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摘要:剧院类建筑通常具有造型复杂、大空间、大跨度、大悬挑等特点,故在建筑结构设计上也较为复杂。文章介绍了某剧院建筑工程结构设计主要内容,包括工程概况、结构选型与布置、上部结构设计要点以及基础设计等,可为类似剧院建筑工程提供了结构设计方面的一些设计要点及方法。
关键词:剧院;框架剪力墙结构;钢结构屋盖;基础
1工程概况
某剧院建筑工程总建筑面积约2.74万㎡,地下建筑面积约为1.25万㎡,地上建筑面积约为1.49万㎡,建筑效果图见图1。本工程地上部分由剧院(主楼)和文史博物馆(辅楼)两个功能独立的单体组成,两个单体之间设置一道防震缝分开,见图2。主楼地上4层,平面尺寸约为70.8m×86.4m,结构主屋面高度为20.5m,舞台局部区域屋面由于功能需要抬升至32.35m,抬升屋面面积占主屋面面积的12.2%。主楼主要功能为舞台、观众厅、观众休息厅以及其他配套用房;辅楼地上2层,结构高度为12.30m,主要功能为展览厅以及配套用房。主楼剧院的剖面图见图3。主楼和辅楼共用一层整体地下室,平面尺寸约为105m×104m,局部台仓范围为三层地下室,平面尺寸32m×26.8m。地下一层层高为4.8m,台仓部分地下二、三层层高分别为6.2m、4.5m。地下室主要功能为地下车库和配套附属用房,地下车库兼战时人防功能,地下室整体不设缝。
2结构选型与布置
2.1抗侧力体系
剧院建筑功能复杂,内部空旷,内部楼层存在多处大开洞等楼面削弱情况[1,2]。本工程结合建筑的内部功能分布,主体结构采用框架—剪力墙体系。由于本项目内部舞台及观众厅区域为大空间,结构布置空间有限,结合建筑平面布置特点,在舞台及观众厅周边布置框架,典型框架柱尺寸为800×800mm,框架梁尺寸为400×700mm。由于内部空间大开洞、建筑平面布置不规则,为控制整个结构的扭转效应并进一步提高结构的抗侧刚度,在舞台北侧角部及观众厅南侧等位置共设置了7道剪力墙,剪力墙厚度为300~350mm,见图4。在舞台及观众厅大空间上方设置钢桁架屋盖,屋盖的支撑框架柱采用钢骨混凝土柱(简称SRC柱)以保证与屋面钢桁架的可靠连接。屋面桁架与SRC柱为刚接连接,屋面桁架既作为竖向的承重体系,又与支承框架柱组成抗侧力体系,以增强整个结构的抗侧刚度,见图5。
2.2楼面体系
主楼楼面采用现浇混凝土楼盖体系。主要为单向梁板体系,局部重载或大跨度区域采用井字梁。典型梁高为600mm,板厚为150mm。主楼舞台区域屋面钢桁架位于主舞台正上方,用于承受屋面荷载和桁架下方舞台机械荷载及人员检修荷载。屋面桁架支承于下部升起的8根1200×1200的SRC柱上。
3超限情况
根据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》([2014]954号文)对本工程不规则检查,本项目主楼存在扭转不规则、楼板局部不连续、竖向抗侧力构件不连续三项一般不规则情况,属于超限高层建筑结构。
4上部结构设计要点
本工程设计使用年限50年,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[3],上海市抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅳ类。综合考虑以下因素:①结构主屋面高度为20.50m,小于24m,局部突出舞台屋面仅占其面积的12.2%;②主楼大礼堂观众厅共有1185座,接近1200人限值,根据《建筑工程抗震设防分类标准》[4],工程抗震设防重要性类别按重点设防类(乙类)予以提高;③框架部分承受的地震倾覆力矩是结构总地震倾覆力矩的68%(X向)、67%(Y向),故框架部分的抗震等级按框架结构规定采用。根据《建筑抗震设计规程》(DGJ08-9-2013)[3]第6.1.3条规定,确定主楼框架与抗震墙的抗震等级均为二级。4.1跃层柱设计因建筑外立面造型需要,主楼在剧院主入口处、前厅外立面幕墙处,二层东西侧露台处存在跃层柱。剧院主入口处、前厅外立面幕墙处跃层柱底部起始于地下室顶板,顶部升至于结构主屋面,总高度约20m,越4层。东西两侧跃层柱起始于2层屋面,升至于结构主屋面,总高度约15m,越3层,见图6。针对跃层柱,对其进行整体稳定性分析,根据结果合理确定跃层柱计算长度保证跃层柱不发生屈曲破坏。加强跃层柱抗震构造措施:提高跃层柱抗震等级至一级,适当增加配箍率,保证跃层柱的延性,满足性能设计要求。
4.2悬挑看台设计
主楼二层设有悬挑6.25m看台,其中主梁悬挑5.05m,梁端挑板1.2m,上部悬挑拉梁尺寸为600x900mm,下部悬挑梁尺寸为600x700mm,悬挑看台结构布置如图8所示。在常规分析基础上,采用Sap2000有限元软件精细化建模对悬挑看台进行详细应力分析,并依据分析结果,对悬挑看台的配筋及裂缝进行验算,确保悬挑看台受力安全及正常使用。
4.3钢桁架楼盖设计
舞台屋面桁架结构布置如图8(a)所示,沿屋面周边及Y向布置三道主桁架,沿X向布置两道次桁架及次梁,主桁架跨度22.3m,高度3.0m,间距4.9m,次桁架跨度19.6m,高度3.0m,封边主桁架直接与下部框柱刚接,屋面桁架作为抗侧力结构的一部分,形成钢桁架梁—SRC柱抗侧力框架。在桁架上弦与下弦平面设置屋面水平支撑。观众厅区域屋面钢桁架采用单向平面桁架+屋面主次梁布置,沿屋面X向布置三道主桁架,桁架支承于下部SRC柱柱顶,与SRC柱刚接,形成钢桁架梁—SRC柱抗侧力框架。沿Y向布置屋面次梁。观众厅屋面钢桁架体系结构布置平面图如图8(b)所示。采用SAP2000对屋面钢桁架进行精细的计算分析,保证钢桁架的承载力以及位移满足规范要求。采用整体模型进行抗震分析,充分考虑突出屋面部分的鞭稍效应。与屋面钢桁架连接的框架柱采用型钢混凝土柱,钢桁架与型钢柱刚接,保证屋面钢桁架与主体结构可靠连接。
4.4其他设计要点
针对本项目的几何特征及不规则性情况,结合建筑功能,在舞台以及观众厅周边布置适当剪力墙,提高结构的抗扭刚度,同时增加外框的强度储备,保证二道抗震防线的设计要求。其次,由于舞台和观众厅之间区域功能需求,舞台及观众厅区域内楼板大开洞,这样就形成舞台和观众厅区域楼板存在较多不连续和弱连接的情况,属于平面特别不规则结构。据此特点,为保证楼板有效的传递水平力,进行小震、中震作用下的楼板应力分析,并按分析结果对薄弱部位楼板进行配筋加强。针对转换构件:加强转换构件受力分析,确保转换构件受力安全。加强转换构件的抗震构造措施,提高转换构件抗震等级至一级,严格控制转换柱轴压比,适当提高转换梁柱的配筋及配箍率,箍筋全高加密,从而提高转换构件抗剪、抗弯承载力及延性。在剪力墙两端设置端柱,并在端柱内设置型钢,以增加剪力墙的延性。加强错层引起的短柱或超短柱的措施:提高其抗震等级至一级,适当增加主筋的配筋率、箍筋全高加密等。对错层处楼板梁采取贯通布置,梁加腋等措施。
5基础设计要点
本工程的地上主楼和辅楼位于同一整体地下室上,地下室平面尺寸约为105m×104m,主楼平面尺寸为70.8m×86.4m,辅楼平面尺寸为51.5m×29.8m。整体地下室为一层,其中主楼台仓为地下三层,地下一层层高为4.8m,台仓部分地下二、三层层高分别为6.2m、4.5m。因上部为层数不多的框架和框架剪力墙结构,荷载差异较大,综合考虑场地地质条件和场地周边因素,地下室采用钻孔灌注桩+承台+防水板的基础形式,主楼台仓区域采用钻孔灌注桩+筏板基础,局部无地下室部分采用钻孔灌注桩+承台+连系梁基础。本工程的基础设计存在抗压和抗浮两种工况,根据地勘报告,考虑到本工程地下室局部深度达15.4m,预制桩送桩有一定难度,且综合考虑尽可能减小对周边已建成的校园建筑影响,本工程采用钻孔灌注桩。主楼、辅楼区域布置直径为600mm的钻孔灌注桩,设计桩长为31m,桩端持力层为⑦1-2层砂质粉土,计算单桩抗压承载力设计值为1100kN,;其中主楼台仓区域区域布置直径为600mm的钻孔灌注桩,设计桩长为26m,桩端持力层为⑦2层粉砂,单桩抗拔承载力设计值为800kN。除主楼、辅楼区域外的纯地下室区域,在框架柱下布置直径为600mm的钻孔灌注桩,设计桩长为31m,桩端持力层为⑦1-2层砂质粉土,该部分桩为抗压兼抗拔桩,计算单桩抗压承载力设计值为1100kN,单桩抗拔承载力设计值为750kN[5]。根据底板受力以及布桩情况,台仓区域底板厚1200mm,其余地下室部分底板厚度为600mm。此外,桩基承台厚度为1200mm~1500mm不等。
6结论
①剧院建筑因其外部造型及内部功能复杂,使之在结构设计方面也较为复杂。建筑内部一般存在大空间开洞情况,主体结构形式建议采用框架-剪力墙结构。②剧院建筑一般均存在多项结构不规则甚至抗震超限的情况。针对这些几何特征及不规则性情况,从多方面对结构布置及结构构件设计上进行加强。③本文通过对某剧院结构设计的概述,可为其他剧院工程结构设计提供一些经验及方法。
参考文献
[1]朱鸣,戴夫聪,张玉峰,等.哈尔滨大剧院结构设计研究[J].建筑结构,2013(17):43-51.
[2]刘明全,赵剑利,孔江洪,等.大剧院结构设计的特点[J].建筑结构,2006(5):31-35.
[3]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[4]GB50233-2008,建筑工程抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[5]GB50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
作者:王玲 单位:同济大学建筑设计研究院