dǎo)荷在各個工況下分批選擇不同的荷載方向進行輸入[3]。比如對+X向風(fēng)導(dǎo)荷時，選擇結(jié)構(gòu)左側(cè)的構(gòu)件并選擇+X荷載方向生成左側(cè)蒙皮，并在左側(cè)蒙皮上輸入正值的風(fēng)荷載體形系數(shù)。再選擇結(jié)構(gòu)右側(cè)的構(gòu)件并選擇-X荷載方向生成右側(cè)的蒙皮，并在右側(cè)蒙皮上輸入負(fù)值的風(fēng)荷載體形系數(shù)。當(dāng)未區(qū)分左右(上下)側(cè)分別輸入蒙皮及相應(yīng)正負(fù)值風(fēng)荷載體形系數(shù)時，結(jié)構(gòu)生成的風(fēng)荷載會相互抵消，計算得到的風(fēng)荷載很小，與實際不符(如表2中第7層)。

因為該工程結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)穹頂組成，兩種結(jié)構(gòu)的主體材料不同，因此，采用按材料取阻尼比的方式設(shè)置計算參數(shù)，使程序更準(zhǔn)確計算地震作用[4]，計算結(jié)果如表2所示。

圖8 飛行影院模型組裝示意圖

表2 風(fēng)荷載信息計算結(jié)果

3.4 躍層柱的計算

在建筑平面南北兩側(cè)的坡道中段位置的框架柱，為滿足坡道的凈高要求，該框架柱在Y軸方向無法與內(nèi)跨柱通過框架梁連接，由此形成自一層樓面至屋面南北向無約束的躍層柱。而軟件建模中，因支撐坡道板需要，在坡道板標(biāo)高設(shè)置懸挑梁，如圖9所示，由此形成模型中挑梁對該柱的逐層分割，軟件無法識別該柱實際不受挑梁的約束。因此，通過人工指定該柱的長度系數(shù)補充計算。按各層柱計算長度系數(shù)=18m(一層柱底至屋面柱頂?shù)目偢叨?×1.25/各層輸入層高，計算各層長度系數(shù)并補充定義該特殊柱。該柱配筋按各層計算值最大者按柱全高通長配筋。

圖9 局部剖面圖

4 結(jié)論

(1)由于影院特種設(shè)備的安裝需要，不可避免地要在建筑平面內(nèi)形成大開洞、層高突變等，由此造成的結(jié)構(gòu)平面及豎向的不規(guī)則，可通過加強洞口周邊樓板厚度及配筋來加強，也可在適當(dāng)位置設(shè)置少量剪力墻或支撐，主體結(jié)構(gòu)仍然是框架結(jié)構(gòu)，但此時結(jié)構(gòu)的整體剛度都將有所提高[6]。

(2)隨著結(jié)構(gòu)計算軟件的升級與優(yōu)化，建筑中存在鋼桁架、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)時，可以將空間結(jié)構(gòu)在軟件中進行建模、組裝、導(dǎo)荷及計算，無需通過各種等價代換的假定以考慮空間結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)計算的影響，結(jié)果也更為接近實際結(jié)構(gòu)。

(3)結(jié)構(gòu)計算軟件一般都能自動識別躍層柱，但當(dāng)柱子一對邊僅一側(cè)或兩側(cè)均為懸挑梁時，需人工定義該特殊柱柱長系數(shù)，軟件才能按實際柱高計算。

[1] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] YJK建筑結(jié)構(gòu)模型及荷載輸入用戶手冊[Z].北京：北京盈科軟件股份有限公司，2015：176-183.

[5] YJK常見對比問題分析(上部結(jié)構(gòu))[Z].北京：北京盈科軟件股份有限公司，2014：102-120.

[6] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答與分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

The structure design of the 5D flight theater in Luoyuan Bay

LAIChuanfang

(JianMeng Design Group, Fuzhou 350019)

Regarding the 5D flight theater project in Luoyuan Bay, this paper introduced the main structural design of a kind of special theater which is emerging in many parts of the world.In view of the analysis of important and difficult problems such as the main structure floor with large openings, thermocline columns, column bracing, and reinforced concrete roofing combined with steel dome and less wall frame structure encountered in the design process of the main structure, this paper proposed a solution.

The main structure floor with large openings; Thermocline column; Column bracing; Combination of reinforced concrete roofing and steel dome; Less wall frame structure

賴傳芳(1988.8- ),男，助理工程師。

E-mail:303229556@qq.com

2017-03-20

TU318

A

1004-6135(2017)07-0090-04