某劇院結(jié)構(gòu)抗震性能分析與關(guān)鍵問題研究

徐 穎，翁君耀

1 工程概況

本工程位于延安市寶塔區(qū)棗園鎮(zhèn)棗園村村南，北起棗園路，南至沿河公路，東臨中國延安干部學(xué)院，西至棗園路和沿河公路的交匯處。主要由北側(cè)商業(yè)街、南側(cè)西翼商業(yè)、南側(cè)東翼影院和南側(cè)劇院四個部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，四個單體之間單獨設(shè)縫。效果圖見圖1。建筑面積約4．7萬m2，本文主要介紹南側(cè)居中劇院部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

劇院部分地上4層，地下一層（一側(cè)為下沉廣場，并非完全地下室），結(jié)構(gòu)高度23．80 m，大廳高度28．50 m，劇院主體部分劃分為大廳、觀眾廳、舞臺、藝術(shù)學(xué)校（舞臺下側(cè)）4個區(qū)域，前臺大廳為單層通高且高于其它部分，大廳部分所占整體面積不足20%，其余主體部分不超過24 m，結(jié)構(gòu)按多層建筑進行設(shè)計。

圖1 整體建筑效果圖

工程設(shè)計使用年限為50 a，安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為 6 度［1］，基本地震加速度為 0．05 g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期為0．35 s，考慮到劇院部分人流密集、且與兩側(cè)單體彼此連通，建筑設(shè)防類別定義為重點設(shè)防類，抗震等級按二級考慮?；炷辆鶠镃35，型鋼材料取Q345B級鋼材，基本風(fēng)壓取 0．35 kN／m2。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

結(jié)構(gòu)類型采用框架結(jié)構(gòu)，下部主要柱網(wǎng)尺寸為8．4 m×7．8 m，次梁采用井字梁，舞臺屋頂單向型鋼混凝土梁，觀眾廳和前廳采用井字型鋼梁的布置形式。圖中未注明的柱子截面主要為600 mm×600 mm的混凝土柱、支承大屋面為800 mm×1 000 mm和1 200 mm×1 200 mm的型鋼混凝土；框架梁截面主要為350 mm×700 mm、400 mm×800 mm混凝土梁及500 mm×1 200 mm的型鋼混凝土梁。馬道為懸挑工字鋼梁上鋪鋼格柵板，觀眾廳上空為雙層球形網(wǎng)架通過豎向鋼拉桿來懸掛觀眾廳馬道和面光橋等，舞臺兩側(cè)燈光吊籠采用鉸接在型鋼柱上的鋼桁架。結(jié)構(gòu)典型平面布置如圖2、圖3、圖4所示。支承大跨度屋蓋和燈光吊籠的梁為型鋼混凝土梁，支承通高的屋蓋大廳柱子和舞臺臺口、觀眾廳四周、舞臺四周支撐屋頂大跨度屋蓋的的豎向構(gòu)件采用型鋼混凝土柱［2－3］。

圖2 一層結(jié)構(gòu)布置圖

3 基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)采用獨基（局部條基）＋防水板方案，實際地下水位高于地面下沉廣場3 m左右，基礎(chǔ)設(shè)計時對基礎(chǔ)頂面至建筑地面留有約600mm厚的配重空間，考慮到施工工期，施工中的降水周期不能過長，且采取配重方式不足以抵消水浮力，且防水板的配筋和厚度將會增加。根據(jù)地質(zhì)報告提供的參數(shù)，地下巖層距基礎(chǔ)底面中風(fēng)化基巖約為2．0 m～5．0 m左右，工程采用抗浮錨桿進行抗浮設(shè)計。設(shè)計采用全長粘結(jié)型抗浮錨桿，孔徑 D取150 mm，錨入中風(fēng)化層深度為 2．0 m，鋼筋采用 HRB400。按照 Rt＝ξ1πDlafrb＝0．8× 3．14 × 0．15 × 2．0 × 260 ＝ 195．936 kN抗拔錨桿桿體的橫截面 A≥Ntd／（ξ2fy）＝ 1．35 Rt／ξ2fy＝1．35×200×103／（0．69×360）＝1 087 mm2。錨桿鋼筋與砂漿之間的錨固長度驗算，ta≥Ntd／（ξ3nsπDfb）＝1．35Rt／（ξ3nsπDfb）＝1．35×200×103／（0．60× 3× 3．14 × 22 × 0．7 × 2．4）＝ 1 292 mm，實際用3根22等效直徑為38．1 mm，錨入巖層的長度應(yīng)大于40×38．1＝1 524 mm。實際單根錨桿抗拔承載力特征值取值不小于200 kN。現(xiàn)場試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

圖3 一層夾層結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 二層結(jié)構(gòu)布置圖

4 結(jié)構(gòu)分析

主體結(jié)構(gòu)具有錯層、大開洞、穿層柱、懸掛舞臺設(shè)備、大跨度屋面、結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布不均勻，整體性較差、扭轉(zhuǎn)成分大，薄弱部位多等許多不利因素。劇院北側(cè)由于單層地下局部下沉廣場的存在，在結(jié)構(gòu)計算中嵌固部位不明確。整體計算時對嵌固位置選取基礎(chǔ)頂和一層分別計算配筋取其包絡(luò)。

考慮到結(jié)構(gòu)體型的不規(guī)則性，計算模型不能準(zhǔn)確模擬真實受力情況，采用YJK和MIDAS兩種軟件進行對比分析，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)和雙向地震效應(yīng)、綜合偶然偏心的影響，用剛性樓板假定來控制大指標(biāo)，控制結(jié)構(gòu)層間位移比限制在1．4以下；用符合樓板平面內(nèi)實際剛度的彈性樓板模型來計算實際配筋和應(yīng)力。保證結(jié)構(gòu)薄弱構(gòu)件不發(fā)生局部振動，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對薄弱構(gòu)件加大截面和配筋。阻尼比按照材料來區(qū)分，混凝土取0．05，鋼結(jié)構(gòu)取0．02進行動力分析。取兩種軟件前12階自振周期計算結(jié)果見表 1、表 2。

表1 結(jié)構(gòu)的YJK自振周期

表2 結(jié)構(gòu)的MIDAS自振周期

通過自振特性可以看出：YJK和MIDAS兩種軟件計算結(jié)果吻合度較好，第1、2、4、5周期具有明顯的平動，第3周期為扭轉(zhuǎn)并帶有一定成分的平動，第6周期扭轉(zhuǎn)中帶有較大成分的扭轉(zhuǎn)，陣型伴隨較明顯的扭轉(zhuǎn)振動［4］。YJK計算出的 X、Y向平動振型參與質(zhì)量系數(shù)分別為：99．87%、92．07%，MIDAS計算出的 X、Y向平動振型參與質(zhì)量系數(shù)分別為：94．01%、93．39%。

5 抗震分析

基于性能的抗震設(shè)計方法，選取合理的性能目標(biāo)進行設(shè)計，將結(jié)構(gòu)的整體性能目標(biāo)定義為B，對于第一設(shè)防水準(zhǔn)（小震）下，保證所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)；對于第二設(shè)防水準(zhǔn)（中震）下，對部分較為關(guān)鍵的構(gòu)件，其破壞會引起結(jié)構(gòu)局部坍塌，且其部分受力復(fù)雜，如觀眾廳支承大跨度屋蓋的柱、舞臺口的臺口柱、穿層柱和臺口支承桁架等，把這些構(gòu)件作為關(guān)鍵構(gòu)件，按照中震彈性進行設(shè)計［5］。

5．1 小震整體結(jié)構(gòu)彈性分析

在小震計算中，通過YJK、MIDAS／Gen兩種軟件進行對比分析，強制剛性樓板假定下，小震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角、剪重比、受剪承載力等均能滿足規(guī)范要求，在全樓彈性樓板假定下，梁柱構(gòu)件未出現(xiàn)超筋情況，計算結(jié)果見表3。整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

表3 小震下結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)

5．2 中震關(guān)鍵構(gòu)件彈性分析

對局部豎向關(guān)鍵構(gòu)件用YJK軟件驗算以中震彈性性能目標(biāo)設(shè)計的構(gòu)件，用彈性板進行分析，抗震承載力調(diào)整系數(shù)按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［1］（GB 50011—2010）規(guī)定采用，放大地震力，地震影響系數(shù)按小震的2．857倍取值，剛度仍取小震時的彈性剛度，以中震彈性定義抗震性能目標(biāo)設(shè)計的構(gòu)件，抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1．0，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)不變，構(gòu)件承載力取設(shè)計組合，進行計算配筋，抗震等級取4級，保證關(guān)鍵構(gòu)件中震彈性。關(guān)鍵構(gòu)件的計算結(jié)果與小震彈性分析結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計。

6 關(guān)鍵問題處理

6．1 超長結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)整體超長，中間存在大開洞且不連續(xù)，錯層部位樓板缺失，構(gòu)造上除屋面外各個樓層采取厚度為150 mm的樓板，雙層雙向0．25%來進行配筋，正負(fù)零高度樓板厚度為200 mm，增大框架梁和次梁腰筋；在平面大開洞后形成的薄弱位置加設(shè)后澆帶，減小應(yīng)力集中。施工中加強養(yǎng)護，材料上采用中、低水化熱水泥，盡可能減少水泥用量，加強水泥終凝后的養(yǎng)護。設(shè)計上考慮溫度應(yīng)力的影響，通過彈性樓板分析內(nèi)力，分區(qū)域?qū)前暹M行配筋，大開洞的位置周圍對結(jié)構(gòu)的水平剪力傳遞產(chǎn)生應(yīng)力集中，洞口周圍樓板鋼筋局部再另行加大。

6．2 錯層結(jié)構(gòu)樓面設(shè)計

樓層錯層的樓板間高差較小的位置，前廳與后臺由于功能分區(qū)造成的錯層位置通過斜板、斜梁及樓梯折板等措施，把整個樓板連成整體，使剪力能夠連續(xù)傳遞，消除短柱帶來的剪力集中。對于夾層部分和樓層局部增設(shè)功能房間的形成的短柱，將錯層位置的抗剪箍筋加大一級來增強抗剪承載力和設(shè)型鋼等措施進行加強處理。

6．3 臺口大梁、立柱設(shè)計

劇院臺口大梁既要承受舞臺工藝的各種設(shè)備，又要承受馬道、葡萄架、大屋面，舞臺上空燈具、懸掛層所傳遞的荷載，采用了型鋼混凝土鋼桁架梁，與連接的柱子采用了型鋼混凝土，型鋼梁柱翼緣均設(shè)置抗剪栓釘，增加型鋼構(gòu)件的整體性，盡可能保證臺口梁具有足夠的安全度。臺口柱支撐屋面荷載和臺口梁傳遞過來的豎向荷載，豎向通高，在 Y向連接薄弱，通過耳光室斜向梁、柱構(gòu)件增加 Y向約束，保證臺口柱子具有較高的冗余度。臺口上部距離屋頂距離較大，上部均為單片后期填充墻，臺口大梁與屋頂大梁之間，在周邊樓層高度位置加設(shè)連系梁，連系梁縱筋錨入臺口柱，豎向后砌筑墻3 m間距加密構(gòu)造柱，后墻墻體之間加設(shè)鋼絲網(wǎng)，加強這個后砌墻體與周邊構(gòu)件的連接。

6．4 鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題

舞臺上空存在大量的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過屋面型鋼混凝土大梁埋件下掛豎向鋼拉桿［6］，實現(xiàn)舞臺燈光吊桿的自由升降，舞臺上空格柵層與周圍混凝土采取鉸接水平連接，保證鋼平臺的穩(wěn)定性和水平剪力的傳遞。

舞臺側(cè)翼存在30 kN／m的吊籠荷載，吊籠分布在長度20 m的舞臺范圍內(nèi)，設(shè)計中采用鋼桁架支撐在舞臺前、后柱子上，由于鋼桁架上放通過格柵層側(cè)翼的型鋼梁下部做限位裝置保證桁架上弦側(cè)向穩(wěn)定，桁架下弦通過馬道側(cè)面后做鋼結(jié)構(gòu)平臺與主體混凝土結(jié)構(gòu)。具體如圖5所示。鋼桁架與主體構(gòu)件鉸接連接，減少主體混凝土結(jié)構(gòu)對純鋼桁架的傳遞水平力，鋼桁架具體布置如圖6所示。

觀眾廳網(wǎng)架支座坐落于觀眾廳周圍的型鋼柱上設(shè)計的牛腿上，網(wǎng)架下馬道平臺較多，懸吊各種設(shè)備，馬道下側(cè)還存在2道面光橋、及平時的檢修荷載和供演員表演等移動荷載，荷載大且具有不可確定性，設(shè)計時通過網(wǎng)架下弦節(jié)點的下拉吊桿進行轉(zhuǎn)換連接馬道和面光橋，具體位置。典型節(jié)點見圖7。

圖5 舞臺吊籠桁架與周邊構(gòu)件連接方式

圖6 舞臺兩側(cè)燈光吊籠鋼桁架

圖7 觀眾廳上空轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)典型節(jié)點

6．5 大廳型鋼柱設(shè)計

舞臺和觀眾廳與前廳部分剛度差異明顯，整個大廳位置通高，型鋼柱在 Y向薄弱，僅在柱中位置與外側(cè)矩形造型通高鋼柱進行構(gòu)造性連接，X向在層高位置通過水平連系弧梁連接，單排柱上部屋頂梁外面懸挑，減小屋頂梁對結(jié)構(gòu)彎矩的影響。大廳部分通高柱與周圍無連接，頂部承受大跨度的混凝土樓板和樓頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)桁架大屋面造型；由于通高柱所承擔(dān)的屋蓋面積較大在水平位移作用下引起的P－Δ效應(yīng)相對會比較明顯，可使結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加。通長設(shè)置型鋼混凝土柱，控制型鋼柱長細(xì)比在80以內(nèi)，與大屋蓋屋頂型鋼梁剛性連接，控制結(jié)構(gòu)在風(fēng)或地震作用下引起的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

7 結(jié) 論

（1）對地下水浮力大于建筑物自重和大面積上部無建筑物的廣場區(qū)域，采取抗浮錨桿能夠減少防水板的厚度和配筋。

（2）通過兩種力學(xué)模型的軟件對結(jié)構(gòu)進行對比分析，能夠?qū)?fù)雜體系的建筑物合理性進行客觀評價。

（3）采取小震彈性分析和關(guān)鍵構(gòu)件性能化設(shè)計、嵌固端在基礎(chǔ)頂和一層的各種情況包絡(luò)設(shè)計，能夠以最低代價解決復(fù)雜問題。

（4）利用現(xiàn)有條件通過超長、弱連接部分加大板厚和配筋率，彈性樓板按實際分析，利用錯層較小的樓層可通過斜板樓梯來傳遞水平剪力對結(jié)構(gòu)構(gòu)造加強是必要的。

（5）設(shè)計中應(yīng)注重提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和加強關(guān)鍵部位構(gòu)件的延性，對關(guān)鍵節(jié)點的研究應(yīng)受力明確且方便施工。

［1］ 建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］ 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 138—2001［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［3］ 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程：YB 9082—2006［S］．北京：冶金工業(yè)出版社，2006．

［4］ Anil K C．結(jié)構(gòu)動力學(xué)—理論及其在地震工程中的應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

［5］ 周 斌，王啟文，楊旺華，等．甘肅張掖大劇院抗震性能設(shè)計［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2015，45（15）：36-40．

［6］ 韓 巍，齊 欣，張學(xué)利，等．濟南省會文化藝術(shù)中心（大劇院）結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（17）：48-53．