甕 文 芳

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 工程概況

某劇院建筑位于我國(guó)四川省某市，為當(dāng)?shù)啬程帢?biāo)志性建筑物之一。建筑外輪廓以弧線(xiàn)為主，線(xiàn)條柔美順暢。建成后作為文化活動(dòng)中心使用，其中包括1 200座劇院，500座音樂(lè)廳，報(bào)告廳，多功能活動(dòng)中心等?？偨ㄖ娣e20 530 m2，地上建筑面積15 920 m2。該建筑主要由兩部分組成，西側(cè)是音樂(lè)廳，地上3層，內(nèi)設(shè)音樂(lè)廳、報(bào)告廳及活動(dòng)中心；東側(cè)是劇院，地下1層，地上2層。音樂(lè)廳和劇院主要屋面高度均不大于24 m，為多層建筑(見(jiàn)圖1)。

該建筑地處山區(qū)，地勢(shì)起伏較大，北側(cè)單面臨土，如圖2～圖4所示。土體分布見(jiàn)圖中填充部分，高度約5.4 m。

2 結(jié)構(gòu)方案

該建筑由兩個(gè)復(fù)雜的劇院類(lèi)建筑組成，具有劇院建筑的共性特點(diǎn)：體型復(fù)雜，內(nèi)部空曠，大跨度，荷載較大且分布不均勻，樓板缺失嚴(yán)重等，這些造成該類(lèi)結(jié)構(gòu)先天存在質(zhì)心和剛心偏離較大[1]。除此之外，該建筑地處山區(qū)，北側(cè)車(chē)庫(kù)單面臨土，且由于建筑造型需要，東西兩建筑之間的上空局部懸空相連，懸空跨度約10 m～15 m，這些實(shí)際情況均需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮。

為解決上述問(wèn)題，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念上的處理，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的受力狀況，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先天條件更加合理：1)采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。利用剪力墻的布置調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛度分布，減小偏心距，增強(qiáng)扭轉(zhuǎn)剛度。2)對(duì)于單側(cè)土體，擋還是扛，是一個(gè)問(wèn)題?？紤]到本建筑內(nèi)部空曠復(fù)雜，已經(jīng)存在嚴(yán)重的剛心質(zhì)心不重合造成的扭轉(zhuǎn)，經(jīng)試算，布置外圈擋土墻會(huì)使整體扭轉(zhuǎn)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)更加不利。因此，采用獨(dú)立式擋土墻將土體與主體結(jié)構(gòu)分離，消除單側(cè)土壓力及地震作用下土體對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響，避免影響主體結(jié)構(gòu)的因素過(guò)于復(fù)雜。3)連接體部分無(wú)建筑功能，荷載較輕。采用由兩側(cè)向中間懸挑的方式，將兩個(gè)單體分離，互不影響。兩懸挑端部之間的縫隙應(yīng)選取在中間處合理位置，避免后期防水處理不當(dāng)影響相鄰建筑的外墻美觀。4)車(chē)庫(kù)頂板在合理的位置設(shè)置抗震縫。通過(guò)以上結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，將本建筑分為音樂(lè)廳和劇院兩個(gè)互相獨(dú)立的單體，可分別建模進(jìn)行計(jì)算。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，特征周期0.45 s。水平地震影響系數(shù)最大值為0.08。

音樂(lè)廳和劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別均為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，底部加強(qiáng)區(qū)從基礎(chǔ)至二層，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。地下室部分抗震等級(jí)同上部結(jié)構(gòu)。嵌固端位于基礎(chǔ)頂。

結(jié)構(gòu)主體采用鋼筋混凝土材料，對(duì)于大跨度屋蓋采用鋼桁架+組合樓板。

3.2 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用YJK2.0.3進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，用SAP2000進(jìn)行復(fù)核。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 YJK與SAP2000整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

音樂(lè)廳和劇院前三階振型見(jiàn)圖5。

經(jīng)對(duì)比，YJK模型和SAP2000計(jì)算模型的前三階振型振動(dòng)模態(tài)一致，周期、剪重比和最大層間位移角均較為接近，且均滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，整體計(jì)算模型是合理可靠的，可以根據(jù)其計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)后期設(shè)計(jì)。

3.3 彈性時(shí)程分析

根據(jù)音樂(lè)廳和劇院布置情況，結(jié)合整理模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)建筑規(guī)則性進(jìn)行判斷。音樂(lè)廳包含兩項(xiàng)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.33，大于1.2，局部樓板不連續(xù)，為一般不規(guī)則建筑；劇院包含三項(xiàng)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.35，大于1.2，局部樓板不連續(xù)，且平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長(zhǎng)30%，為特別不規(guī)則建筑。根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定，特別不規(guī)則的建筑應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算[2]。采用YJK彈性時(shí)程分析模塊對(duì)劇院結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

3.3.1選波

根據(jù)抗震規(guī)范要求選取7組地震波，其中5組是天然波，2組是人工波?？拐鹪O(shè)防烈度為7(0.1g)，時(shí)程分析采用加速度時(shí)程曲線(xiàn)的最大值為35 cm/s2。時(shí)程分析法步長(zhǎng)取0.02 s，阻尼比0.05。

經(jīng)YI軟件初步篩選，每條基底剪力與CQC結(jié)果差異35%以?xún)?nèi)、基底剪力平均值與CQC計(jì)算結(jié)果差異20%以?xún)?nèi)，考慮地震波組合在前三階周期的平均反應(yīng)譜值與規(guī)范反應(yīng)譜值差別在20%以?xún)?nèi)。從初選的地震波中，進(jìn)行試算選擇，選出滿(mǎn)足規(guī)范要求的地震波組合。所選地震波反應(yīng)譜見(jiàn)圖6。

3.3.2計(jì)算結(jié)果比較

多條波按照時(shí)程分析法計(jì)算所得的剪力平均值與CQC法剪力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,表3。

表2 不同地震波剪力計(jì)算結(jié)果比較

表3 各層剪力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)包絡(luò)結(jié)果，無(wú)需對(duì)層間剪力進(jìn)行放大。采用CQC法所得的剪力計(jì)算結(jié)果是安全的。

4 關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

4.1 大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)屋面

劇院和音樂(lè)廳觀眾廳大跨度屋面采用鋼結(jié)構(gòu)桁架形式。劇院觀眾廳采用四榀桁架，在上空形成30 m×36 m的空曠空間。整體指標(biāo)計(jì)算時(shí)，可將桁架簡(jiǎn)化為梁端與混凝土柱鉸接的鋼梁，模擬其對(duì)周邊混凝土結(jié)構(gòu)的影響。桁架端部支座與混凝土柱的連接節(jié)點(diǎn)，承受較大的豎向力和水平荷載，是桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。在模型中，設(shè)置該處連接為鉸接節(jié)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算，單純的鉸接節(jié)點(diǎn)會(huì)使屋架下弦對(duì)支座腹桿產(chǎn)生很大的推力，造成支座腹桿下端彎矩突增，計(jì)算所需支座腹桿尺寸過(guò)大。

為解決這個(gè)問(wèn)題，鋼桁架支座腹桿底部支座處設(shè)置兩塊鋼板，一塊為調(diào)節(jié)板，一塊為底板，如圖7節(jié)點(diǎn)所示。在屋蓋安裝階段，通過(guò)兩塊鋼板之間的摩擦力傳遞水平力。由于摩擦系數(shù)較小，可近似等效為滑動(dòng)。在計(jì)算模型中設(shè)置滑動(dòng)形式，釋放支座水平方向的約束進(jìn)行模擬計(jì)算。屋面全部恒載加載完畢之后，將兩塊鋼板之間焊接，摩擦面變?yōu)檎{(diào)節(jié)板與混凝土之間，摩擦系數(shù)增大至0.4，形成鉸接節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)這種連接方式，可以合理釋放屋面恒載對(duì)下弦支座腹桿處產(chǎn)生的推力，使支座腹桿受力大大減小，支座腹桿設(shè)計(jì)尺寸更經(jīng)濟(jì)合理。值得注意的是，在屋架施工安裝過(guò)程中，應(yīng)采取必要的施工措施，保證屋面體系的穩(wěn)定。

4.2 臺(tái)口轉(zhuǎn)換構(gòu)件

劇院臺(tái)口構(gòu)件一般可采用大梁轉(zhuǎn)換、空腹桁架、混凝土桁架等結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合本工程實(shí)際情況，采用轉(zhuǎn)換梁+斜撐形成桁架實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。通過(guò)斜撐和梁上柱，與上部結(jié)構(gòu)形成整體共同受力。這種轉(zhuǎn)換方式可減小轉(zhuǎn)換構(gòu)件的尺寸和配筋，增大安全性。施工中需要求，待上部結(jié)構(gòu)達(dá)到拆模強(qiáng)度后方可拆除下層轉(zhuǎn)換梁的模板，保證實(shí)現(xiàn)共同受力(見(jiàn)圖8)。

4.3 二層樓座分析

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)，樓座一般采用兩種形式，梁板式與懸挑式。本劇院中樓座懸挑長(zhǎng)度約4.85 m，樓座下設(shè)有靜壓艙(見(jiàn)圖9)，結(jié)合實(shí)際情況，劇院樓座中部采用懸挑式，下端靜壓艙梁與樓座斜梁形成三角形結(jié)構(gòu)如圖10所示，斜梁、水平梁尺寸均為400×700。兩側(cè)懸挑較大，采用梁板式，次梁以框架主梁和三角形桁架端部的次梁為支點(diǎn)，向外懸挑一跨，懸挑跨度約為次梁跨度的1/3，見(jiàn)圖11。

5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程地處山區(qū)，原場(chǎng)地起伏較大，經(jīng)場(chǎng)平回填，場(chǎng)地填土厚度約為6 m～12 m，填土地基無(wú)法滿(mǎn)足承載力和沉降控制的需求。因此采用樁基礎(chǔ)，地基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。填土下為較薄的粉質(zhì)黏土層，以及大范圍的強(qiáng)風(fēng)化巖石和中風(fēng)化巖石。中風(fēng)化巖石可以作為旋挖成孔的大直徑灌注樁的持力層。場(chǎng)地地下水位較高，抗浮設(shè)計(jì)水位為室外地坪。由于獨(dú)立擋土墻將車(chē)庫(kù)與外側(cè)土體隔離，車(chē)庫(kù)部分可作為上部結(jié)構(gòu)考慮。抗浮問(wèn)題僅在舞臺(tái)區(qū)域存在。樂(lè)池底板頂標(biāo)高-9.5 m，舞臺(tái)底板頂標(biāo)高-8.0 m，后場(chǎng)地下室底板頂標(biāo)高-4.5 m，通過(guò)筏板和樁共同承擔(dān)浮力。

6 結(jié)論

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案階段，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件，在滿(mǎn)足建筑要求的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使主體結(jié)構(gòu)受力更明確、簡(jiǎn)單。本工程通過(guò)設(shè)置獨(dú)立擋土墻、連接體兩側(cè)懸挑和防震縫，將原本十分復(fù)雜的連體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的單體。2)通過(guò)SAP2000和YJK整體模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了所用YJK模型的合理性，其計(jì)算結(jié)果可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。3)對(duì)特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，彈性時(shí)程分析一定程度反映了結(jié)構(gòu)的薄弱部位，可作為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充計(jì)算。4)大跨度桁架支座節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)設(shè)計(jì)和合理的施工次序，釋放恒載產(chǎn)生的對(duì)支座腹桿的推力，從而減小截面尺寸。5)深基坑基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，在底板中增加樁基，以適當(dāng)減少底板的厚度和配筋。