周華杰，周錢剛

廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528000

1 工程概況

某劇場地上3層，地下2層，建筑主體主要為混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑層高分別為（1～3層）6.5m、6.9m、7.3m，地下室層高為5.8m。建筑總體高度約22m，其中第3層裝有輕型鋼結(jié)構(gòu)，作為頂層外包裝造型，頂部有3座小型尖塔，塔頂最高35.5m。

2 大跨度屋蓋設(shè)計(jì)方案比選

該劇院的屋面平面布置圖見圖1。所研究的對象為35.4m×30.6m大跨度屋蓋，均超過18m，而且建筑主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬于規(guī)范規(guī)定的大跨度結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 劇院屋面平面布置圖

因?yàn)樵摻ㄖ锷嫌?座輕型尖塔，所以對屋蓋的方案進(jìn)行對比選型，預(yù)設(shè)方案如下。方案一采用雙向平面鋼梁，次梁單向布置，鋼梁與框架柱鉸接。屋蓋采用鋼筋混凝土樓承板。方案二采用雙向鋼桁架，次梁單向布置，屋蓋采用鋼筋混凝土承板，鋼桁架與混凝土柱鉸接。2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比表

該工程頂部的3座輕型尖塔，內(nèi)部均采用輕鋼龍骨吊頂，具有較重的荷載。由于劇場舞臺需要，在屋蓋下方需布設(shè)舞臺設(shè)備，應(yīng)該對劇場屋蓋結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行系統(tǒng)分析。在劇場屋蓋的選型上，充分借鑒實(shí)驗(yàn)法的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。逆吊實(shí)驗(yàn)法指采取零彎矩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)體的受力簡單。相比于方案一，方案二的平面桁架盡管不能達(dá)到最小彎矩的標(biāo)準(zhǔn)，但是其傳力途徑非常清晰，并且材料消耗較少，因此選用方案二的設(shè)計(jì)理念作為該劇場的大跨度屋蓋設(shè)計(jì)方案。

3 某劇場大跨度屋蓋設(shè)計(jì)

3.1 屋蓋大跨度鋼結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述分析，屋蓋設(shè)計(jì)采用方案二即雙向平面桁架鋼結(jié)構(gòu)。鋼桁架結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度大，能夠承受較大的豎向荷載，但其面外剛度和穩(wěn)定性相對較低，因此在鋼桁架下弦布置部分次梁柱，以提高桁架平面外的穩(wěn)定性，同時(shí)為舞臺的燈光設(shè)備的安裝做準(zhǔn)備（見圖2）。

圖2 雙向平面桁架上弦布置圖（單位：mm）

鋼桁架截面尺寸如下：上弦截面尺寸HM440mm×300mm×12mm×16mm，下弦截面尺寸HM350mm×250mm×10mm×16mm，斜腹桿HM300mm×200mm×8mm×12mm，均為Q345B級鋼。

3.2 豎向荷載取值

工程荷載選取及計(jì)算分析均依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。該工程需考慮在屋蓋下裝備多種舞臺音響及燈光設(shè)備荷載、屋面的裝飾荷載、屋頂上的3座輕鋼尖塔荷載及施工荷載，劇場屋蓋荷載標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

表2 劇場屋蓋荷載標(biāo)準(zhǔn)值 單位：kN/m2

3.3 其他荷載

該劇場建筑設(shè)計(jì)的工程抗震烈度為8度，場地類別為二類，特征周期值為0.55s，阻尼比取值為0.04（混凝土體）、0.03（輕型鋼）。由于劇場屋蓋上裝飾有大小不一致的3座尖塔，質(zhì)量分布的不均勻會在地震的橫波作用下將自身的受力依次傳到在桁架—混凝土框架柱—支座鉸接點(diǎn)，受力均勻且傳導(dǎo)途徑較為簡單[3]。此外，該劇場的設(shè)計(jì)整體跨度較大，而且沒有設(shè)縫。建筑結(jié)構(gòu)材料主要為鋼筋與混凝土。因?yàn)檫@2種材料的受熱膨脹系數(shù)不同，考慮到鋼材對溫度較混凝土敏感，所以采用23℃溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分析其影響。

3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

受限于計(jì)算方法與工具，對建筑的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算通常采用以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主體，對鋼結(jié)構(gòu)的大跨度屋蓋進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算分析，缺少對鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的運(yùn)算步驟，所得結(jié)果往往與實(shí)際的受力情況不符。該劇場的建筑施工設(shè)計(jì)采用YJK1.9.2進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，在水平地震情況下對鋼筋混凝土與屋蓋進(jìn)行整體運(yùn)算，并對屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直地震情況的二次核驗(yàn)計(jì)算。

3.5 整體計(jì)算分析

為了對雙向平面鋼桁架屋蓋進(jìn)行整體精準(zhǔn)建模，劇場施工設(shè)計(jì)采用整體性的空間建模方式，整體運(yùn)算指標(biāo)見表3。

表3 整體運(yùn)算主要指標(biāo)

劇場的雙向鋼桁架的鋼次梁柱、腹桿以及下弦等承重結(jié)構(gòu)，在小震反應(yīng)譜下的應(yīng)力比最大值為0.77，出現(xiàn)的位置在體積最大的頂層尖塔附近，因此在劇場的尖塔施工中應(yīng)充分考慮這部分的荷載能力，對其荷載能力進(jìn)行充分放大，以降低安全隱患。

3.6 單獨(dú)計(jì)算結(jié)構(gòu)

對屋蓋在豎向地震時(shí)的承重工況，垂向地震影響系數(shù)=水平地震系數(shù)×0.6，同時(shí)考慮到±23℃溫差所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)，按照阻尼比0.04（混凝土體）與0.03（輕型鋼）。經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算得出應(yīng)力最大值為0.75，最大變形為32mm，其內(nèi)力控制工況為1.35DL+0.98LL+0.7TEM，即恒載控制下的考慮溫度荷載的工況。

4 結(jié)論

對于建筑中的大跨度屋蓋設(shè)計(jì)，首先在滿足基本施工要求的基礎(chǔ)上，需確保其應(yīng)力傳導(dǎo)的均勻性以及簡潔性原則，尤其是在建筑工況復(fù)雜的環(huán)境下更需要注意應(yīng)力傳導(dǎo)問題。對于大跨度屋蓋建筑施工設(shè)計(jì)，需考慮到屋面的舞臺設(shè)備安裝與頂層3座輕鋼尖塔的荷載承重情況，進(jìn)而運(yùn)用相關(guān)軟件對上部屋蓋及下部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體研究，以獲得最大的成本安全優(yōu)化。