大跨度結構的整體協(xié)同性分析

田 亮，李 偉

(1.北京市建筑設計研究院有限公司，北京100045;2河北聯(lián)合大學，河北唐山063009)

1 工程概況及結構體系

本劇院的平面由4個圓心確定的四段圓弧擬合而成，整體呈橢圓形，設有東西南北四個出入口，為了滿足使用功能的要求，結構內部形成了多個空腔，屬于抗震設計中的平面不規(guī)則結構，同時劇場內部錯層位置較多，使得結構各部分之間的聯(lián)系相對較弱。

為改善結構抗震性能，選用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。在結構設計上，整個影劇院采用了外環(huán)框架和內環(huán)觀眾廳及舞臺區(qū)域布置剪力墻(其中觀眾廳位置為兩道環(huán)狀布置的剪力墻)組成的框架剪力墻結構?？蚣懿糠种饕贾迷谟^眾廳和舞臺以外的外環(huán)，有利于提供靈活寬敞的空間布局，剪力墻主要布置在內環(huán)的觀眾廳和舞臺區(qū)域以及東西兩側的樓梯間區(qū)域，上下貫通布置。有效的增強了結構的抗側剛度，盡可能減小了結構側移。

屋頂設計較為復雜，基本上由兩部分組成:(1)觀眾廳和舞臺區(qū)域及北側部分區(qū)域為現(xiàn)澆混凝土屋蓋; (2)其他區(qū)域為復雜曲線構成的屋頂，采用鋼網架結構(圖1)。為正放四角錐焊接球節(jié)點網架，局部為空間倒放三角形桁架，采用上弦和下弦的多點支承。支座節(jié)點，內環(huán)支座采用固定球鉸支座，外環(huán)支座采用可滑動球鉸支座。網架結構整體為環(huán)形，平面南高北低，高端高度為35 m，低端高度為21.310 m。

圖1 首層結構平面布置及剖面圖

2 結構的設計計算

由于劇場內部有較多的空曠區(qū)域，樓板標高較多，且有如看臺之類的斜板，層的概念比較模糊，選用以建研科技股份有限公司編制的PMSAP軟件為主進行計算，然后用北京邁達斯技術有限公司編制的MIDAS/ Gen V7.8.0中文版結構分析與設計軟件進行計算校核。主要計算結果見表1。

表1 主要計算結果對比

3 工程的重點難點分析

3.1 南入口大廳挑空位置與主體的協(xié)同工作

南入口大廳大空間部分挑空高度32 m左右，入口處6根柱子直接伸至屋頂，為加強其可靠性和穩(wěn)定性，采取將6根柱子全部做成直徑1200mm的鋼管混凝土柱，通過計算分析發(fā)現(xiàn)，此處的6根柱子總是處于局部陣型，無法和主體共同振動，而且第一周期總是處于扭轉為主的周期。通過對建筑專業(yè)吊頂方案的分析，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域建筑專業(yè)在21.5 m處有吊頂，利用吊頂?shù)目臻g我們設置了6組型鋼水平交叉支承，使6個柱子與主體結構21.5 m處樓板相連，并在6根柱子之間設置水平環(huán)梁，保證其與主體形成一個可靠的整體，避免產生扭轉變形。水平交叉支撐的位置見圖2。

圖2 水平交叉支撐三維圖

3.2 長懸挑部位的處理

觀眾廳二層看臺為長懸挑結構，最遠點懸挑梁懸挑長度達到9 m，由于懸挑長度非常大，設計中充分利用了建筑層高上的優(yōu)勢，設置了10根500×2000的預應力懸挑大梁，目的在于盡量減小每根梁上的荷載從屬面積，最密處梁間距為2.4 m，并在懸挑端部設置3道環(huán)梁增強整個看臺結構的整體性，使得10根大梁能夠共同工作，同時充分利用挑梁根部的兩道剪力墻之間的空間將懸挑梁延伸進去，并通過變截面為400× 1000延伸至外側相應的框架結構上，以滿足懸挑梁的錨固和抗傾覆要求。同時在計算時對該部位進行中震彈性計算以提高其抗震性能，保證結構安全。

3.3 網架與搖擺柱

屋頂?shù)慕Y構設計采用了空間網架為主的結構形式，針對南側入口處懸挑長度14.1 m，北側入口處支承條件略差的不利情況，設計中在這兩個部位的網架內部部設10榀徑向桁架(南側6榀，北側4榀)及3道環(huán)向桁架(南側)，懸挑受力的徑向桁架桿件為通長鋼管，網架桿件與之連接的節(jié)點采用相貫焊接節(jié)點，保證懸挑部分的傳力的直接性和連續(xù)性(圖3)。

圖3 桁架結構三維圖

另外，在南側入口懸挑較大區(qū)域，有效利用玻璃幕墻的主龍骨，設置14根搖擺柱，搖擺柱采用900×300 ×18×24的箱型鋼柱，與網架頂通過特殊的鉸接支座相連，使得搖擺柱只承受網架傳來的豎向荷載，在網架結構受到較大外部作用、發(fā)生較大變形時，起到支承作用，形成一種“雙控”的模式，更好的保證屋蓋的安全。在設計過程中，建立了有搖擺柱和無搖擺柱兩種模型(圖4、圖5)，對比兩種結果發(fā)現(xiàn)，未設置搖擺柱時，端部最大位移為0.065 m，設置搖擺柱后，端部最大位移為0.007 m，有效減小了網架部分的位移。同時相應位置的腹桿應力比也得到明顯的減小。

圖4 ①軸桁架-帶搖擺柱應力比計算

圖5 ①軸桁架-無搖擺柱應力比計算

3.4 后澆帶解決墻體受力問題

觀眾廳屋蓋處采用的井字梁結構跨度達到35 m，屋面荷載較大，同時作為觀眾廳的上空在重要性上比較重要，因為梁的配筋量很大，為了給予鋼筋充分的錨固，并為大梁提供良好的支撐條件，設計中將梁向外延伸一跨至外環(huán)剪力墻，但這樣的做法同時帶來另一個問題，就是由于兩道墻體之間的距離很近，僅有2 m;井字梁根部所產生的巨大彎矩，對外環(huán)的墻體將產生很大的向上的力，通過計算模型的分析結果，發(fā)現(xiàn)局部墻體會出現(xiàn)拉力，為了解決這種情況，設計時又建立了一個梁不延伸至外環(huán)墻體的模型，計算結果顯示這種情況下外環(huán)墻體不再出現(xiàn)拉力;綜合這兩個模型的結果，設計中采取了仍然將梁延伸至外環(huán)墻體，在配筋時按兩種情況的包絡值進行配筋，同時在施工中采取沿觀眾廳環(huán)向設置一圈后澆帶，這樣的做法可以使的整個屋蓋先在內環(huán)剪力墻上進行卸載，待整體穩(wěn)定后再澆筑后澆帶。目前該部分施工已經完成，后澆帶已經封閉，效果良好。

4 結論

本結構的設計過程中，通過合理設置水平支撐，協(xié)同了內外環(huán)結構構件的協(xié)同工作，保證了整體剛度與抗震要求。對于二層看臺長懸挑位置，通過采用加密懸挑梁間距，減小單根梁的荷載，并在梁內施加預應力，滿足了承載力的要求;同時，利用幕墻的主龍骨而設置的14根搖擺柱，對網架長懸挑位置起到有效支撐，有效減小此部分網架的撓度和應力比，滿足撓度及抗裂的要求。合理設置的后澆帶，讓整個屋蓋先在內環(huán)剪力墻上進行卸載，待整體穩(wěn)定后再澆筑后澆帶，解決了外環(huán)墻體受拉力的問題。

［1］ 范欽珊，王波，殷雅俊編著材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［2］ 劉昭培，張韞美編著結構力學［M］.天津:天津大學出版社，1989.

［3］ 周建龍，包聯(lián)進，陳建興.世博文化中心鋼屋蓋結構設計［J］.建筑結構學報2010(05).

［4］ 中華人民共和國住建部.GB50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.