虞終軍 陳 露 王建峰
(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海200092)
近20年來,我國劇院建筑得到了快速發(fā)展,全國各地相繼建造了許多大型劇院,如上海大劇院、國家大劇院、杭州大劇院、東莞大劇院、合肥大劇院、上海保利大劇院等。
古滇王國大劇院位于云南省昆明市,該劇院主要包括一個3 146座觀眾廳、舞臺、咖啡廳、排練廳及車庫、設(shè)備用房、演出用房等。項目總用地面積 85 224.94 m2,總建筑面積 61 805.82 m2,地上建筑面積 21 004.9 m2;地下建筑面積41 800.92 m2。建筑效果圖、功能分布圖見圖 1、圖2。
該項目地下一層(局部臺倉地下四層),地上四層,混凝土屋面高度為23.5 m。鋼結(jié)構(gòu)屋面呈曲面狀覆蓋在下部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上,鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最高點約40 m,屋蓋支承在劇院類橢圓形平面的外圍框架柱、剪力墻上,類橢圓形平面外圍框架柱的短跨約84 m,長跨約117 m,建筑剖面圖見圖3。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋形如孔雀,北端高、南端低,北端部分區(qū)域為大懸挑結(jié)構(gòu),最大懸挑約38 m,南端落地,屋面曲線流暢。
圖1 建筑效果圖Fig.1 Overview of the building
圖2 功能分布圖Fig.2 Functional arrangement
圖3 建筑長軸剖面圖Fig.3 Sectional drawing of long axis
大劇院外部鋼結(jié)構(gòu)幕墻半環(huán)繞于劇院內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)周圍。幕墻結(jié)構(gòu)平面向外“鼓出”,幕墻頂標(biāo)高由50 m至5 m均勻變化,與內(nèi)側(cè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋相互協(xié)調(diào)。
結(jié)構(gòu)體系的選擇,主要根據(jù)建筑方案,結(jié)構(gòu)高度和跨度、抗震設(shè)防烈度等,綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)要求。
本項目建筑造型較為獨特,在滿足建筑造型、立面和內(nèi)部功能布置的前提下,可通過合理分析建筑構(gòu)成,充分利用建筑空間創(chuàng)造的布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件的條件,采用合適的結(jié)構(gòu)形式,合理布置豎向構(gòu)件,達到建筑、結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。
劇院地上部分位于圖2類橢圓形所圍合區(qū)域,屋蓋鋼結(jié)構(gòu)覆蓋整個橢圓、半室外環(huán)形大廳及下沉庭院。由于鋼屋蓋平面覆蓋區(qū)域與下部混凝土圍合區(qū)域差異較大,且舞臺區(qū)域設(shè)備較多,同時,從剖面圖可以看出,建筑體形由低到高,以上因素均導(dǎo)致質(zhì)量分布不均勻,對結(jié)構(gòu)抗扭不利;由于舞臺及觀眾廳的功能要求,這兩個區(qū)域大面積樓板缺失,結(jié)構(gòu)聯(lián)系薄弱處容易在地震中產(chǎn)生震害。結(jié)合上述分析及本劇院的建筑造型特點,結(jié)構(gòu)主抗側(cè)力體系擬采用建筑造型、功能適應(yīng)性較強、結(jié)構(gòu)受力合理、經(jīng)濟性較強的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。
根據(jù)已建成劇院,劇院結(jié)構(gòu)多采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),少量采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)[1]。根據(jù)本工程特點,有較多的大跨度和挑空的區(qū)域,結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系采用框架-剪力墻。
結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置結(jié)合建筑平面,在本建筑中,主要利用豎向交通的樓梯筒位置、隔墻位置布置剪力墻。同時,為減小因質(zhì)量分布不均等造成的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),盡量將剪力墻布置在建筑外圍,同時加強建筑外圍梁柱,提高抗扭能力及整體性[2]。在無法布置實墻的部分外圍柱間增設(shè)支撐,增加結(jié)構(gòu)外圍剛度;豎向構(gòu)件布置考慮結(jié)構(gòu)剛度分布盡量均勻,使連系部位不會因兩側(cè)結(jié)構(gòu)在地震作用下側(cè)向變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致破壞。劇院地上部分結(jié)構(gòu)平面布置見圖4。
圖4 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.4 Above-ground part of structural plan layout
屋蓋支座均勻布置于類橢圓形外圍,因屋蓋面積較大,且屋蓋整體為需種植綠化的觀光屋面,導(dǎo)致屋蓋支座柱荷載明顯大于內(nèi)部墻柱荷載,加大外圍柱截面以滿足承載力需求,同時也有利于增大整體抗扭剛度。
因本劇院建筑形體由低到高逐漸變化,結(jié)構(gòu)平面也從圖4所示結(jié)構(gòu)逐漸變化到圖5所示結(jié)構(gòu)。因功能需求,平面存在大開洞情況。因此,除在洞口周邊位置布置剪力墻外,還對洞邊樓板采取加強措施,增大樓板厚度。
結(jié)構(gòu)外圍各層存在大懸挑情況,柱邊往外最大懸挑約6.4 m,設(shè)計中在懸挑梁內(nèi)布置型鋼的同時,將鋼骨向內(nèi)延伸一跨,以滿足規(guī)范要求。
劇院建筑不同于一般建筑的一個顯著特點是設(shè)備很多,結(jié)構(gòu)布置需要考慮這些設(shè)備的布置要求,特別是設(shè)備最多的舞臺區(qū)域。主次梁的布置不僅需要考慮結(jié)構(gòu)因素,還要充分考慮機電設(shè)備及管道、表演設(shè)備、音響設(shè)備等的安裝及布置要求,避免結(jié)構(gòu)與管道、設(shè)備等的碰撞。由于這些設(shè)備的存在及表演要求,導(dǎo)致舞臺區(qū)域荷載及跨度較大,同時為提高施工便利性,舞臺區(qū)域上方采用鋼結(jié)構(gòu),同時在中間部位布置一榀鋼桁架,平面位置見圖5。
圖5 五層結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.5 Structural plan layout of the fifth floor
本劇院屋蓋有如下特點:①外形獨特;②屋蓋整體為需種植綠化的觀光屋面,荷載較大;③大跨度,長跨約99 m,短跨約84 m;④長懸挑,最大懸挑長度約38 m;⑤支座標(biāo)高變化大,從地下室頂板至近26 m標(biāo)高。
針對本劇院屋蓋特點,經(jīng)過方案比選確定屋蓋采用跨越能力及空間適應(yīng)性優(yōu)良的輻射形鋼管桁架結(jié)構(gòu),屋蓋主受力構(gòu)件平面投影見圖6。
屋蓋徑向桁架為主要受力構(gòu)件,輻射布置的形式使懸挑及大跨屋蓋的傳力最為直接,且懸挑桁架可以平衡一部分由橢圓區(qū)域內(nèi)部荷載產(chǎn)生的彎矩;同時,跨中環(huán)向桿件連成封閉圓環(huán),拉壓作用時構(gòu)成自平衡體系,與徑向桿件共同工作時,其整體性更好。另外,由于桁架環(huán)向布置,桁架的跨度從最小值(短跨)向最大值(長跨)均勻變化,因而軸力變化均勻,傳力合理。
圖6 屋蓋結(jié)構(gòu)平面投影圖Fig.6 Horizontal projection of roof structure
為了符合建筑形體效果,整個屋蓋結(jié)構(gòu)需傾斜布置,北部較高,南部落地,中間部分均勻過渡。在適應(yīng)建筑外觀要求和內(nèi)部使用功能的前提下,充分利用建筑空間布置桁架高度,保證結(jié)構(gòu)剛度,減小變形和減少用鋼量。屋蓋尾部跨度較大,因此,結(jié)合建筑效果在下沉庭院與半室外邊界處將原有柱作為支點,在屋蓋下部與一層柱頂之間增設(shè)了搖擺柱,見圖7。
圖7 搖擺柱Fig.7 Sway column
外圍幕墻鋼結(jié)構(gòu)與屋蓋豎向可產(chǎn)生相對變形,不傳遞豎向力,避免屋蓋懸挑端部較大豎向荷載傳遞至幕墻。
本項目工程設(shè)計使用年限50年,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[3],建筑抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度值為0.20 g,設(shè)計地震分組為第三組,場地類別為Ⅳ類,特征周期0.90 s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)[4],工程抗震設(shè)防類別為乙類。本項目按要求計算水平地震作用和豎向地震作用,阻尼比取0.03,框架抗震等級取一級,剪力墻抗震等級取特一級。
舞臺區(qū)臺口框架梁(圖8)跨度25 m,因功能需要,一至四層臺口梁內(nèi)側(cè)通高無結(jié)構(gòu),一層及二層臺口梁處表演馬道向觀眾區(qū)懸挑,因此大梁除承受較大的豎向荷載外,還存在較大的扭矩。為提高各層臺口梁的整體承載能力,在各層梁間增加立柱,加大結(jié)構(gòu)冗余度,與臺口梁形成空腹桁架。同時,臺口梁采用型鋼混凝土,箍筋全長加密。
圖8 舞臺臺口大跨度梁Fig.8 Large-span girder of proscenium
舞臺區(qū)鋼桁架(圖5、圖9)采用鋼結(jié)構(gòu),桁架兩端與剪力墻端柱連接,剪力墻端柱采用型鋼混凝土柱,桁架上、下弦桿與之剛接并向內(nèi)延伸,以有效傳遞桁架弦桿內(nèi)力。
圖9 舞臺區(qū)上方桁架立面圖(單位:mm)Fig.9 Truss elevation above the stage(Unit:mm)
因建筑功能需要,外圍柱外側(cè)布置觀賞環(huán)廊,因無法立柱,只能布置懸挑梁向外挑出(圖4、圖5),最大懸挑跨度達6.8 m。設(shè)計中考慮豎向地震作用,將其設(shè)計成鋼骨混凝土梁,并將梁內(nèi)鋼骨向內(nèi)延伸一跨,以保證內(nèi)力有效傳遞。
因劇院外形傾斜,尾部高度受到影響,導(dǎo)致凈高不夠,因此將二層觀眾區(qū)后側(cè)樓板降低2 m而出現(xiàn)錯層。錯層處豎向構(gòu)件在水平力作用下剪力較大,設(shè)計中錯層部位框架梁柱節(jié)點加強配筋,箍筋加密,并在建筑功能允許的情況下采取加腋措施,以保證水平力的有效傳遞,避免錯層處豎向構(gòu)件先于水平構(gòu)件破壞。
屋蓋主體結(jié)構(gòu)采用空間鋼管桁架結(jié)構(gòu),由于屋蓋整體為種植觀光屋面,屋面板采用壓型鋼板混凝土組合樓板,屋面采用次結(jié)構(gòu)梁系搭設(shè),在桁架節(jié)點處設(shè)置支座,屋面荷載通過梁系傳至桁架節(jié)點。本工程鋼屋蓋跨度較大,懸挑也較大,屋蓋及構(gòu)件主要設(shè)計控制指標(biāo)如下:
(1)撓跨比:根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[5],控制要求為屋蓋跨中撓跨比取跨度的1/250,懸挑端部最大撓度取懸挑長度的1/125。本工程跨中最大撓跨比約為1/529,懸挑端最大撓度為懸挑跨度的1/361,滿足規(guī)范要求。
(2)應(yīng)力比:一般構(gòu)件不大于0.9,支座附近及屋蓋跨中重要桿件不大于0.85。
屋蓋結(jié)構(gòu)節(jié)點采用受力性能良好的相貫焊接節(jié)點。除在計算上滿足設(shè)計要求外,節(jié)點設(shè)計嚴(yán)格按照規(guī)范要求,保證主管的外部尺寸大于支管的外部尺寸,主管的壁厚大于支管壁厚,對特別重要的支座節(jié)點采用加外套管及插板等措施以加強節(jié)點承載力。
設(shè)計中采用ANSYS對屋蓋支座節(jié)點進行了有限元分析。鋼管采用SHELL181單元,僅在支座底板施加非滑動方向的位移約束,桿件內(nèi)力選取中震內(nèi)力組合。計算結(jié)果表明,在抗震與非抗震不同荷載工況組合下,節(jié)點區(qū)應(yīng)力均小于構(gòu)件材料屈服應(yīng)力,同時滿足正常使用階段彈性設(shè)計要求及中震不屈服的設(shè)計性能指標(biāo)。圖10顯示了計算結(jié)果中應(yīng)力最大的中震內(nèi)力組合(1.2×恒載+0.6×活荷載 +1.3×水平地震 +0.4×豎向地震)的應(yīng)力情況。在上述荷載作用下,節(jié)點區(qū)局部最大應(yīng)力約為352 MPa,小于390 MPa,滿足中震不屈服的性能指標(biāo)。
圖10 不同荷載工況組合下節(jié)點最大應(yīng)力圖Fig.10 Maximum stress of joint suffered different combinational loads
鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支座主要位于下部混凝土結(jié)構(gòu)外框柱頂,支座主要采用單向滑動抗震支座。因屋蓋傾斜布置,周邊部分支座位于下部混凝土結(jié)構(gòu)屋面以上,支座柱在垂直于支座連線方向(徑向)懸臂。為減小上部屋蓋因豎向荷載、溫度及地震作用對支座柱的徑向推力,在徑向設(shè)置滑動支座,這樣可避免支座柱因懸臂方向推力過大而產(chǎn)生破壞。
滑動支座的設(shè)計考慮了大震作用下的位移,支座的滑移量要求按照罕遇地震作用下支座位移計算結(jié)果,并適當(dāng)放大,保證安全。本工程罕遇地震支座最大位移量約143 mm,因此鋼結(jié)構(gòu)滑動支座選用的水平變形量為±200 mm。在保證承載力及變形要求的同時,在滑動支座位置處采取防墜落、撞擊措施。
觀眾廳及舞臺區(qū)域樓板大開洞,引起平面聯(lián)系薄弱,對地震作用下的水平力傳遞不利,造成洞口附近構(gòu)件應(yīng)力集中。為提高結(jié)構(gòu)整體剛度及開洞周邊的構(gòu)件承載能力,保證地震作用下水平力的有效傳遞,在洞口周邊結(jié)構(gòu)聯(lián)系薄弱部位布置剪力墻,并進行樓板的“中震不屈服”設(shè)計,二層樓板在設(shè)防地震作用下的應(yīng)力分析見圖11,最大應(yīng)力約為2.5 MPa,適當(dāng)配筋可滿足中震不屈服性能目標(biāo)。樓板厚度不小于150 mm,采用雙層雙向配筋,單層單向的配筋率不小于0.25%,對開洞部位下層和上層樓面特別加強。
圖11 設(shè)防地震作用下二層樓板應(yīng)力圖(單位:MPa)Fig.11 Slab stress withstanding the design earthquake(Unit:MPa)
本工程設(shè)置一層地下室,地下室底板板面標(biāo)高主要為 -5.100 m 和 -6.250 m,根據(jù)功能不同,局部有高差。臺倉部分地下四層,底板面標(biāo)高主要為-18.7 m和-20 m。
因上部結(jié)構(gòu)層數(shù)及荷載不均勻,荷載差異較大,基礎(chǔ)設(shè)計考慮了地基承載力、控制差異沉降和地下水浮力等因素,確定采用高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和灌注樁兩種樁型。
主體結(jié)構(gòu)受力較大的墻柱基礎(chǔ)及屋蓋支座下墻柱基礎(chǔ),采用直徑800 mm的灌注樁,單樁抗壓承載力特征值為3 600~4 200 kN。地下室部分區(qū)域為開敞式車庫及下沉庭院,或局部為較大跨度空間,建筑恒載重量小于最不利水浮力,對此進行了抗浮設(shè)計并使用抗壓高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁兼做抗拔樁,樁徑400 mm,樁長為12~30 m,單樁抗壓承載力特征值為1 050 kN,單樁抗拔承載力特征值為200 kN。舞臺臺倉部分較深,樁頂標(biāo)高約-20 m,水浮力較大,采用直徑600 mm的灌注樁抗浮,樁長約為26 m,單樁抗拔承載力特征值為1 100 kN,滿堂布置。為避免施工中管樁與灌注樁相互影響,根據(jù)現(xiàn)場情況選擇下列兩種方法:①先施工管樁,必要時采取引孔措施減小擠土影響,在管樁施工影響范圍內(nèi)的灌注樁后施工;②先施工在管樁施工影響范圍內(nèi)的灌注樁,待灌注樁達到設(shè)計強度后再施工灌注樁臨近的周圍管樁。
本場地在20 m范圍內(nèi)需考慮飽和粉土、砂土的液化問題,按中等液化考慮??挂夯胧┲饕獮椴捎脴痘A(chǔ),穿越液化層,持力層位于液化土層以下,樁基抗震承載力及樁基構(gòu)造考慮液化的影響。
本項目幕墻(圖12)造型獨特,根據(jù)幕墻形體及可提供的支撐條件,考慮大跨度幕墻結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計[6],對鋼結(jié)構(gòu)幕墻的支承結(jié)構(gòu)體系進行了選型和優(yōu)化。
圖12 鋼結(jié)構(gòu)幕墻Fig.12 Steel curtain wall
通過比較實腹式人字柱、雙層網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)體系方案,并根據(jù)建筑效果要求,選取實腹式人字柱作為主要豎向受力結(jié)構(gòu),水平方管與人字柱剛接,形成空間受力體系。各人字柱柱腿交于不同標(biāo)高,連結(jié)各交點可形成一條光滑曲線。幕墻底部人字鋼柱與地面固接,上部由劇院主體鋼屋蓋提供約束,限制水平方向位移,而豎直方向仍可與鋼屋蓋相對自由滑動。
由于幕墻平外剛度較小,且還要承受風(fēng)荷載等外部荷載,因此豎向鋼柱選擇矩形截面,保證幕墻平面外剛度。幕墻結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載影響較大,風(fēng)荷載取值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[7]并參考同類幕墻結(jié)構(gòu),同時考慮各個風(fēng)向角作用,風(fēng)振系數(shù)及體型系數(shù)根據(jù)規(guī)范不利情況取值,保證結(jié)構(gòu)安全。
圖13 考慮幾何、材料非線性分析的荷載位移曲線Fig.13 Load-displacement curve considering geometrical nonlinearity and material nonlinearity
幕墻支承結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo):風(fēng)荷載和地震作用下最大容許變形值取計算跨度的1/400。本工程幕墻在上述荷載作用下的最大變形約為計算跨度的1/515,滿足規(guī)范要求。
因幕墻支承結(jié)構(gòu)中部向外鼓出,受水平風(fēng)荷載作用時類似于單層殼體,采用ANSYS對幕墻支承結(jié)構(gòu)進行了彈塑性極限承載力分析,分析結(jié)果(圖13)表明,考慮幾何非線性及材料非線性的網(wǎng)殼極限承載力與網(wǎng)殼穩(wěn)定容許承載力的比值約為4.34,大于規(guī)范規(guī)定的2.0,滿足設(shè)計要求。
(1)本劇院為內(nèi)部空曠、帶鋼屋蓋結(jié)構(gòu),對于此類結(jié)構(gòu),抗側(cè)力體系可采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。
(2)大開洞造成的結(jié)構(gòu)聯(lián)系薄弱,通過合理的結(jié)構(gòu)布置使結(jié)構(gòu)剛度分布均勻、加大樓板厚度等措施提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。
(3)對于支座為環(huán)形的大跨度屋蓋,可采用環(huán)向約束,徑向滑動的抗震支座,避免徑向懸臂的支座柱承擔(dān)過大的外推力。
(4)對于與大懸挑屋蓋懸挑端連接的幕墻鋼結(jié)構(gòu),為避免幕墻鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)過大的屋蓋豎向荷載,而導(dǎo)致幕墻鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)笨重,幕墻鋼結(jié)構(gòu)與屋蓋連接節(jié)點可采用豎向滑動、水平約束的方式。
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