劉永豪, 盧清剛, 詹延杰, 呼延辰昭, 楊會(huì)苗, 劉 華, 展興鵬

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

天漢大劇院位于陜西省漢中市濱江新區(qū),是漢中市濱江文化核心景觀帶的標(biāo)志性文化建筑。地上部分由大劇院(北樓)和青少年活動(dòng)中心(南樓)組成,地下連成整體。地上建筑功能為大劇院、多功能小劇場(chǎng)、工人文化宮等;地下室功能為汽車庫(kù)、機(jī)房、會(huì)議室及劇院附屬用房等?？偨ㄖ娣e為69 994m2,地上建筑面積為45 994m2,地下建筑面積為24 000m2。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

北樓結(jié)構(gòu)屋面高度為19.8m,地上4層,首層層高5.4m,其他層層高均為4.8m。南樓結(jié)構(gòu)屋面高度為23.4m,地上5層,首層層高5.4m,其他層層高均為4.5m;地下1層,層高為6.5m。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年,北樓結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0,建筑抗震設(shè)防類別為乙類;南樓結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0,建筑抗震設(shè)防類別為丙類。本工程抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,特征周期為0.40s。100年重現(xiàn)期風(fēng)壓為0.35kN/m2,地面粗糙度類別為B類。

本工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí),采用天然地基+筏板基礎(chǔ),舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)采用筏板基礎(chǔ)+抗拔樁。筏板底標(biāo)高為-8.60m,局部筏板底標(biāo)高為-7.90m,主舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)筏板底標(biāo)高為-19.30m?；A(chǔ)持力層為第③層卵石層,承載力特征值為300kPa;局部持力層為第⑤層圓礫層,承載力特征值為360kPa。本工程±0.000相對(duì)的絕對(duì)標(biāo)高為507.5m,抗浮水位標(biāo)高為503.00m。主舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)筏板存在抗浮問題,最大水頭高度13.3m。筏板厚度1.5m,抗拔樁樁徑800mm、樁長(zhǎng)18m。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

天漢大劇院結(jié)構(gòu)形式特殊,與常規(guī)劇院?jiǎn)我豢蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系不同[1-6],北樓和南樓兩個(gè)單體結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),外圍莫比烏斯環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)將兩個(gè)單體連成一體,形成外圍空間鋼結(jié)構(gòu)+北樓鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)+南樓鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)體系。整體結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)及外圍鋼結(jié)構(gòu)如圖2～4所示。

圖3 主體結(jié)構(gòu)(南樓+北樓)透視圖

圖4 外圍鋼結(jié)構(gòu)透視圖

北樓采用布置多個(gè)剪力墻筒體的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),連接外圍鋼結(jié)構(gòu)的框架柱采用型鋼混凝土柱,其他為鋼筋混凝土柱;主入口大尺度弧形通透門廳采用鋼桁架+斜拉桿+單索幕墻結(jié)構(gòu),如圖5所示;觀眾廳屋頂平面尺寸32m×30m,懸掛5道檢修馬道、2道面光橋、聲橋等設(shè)施,屋面為上人活動(dòng)屋面,采用型鋼混凝土梁+現(xiàn)澆屋面板結(jié)構(gòu),平面井字形網(wǎng)格布置,網(wǎng)格尺寸為3m×3m,型鋼混凝土梁截面為500×2 500,內(nèi)置工字鋼截面為工30×1 800×200×30。

圖5 北樓主入口門廳鋼結(jié)構(gòu)

南樓采用布置2個(gè)剪力墻筒體的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),兩端采用鋼結(jié)構(gòu)+組合樓板(便于外圍鋼結(jié)構(gòu)銜接),連接外圍鋼結(jié)構(gòu)的框架柱采用型鋼混凝土柱,角部斜柱采用鋼管混凝土柱,其他為鋼筋混凝土柱。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)提出了外圍空間鋼結(jié)構(gòu)與兩個(gè)獨(dú)立主體結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的新型組合結(jié)構(gòu)體系,構(gòu)建了各子結(jié)構(gòu)發(fā)揮自身性能優(yōu)勢(shì)的力學(xué)邏輯關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了外圍鋼結(jié)構(gòu)徑向協(xié)同作用、環(huán)向自主受力的機(jī)制,抗風(fēng)、抗震協(xié)同,環(huán)向超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)溫度作用自主受力。

(2)針對(duì)外柔內(nèi)剛的組合結(jié)構(gòu)體系,提出了多類型過渡型連接節(jié)點(diǎn)(彈簧板節(jié)點(diǎn)、鏈桿式節(jié)點(diǎn)),實(shí)現(xiàn)鋼與混凝土結(jié)構(gòu)受力協(xié)同、變形協(xié)調(diào)、剛?cè)嵯酀?jì)。

(3)針對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求,北樓主入口采用鋼桁架+斜拉桿+單索幕墻結(jié)構(gòu)的組合體系,解決了邊界剛度弱的難題,實(shí)現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一。

(4)觀眾廳屋頂為重載大跨度結(jié)構(gòu),采用井字形布置的型鋼混凝土網(wǎng)格梁+現(xiàn)澆屋面板有效解決了劇場(chǎng)聲學(xué)控制問題,高效地協(xié)調(diào)了下部多重懸掛子結(jié)構(gòu),保證了結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性。

(5)外圍鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置兩道環(huán)形步道,滿足了建筑與主體空間的交叉呼應(yīng),拉近了建筑、游客、自然的互動(dòng)空間。設(shè)計(jì)上采用基于建筑全生命周期的正向BIM技術(shù),解決了設(shè)計(jì)和施工過程中的復(fù)雜空間交互問題,也為后期建筑運(yùn)維管理提供了有力的技術(shù)支撐。

2.3 應(yīng)對(duì)措施

(1)設(shè)計(jì)上采取外圍鋼結(jié)構(gòu)模型、北樓單體混凝土結(jié)構(gòu)模型(北樓單體模型)、南樓單體混凝土結(jié)構(gòu)模型(南樓單體模型)和混凝土主體+外圍鋼結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)模型(整體模型)對(duì)比分析的包絡(luò)設(shè)計(jì)方法,全面考慮多方向地震作用、多方向風(fēng)荷載及溫度作用的影響。

(2)針對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件和部位提出性能化設(shè)計(jì)要求,性能目標(biāo)見表1。關(guān)鍵構(gòu)件及部位包括鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接處(混凝土結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)支座處),連體部位北樓、南樓剪力墻筒體及斜柱,演播廳樓板開大洞處,大劇院觀眾廳頂部大跨度結(jié)構(gòu),北樓入口大廳單索幕墻結(jié)構(gòu),南樓室外樓梯大懸挑結(jié)構(gòu)。

表1 工程抗震設(shè)防性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)模型分析原則

本工程采用如下不同軟件、不同分析模型對(duì)主體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),全面考慮外部荷載作用下各結(jié)構(gòu)單元之間的相互影響:

(1)采用YJK分別計(jì)算南樓單體模型、北樓單體模型以及主體結(jié)構(gòu)模型,外圍鋼結(jié)構(gòu)在主體結(jié)構(gòu)模型上的作用按荷載輸入:1)不含鋼結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)模型,樓板采用彈性膜假定,用于考慮樓板的真實(shí)剛度貢獻(xiàn);2)不含鋼結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)模型附加考慮樓板采用彈性膜假定且板厚按照0.01m輸入,其目的是不考慮樓板作用計(jì)算出樓面梁的拉力作用,用于對(duì)樓面梁按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì);3)不含外圍鋼結(jié)構(gòu)的南樓單體模型和北樓單體模型,用于計(jì)算小震下整體結(jié)構(gòu)指標(biāo)和進(jìn)行關(guān)鍵構(gòu)件的性能化設(shè)計(jì)。

(2)采用YJK計(jì)算包括外圍鋼結(jié)構(gòu)和混凝土主體結(jié)構(gòu)的整體模型?？紤]附著在主體結(jié)構(gòu)上的外圍鋼結(jié)構(gòu)作用和其剛度對(duì)主體結(jié)構(gòu)模型的影響,用于校核混凝土構(gòu)件的性能。

(3)采用MIDAS Gen單獨(dú)計(jì)算外圍鋼結(jié)構(gòu)模型。用于鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(4)采用MIDAS Gen計(jì)算包括外圍鋼結(jié)構(gòu)和混凝土主體結(jié)構(gòu)的整體模型。整體模型考慮了混凝土主體結(jié)構(gòu)的剛度,可以模擬鋼結(jié)構(gòu)支座的真實(shí)剛度,用于校核鋼結(jié)構(gòu)分析和鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(5)采用Pcao-SAP彈塑性分析軟件進(jìn)行整體模型的大震彈塑性分析。用于計(jì)算不同角度地震作用下兩個(gè)單體之間的水平位移差對(duì)外圍鋼結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.2.1 彈性分析

本工程外圍鋼結(jié)構(gòu)為異形曲面,主體結(jié)構(gòu)外圈柱采用斜柱,最大斜度為57°。斜柱及斜柱平面內(nèi)框架均采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu),斜柱局部剖面如圖6所示。南樓兩端結(jié)構(gòu)存在大懸挑、大跨度、轉(zhuǎn)換等難點(diǎn),為減輕結(jié)構(gòu)自重,該區(qū)域采用鋼框架結(jié)構(gòu),不同材料過渡區(qū)域設(shè)置鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)樓層平面內(nèi)設(shè)置平面桁架,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性,平面桁架如圖7所示。

圖6 北樓斜柱示意圖

圖7 南樓端部鋼結(jié)構(gòu)示意圖

采用YJK進(jìn)行計(jì)算,得到北樓單體模型的周期、振型計(jì)算結(jié)果見表2,結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大層間位移角、層間位移比及基底剪力等結(jié)果見表3、4。南樓單體模型的周期、振型計(jì)算結(jié)果見表5,結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大層間位移角、層間位移比及基底剪力等結(jié)果見表6、7。從表中可以看出,北樓最大層間位移比為1.39,南樓最大層間位移比為1.39;北樓最大層間位移角為1/1 824,南樓最大層間位移角為1/1 897,均滿足規(guī)范要求。

表2 北樓單體模型的周期、振型

表3 北樓單體模型的結(jié)構(gòu)最大層間位移角及位移比計(jì)算結(jié)果(所在樓層)

表4 北樓單體模型的基底剪力、剪重比

表5 南樓單體模型的周期、振型

表6 南樓單體模型的最大層間位移角及位移比計(jì)算結(jié)果(所在樓層)

表7 南樓單體模型的基底剪力、剪重比

3.2.2 抗震性能化分析

在中震作用下部分桿件屈服,結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性,采用彈塑性方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。為方便設(shè)計(jì),采用等效彈性方法計(jì)算豎向構(gòu)件及關(guān)鍵部位構(gòu)件的組合內(nèi)力,并適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)阻尼比的增加以及剪力墻連梁剛度的折減,進(jìn)行中震和大震下構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算時(shí),地震動(dòng)參數(shù)按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[7](簡(jiǎn)稱抗規(guī))取值。中震計(jì)算時(shí)特征周期取0.45s,結(jié)構(gòu)阻尼比取5%,連梁剛度折減系數(shù)取0.4。大震計(jì)算時(shí)特征周期取0.5s,結(jié)構(gòu)阻尼比取5%(采用等效彈性方法估算構(gòu)件內(nèi)力時(shí),建議取6.5%～7.0%),連梁剛度折減系數(shù)取0.3。

3.3 外圍鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

外圍鋼結(jié)構(gòu)幕墻為莫比烏斯環(huán)形曲面,沿曲面每條縱切線設(shè)置鋼桁架,每榀鋼桁架在樓層處與主體結(jié)構(gòu)通過銷軸(或鏈桿)拉結(jié),所有鋼桁架由2道環(huán)形空間桁架串聯(lián)起來,協(xié)調(diào)整體變形,形成空間受力體系。外幕墻頂部設(shè)置的2道環(huán)形步道,與建筑主體結(jié)構(gòu)形成空間穿插,充分拉近建筑、游客、自然的互動(dòng)空間。

外圍鋼結(jié)構(gòu)幕墻每一榀與主體結(jié)構(gòu)的連接和位置均不相同,為了建立精確的整體模型,設(shè)計(jì)中采用BIM技術(shù),同步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中各專業(yè)間的數(shù)據(jù)交互,同時(shí)實(shí)現(xiàn)外圍鋼結(jié)構(gòu)后續(xù)的深化加工及安裝過程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖8為外圍鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接剖面圖。

圖8 外圍鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接剖面圖

鋼桁架間距3.8m左右,每隔20～30m在鋼桁架間設(shè)置交叉索保證鋼桁架平面外穩(wěn)定性,外圍鋼結(jié)構(gòu)幕墻面外按照無側(cè)移計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要截面為□600×300×12×12、□600×400×16×16、□180×180×10×10、□299×12、□351×351×20×20。

鋼結(jié)構(gòu)大部分為鏤空鋼桁架結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)過程中風(fēng)荷載按照實(shí)際迎風(fēng)面進(jìn)行導(dǎo)荷加載。因外圍鋼結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)在樓層隔層或跳層處連接,使風(fēng)荷載可以有效傳遞至主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

外圍鋼結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)采用MIDAS Gen進(jìn)行計(jì)算分析。分析結(jié)果表明,外圍鋼結(jié)構(gòu)入口處桁架在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下最大變形為29.62mm,撓跨比1/1 200,滿足規(guī)范要求的1/500;入口處三角支撐按照懸挑鋼桁架控制變形為49.70mm,撓跨比1/362,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[8]要求的1/250。

外圍鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件分別采用MIDAS Gen單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)模型和整體模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),圖9為最不利荷載組合工況下桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)圖。分析結(jié)果表明,兩種計(jì)算模型桿件應(yīng)力比分布基本相同;外圍鋼結(jié)構(gòu)模型桿件最大應(yīng)力比為0.87,整體模型桿件最大應(yīng)力比為0.86。

圖9 單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)與整體模型的桿件應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果

外圍鋼結(jié)構(gòu)在南北兩側(cè)與主體結(jié)構(gòu)連接,將外圍鋼結(jié)構(gòu)按東西南北方位劃分為四個(gè)區(qū)域,分別挑選弦桿、腹桿和拉索共3種不同類型桿件,對(duì)比以上構(gòu)件在兩種計(jì)算模型中的內(nèi)力差異,以確定桿件設(shè)計(jì)的控制模型。桿件應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 不同模型桿件應(yīng)力比對(duì)比

分析結(jié)果表明單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)模型多數(shù)桿件應(yīng)力比大于整體模型,原因在于單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)模型中與混凝土連接的桿件節(jié)點(diǎn)設(shè)定為支座,其剛度比整體模型大,故單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)模型桿件應(yīng)力比偏大;單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)模型和整體模型分別控制部分位置的拉索應(yīng)力比,因此鋼拉索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用兩種模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)更為安全可靠。

3.4 北樓主入口鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

北樓主入口鋼結(jié)構(gòu)最大挑出跨度達(dá)19.70m,前廳幕墻設(shè)置索幕墻結(jié)構(gòu),若采用鋼結(jié)構(gòu)直接懸挑無法滿足建筑效果及索幕墻剛度的要求。本工程前廳采用斜拉桿將拉力傳至主體結(jié)構(gòu),鋼梁和主體結(jié)構(gòu)采用銷軸連接,單索幕墻設(shè)置在拉桿下端,受力簡(jiǎn)圖如圖10所示。

圖10 拉索結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

北樓前廳立面拉索玻璃幕墻面積約1 800m2,鋼拉索采用φ36mm高釩索,破斷安全系數(shù)為2.32,滿足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)[9]第5.6.1條要求的破斷安全系數(shù)不小于2.00。拉索上部固定端采用銷軸耳板與鋼結(jié)構(gòu)橫梁連接,下部調(diào)節(jié)端與地下室頂板混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件支座連接。立面玻璃安裝通過拉索上夾具固定,玻璃采用中空鋼化鍍膜玻璃。屋面采用直立鎖邊金屬屋面。

為保證單索幕墻結(jié)構(gòu)的有效剛度,防止拉索預(yù)應(yīng)力松弛,將拉索結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算,模擬主體結(jié)構(gòu)支座的真實(shí)剛度,并對(duì)幕墻張拉施工過程進(jìn)行分析。施工順序如下:1)主體結(jié)構(gòu)施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度;2)安裝鋼結(jié)構(gòu)空間桁架結(jié)構(gòu),考慮施工變形起拱;3)安裝空間桁架和觀眾廳之間鋼結(jié)構(gòu)梁及平衡背拉桿;4)懸挑雨棚鋼梁及鋼拉桿安裝;5)澆筑空間桁架頂面及觀眾廳之間混凝土樓板;6)單索幕墻拉索安裝,按順序?qū)ΨQ張拉,分2～3級(jí)張拉至350kN,同時(shí)監(jiān)測(cè)上部鋼拉桿長(zhǎng)度保持結(jié)構(gòu)成形態(tài)與設(shè)計(jì)態(tài)一致,必要時(shí)修正調(diào)節(jié)鋼拉桿長(zhǎng)度;7)安裝直立鎖邊金屬屋面結(jié)構(gòu),安裝玻璃幕墻。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 北樓外圍鋼結(jié)構(gòu)門廳施工現(xiàn)場(chǎng)照片

3.5 觀眾廳屋頂重載大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

天漢大劇院主劇場(chǎng)內(nèi)部空間對(duì)外部聲環(huán)境及震動(dòng)要求比較嚴(yán)格。根據(jù)建筑功能需求,觀眾廳屋面設(shè)置活動(dòng)屋面,為了避免屋面人員活動(dòng)對(duì)劇場(chǎng)演出效果造成影響,屋面建筑做法選用架空隔聲重型做法;另外觀眾廳頂部附加工藝設(shè)備、檢修馬道、吸聲吊頂?shù)鹊鯍旌奢d,觀眾廳頂部恒載達(dá)到1 500kg/m2,活動(dòng)區(qū)域同時(shí)要保證人員舒適度要求。結(jié)構(gòu)屋面為承受重型荷載的大跨度屋面,屋面做法大樣如圖12所示。

圖12 觀眾廳屋面做法

經(jīng)過對(duì)鋼桁架、預(yù)應(yīng)力混凝土梁及鋼骨混凝土梁等多方案進(jìn)行綜合比選,并考慮觀眾廳結(jié)構(gòu)整體抗浮、前廳鋼結(jié)構(gòu)拉索幕墻體系的總體需求及建筑外觀清水混凝土效果等因素[10],觀眾廳頂部重載屋面選用鋼骨混凝土井字梁結(jié)構(gòu)方案。

大跨度井字梁屋蓋平面尺寸為32m×30m,位于大劇院平面中心位置,鋼骨截面為H1 800×200×20×40,材料選用Q355B。大跨度鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)梁施工安裝時(shí),起重機(jī)械在建筑外圍難以進(jìn)行吊裝作業(yè),且存在安裝空間高、結(jié)構(gòu)跨度大且鋼骨自重和截面大等施工難題。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程情況,屋面分五個(gè)結(jié)構(gòu)單元采用累積滑移方式進(jìn)行安裝,設(shè)計(jì)過程預(yù)留滑移支撐梁、滑靴及滑移軌道等安裝條件,滑移軌道做法如圖13所示。

圖13 滑移軌道及頂推設(shè)備示意圖

鋼骨整體安裝就位后,采用鋼骨梁吊模方案澆筑鋼筋混凝土梁板。為消除混凝土澆筑過程對(duì)鋼骨帶來的影響,大跨度井字梁底部設(shè)置豎向支撐鋼架,并設(shè)置監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),對(duì)施工過程中鋼骨梁的應(yīng)力及屋面整體撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),保證混凝土澆筑及后期支撐結(jié)構(gòu)卸載時(shí)的結(jié)構(gòu)安全。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 鋼梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.6 大震彈塑性分析驗(yàn)證

采用Paco-SAP有限元分析軟件進(jìn)行整體模型彈塑性分析,用于研究關(guān)鍵構(gòu)件的性能化設(shè)計(jì)以及不同角度地震作用下兩個(gè)單體之間的水平位移差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)外圍鋼結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算時(shí)考慮幾何非線性與材料非線性雙非線性因素。

梁、柱桿件采用基于Timoshenko梁理論的纖維梁?jiǎn)卧?考慮剪切變形;剪力墻、樓板采用四邊形或三角形縮減積分殼單元?；炷敛捎脧椝苄該p傷模型,能反映混凝土滯回、剛度退化和強(qiáng)度退化等特性。鋼材和鋼筋均采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型。

選取滿足抗規(guī)的地震波輸入。關(guān)鍵構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)時(shí)采用兩組天然波和一組人工波進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì);計(jì)算不同角度地震作用下兩個(gè)單體之間的水平位移差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)外圍鋼結(jié)構(gòu)的影響時(shí)采用一組天然波,以30°為夾角,從12個(gè)方向輸入進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。水平兩方向和豎向地震波峰值加速度比為1(X向)∶0.85(Y向)∶0.65(Z向),罕遇地震峰值加速度為0.4g。不同類型構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如圖15～18所示;不同方向角地震波輸入鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果如圖19所示。

圖16 各工況包絡(luò)下柱性能水平

圖17 各工況包絡(luò)下支撐性能水平

圖18 各工況包絡(luò)下梁性能水平

圖19 不同方向角地震波包絡(luò)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水平

由圖15～19的分析結(jié)果表明:大部分混凝土構(gòu)件處于彈性階段,部分進(jìn)入彈塑性階段,但受壓損傷較輕;絕大部分墻肢的鋼筋應(yīng)力處于彈性階段,少量墻肢的鋼筋進(jìn)入屈服,塑性變形較小;絕大部分連梁出現(xiàn)不同程度的屈服,形成了鉸機(jī)制,符合屈服耗能的抗震工程學(xué)原理;型鋼混凝土框架柱基本處于彈性階段。大震作用下,X、Y向最大位移值分別為0.169、0.171m;X向最大層間位移角為1/113,出現(xiàn)在第4層,Y向最大層間位移角為1/112,出現(xiàn)在第3層,均小于層間位移角限值1/100,滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),計(jì)算結(jié)果見表9。12個(gè)方向角地震波輸入包絡(luò)設(shè)計(jì)下,僅在連體處有少量鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于輕微破壞,其余鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均無損傷,表明大震作用下兩個(gè)結(jié)構(gòu)單體之間的位移差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響不大。

表9 大震動(dòng)力彈塑性分析計(jì)算結(jié)果

4 關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

支撐鋼結(jié)構(gòu)入口桁架的立柱支座采用K形鑄鋼節(jié)點(diǎn)以增強(qiáng)該受力薄弱部位的安全性和可靠性。鑄鋼件材質(zhì)牌號(hào)為G20Mn5QT,材料彈性模量E=2.06×105N/mm2,切線模量取6 100N/mm2,泊松比μ=0.3。匯交節(jié)點(diǎn)采用ABAQUS進(jìn)行承載力分析,材料屈服準(zhǔn)則為von Mises準(zhǔn)則,材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度為235MPa,屈服強(qiáng)度取300MPa,進(jìn)入彈塑性階段后,采用各向同性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型,鑄鋼件在1倍荷載設(shè)計(jì)值作用下最大應(yīng)力為128.3MPa;在4倍荷載設(shè)計(jì)值作用時(shí)剛度首次減小為初始剛度的10%,整體結(jié)果滿足極限承載力要求。鑄鋼節(jié)點(diǎn)做法及有限元分析結(jié)果如圖20、21所示,鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝完成后照片如圖22所示。

圖20 鑄鋼節(jié)點(diǎn)

圖22 鑄鋼節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片

4.2 復(fù)雜型鋼混凝土連接節(jié)點(diǎn)

本工程外圍結(jié)構(gòu)柱存在較多斜柱,外圍鋼結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)連接關(guān)系復(fù)雜。為保證構(gòu)件間內(nèi)力的有效傳遞,過渡區(qū)構(gòu)件采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土斜柱和平面內(nèi)輻射鋼骨梁連接時(shí),鋼筋和鋼骨多向交叉,形成復(fù)雜的勁性連接節(jié)點(diǎn)。為保證鋼筋與型鋼柱有效連接、鋼筋和鋼筋在柱變斜率處的連續(xù)以及鋼骨與外圍鋼結(jié)構(gòu)連接的銷軸耳板精確定位,設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬建造,將節(jié)點(diǎn)模型實(shí)現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)化,較好地實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化排序、施工模擬和加工精度控制。北樓西北角斜鋼骨柱和鋼骨梁節(jié)點(diǎn)如圖23所示,北樓鋼結(jié)構(gòu)門廳拉桿根部與鋼骨銷軸連接如圖24所示。

圖23 BIM模型鋼骨梁柱節(jié)點(diǎn)

圖24 BIM模型鋼骨與拉桿銷軸連接節(jié)點(diǎn)

5 結(jié)論

本工程造型獨(dú)特、建筑空間布局復(fù)雜、建筑功能多樣,外圍莫比烏斯環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)將大劇院和青少年活動(dòng)中心兩個(gè)單體連為一體,形成帶復(fù)雜連體的雙塔樓結(jié)構(gòu)。針對(duì)外柔內(nèi)剛的組合結(jié)構(gòu)體系本文采用多種計(jì)算軟件對(duì)多模型進(jìn)行對(duì)比分析并包絡(luò)設(shè)計(jì),得到如下結(jié)論:1)混凝土結(jié)構(gòu)采用南樓單體模型、北樓單體模型、主體結(jié)構(gòu)模型以及整體模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求;2)鋼結(jié)構(gòu)采用單獨(dú)外圍鋼結(jié)構(gòu)模型和整體模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求;3)觀眾廳頂部重載屋面跨度較大處選用鋼骨混凝土井字梁結(jié)構(gòu)方案,可同時(shí)滿足建筑使用與結(jié)構(gòu)安全的要求;4)關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)安全可靠,計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求;5)罕遇地震作用下整體結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),兩個(gè)單體結(jié)構(gòu)之間的位移差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響較小。

本工程結(jié)構(gòu)體系特殊,兩單體結(jié)構(gòu)通過外圍鋼結(jié)構(gòu)連為一體,因此本文針對(duì)性地提出了多角度大震彈塑性驗(yàn)證分析方法,通過輸入不同角度的地震波,充分考慮了兩個(gè)單體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下位移差對(duì)外圍鋼結(jié)構(gòu)的影響,以期為類似工程提供參考。