前灘信德文化中心大劇院結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

孫 璐

（宜家（中國）投資有限公司，上海 200235）

0 引言

本文介紹了前灘信德文化中心大劇院的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。與普通建筑物相比大劇院建筑平面布置復(fù)雜、內(nèi)部空曠 、局部樓板大開洞，屬于特別不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)以上難點(diǎn)對(duì)大劇院的結(jié)構(gòu)體系選定進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)部位的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)給予介紹，并根據(jù)上海市地方規(guī)定的要求對(duì)建筑單體預(yù)制率計(jì)算進(jìn)行闡述，可為其他類似項(xiàng)目作為參考。

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目文化中心位于上海浦東新區(qū)前灘地區(qū)。地塊項(xiàng)目為商業(yè)綜合體，包含辦公樓、酒店、商業(yè)及大劇院。大劇院建筑面積約 18 900 m2，擁有觀眾席約 2 500 座，地上建筑 6 層，地下建筑 3 層，包含大禮堂、展覽廳、多功能演藝廳等多種使用功能。

地面總高約 43 m，屋蓋結(jié)構(gòu)跨度約 40 m，采用大跨鋼桁架組成的大型鋼屋蓋體系，建筑效果圖如圖 1 所示；工程平面選型復(fù)雜、內(nèi)部空曠、局部樓板大開洞、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及其他不規(guī)則，屬于特別不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)。為了貫徹《上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì)關(guān)于本市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則（試行）的通知》（滬建建材〔2016〕601 號(hào)）文，劇院主體采用鋼框架-剪力墻加鋼斜撐的混合結(jié)構(gòu)，這種體系既滿足不同建筑功能的要求，也提供相當(dāng)大的抗側(cè)剛度，同時(shí)滿足預(yù)制率的要求。

圖1 劇院建筑效果圖

大劇院設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 50 年，設(shè)計(jì)使用年限 50 年，建筑安全等級(jí)為二級(jí)。根據(jù) GB 50223－2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》［1］，第 6.0.3 條條文說明，該劇院座位約 2 500 座，＞1 200 座，屬于大型劇院，抗震設(shè)防類別判斷為乙類建筑。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值 0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別 Ⅳ 類。

2 結(jié)構(gòu)體系

為了貫徹《上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì)關(guān)于本市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則（試行）的通知》（滬建建材〔2016〕601 號(hào)）文對(duì)建筑預(yù)制率不低于 40 % 的要求，大劇院在方案選型階段考慮了純鋼框架、鋼框架-混凝土剪力墻以及鋼框架-混凝土剪力墻-鋼支撐的不同方案試算。PC 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)也是目前常見的預(yù)制結(jié)構(gòu)形式，但由于大劇院建筑布置復(fù)雜，層層均不一致，采用混凝土預(yù)制件無法統(tǒng)一模數(shù)，對(duì)項(xiàng)目造價(jià)及工期有較大影響，故不考慮此方案。由于建筑布置復(fù)雜，采用鋼框架結(jié)構(gòu)能靈活放置，但局部框架無法直上直下需做轉(zhuǎn)換，舞臺(tái)及觀眾廳的大開洞又使得結(jié)構(gòu)水平向較為薄弱，鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力較弱，無法滿足結(jié)構(gòu)變形需求。同時(shí)由于建筑聲學(xué)功能與造型需要，觀眾廳及舞臺(tái)周邊需設(shè)置混凝土實(shí)心墻作為隔音措施［2］，在這個(gè)條件下可利用這些混凝土墻體作為結(jié)構(gòu)剪力墻承擔(dān)側(cè)向力，地震作用和風(fēng)荷載通過樓面和周邊框架梁傳遞至框架柱和剪力墻，由框架與剪力墻組成的整體抗側(cè)體系共同承擔(dān)。由于前廳建筑造型影響，前廳區(qū)域的 Y 向剪力墻停于 L2 夾層就無法再向上層延伸，因此為了增強(qiáng)高區(qū)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，在前廳部分 Y 向建筑隔墻內(nèi)設(shè)置了轉(zhuǎn)換斜撐，以此減小結(jié)構(gòu)變形。最終劇院主體采用鋼框架-混凝土剪力墻-鋼支撐的混合結(jié)構(gòu)，這種體系在滿足不同的建筑功能需求的前提下，還能提供相當(dāng)大的抗側(cè)剛度。

該劇院觀眾廳及舞臺(tái)周邊剪力墻內(nèi)側(cè)因樓座區(qū)域大開洞形成樓板不連續(xù)，在全樓分析時(shí)樓座結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)豎向荷載作用，剪力墻外側(cè)樓板連續(xù)，可提供樓板約束，全層樓板采用鋼筋桁架樓承板。屋蓋結(jié)構(gòu)采用大跨鋼桁架支撐。地下室頂板作為嵌固層設(shè)計(jì)，其因升降樂池及升降座椅影響，有約 30 m×33 m 范圍的局部 1.5 m 深降板；在降板高差處采用梁加腋形式傳遞水平力，使地下室頂板基本保持連續(xù)。地下室頂板以上樓層存在錯(cuò)層，首層結(jié)構(gòu)高度按照真實(shí)建筑標(biāo)高（前廳范圍 3.9 m，后勤區(qū)域 6.5 m）來計(jì)算樓層等效剪切剛度。經(jīng)復(fù)核最不利方向，B1 層等效剪切剛度約 2.23×108kN/m，L1 層等效剪切剛度約 1.06×108kN/m，嵌固比約 0.49 滿足首層嵌固要求。同時(shí)根據(jù)嵌固層樓板地震應(yīng)力分析結(jié)果，加強(qiáng)首層降板區(qū)域周邊配筋，確保嵌固層樓板在多遇地震下不開裂，設(shè)防地震下鋼筋不屈服。大劇院主體結(jié)構(gòu)模型如圖 2 所示，典型樓層平面的結(jié)構(gòu)布置如圖 3 所示，剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示，主要構(gòu)件尺寸和材料如表 1 所示。

圖2 劇院主要結(jié)構(gòu)受力體系示意圖

圖3 劇院典型樓層平面布置示意圖

圖4 劇院剖面結(jié)構(gòu)示意圖

表1 劇院嵌固層以上主要構(gòu)件截面尺寸和材料等級(jí)

3 建筑單體預(yù)制率計(jì)算

按照上海市地方規(guī)定，本項(xiàng)目應(yīng)滿足建筑單體預(yù)制率不應(yīng)低于 40 % 或單體裝配率不低于 60 % 的要求。建筑單體預(yù)制率是指混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型的裝配式建筑在 ±0.000 以上主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件部分的材料用量占對(duì)應(yīng)構(gòu)件材料總用量的比率；單體裝配率是指裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件、建筑部品的數(shù)量（或面積）占同類構(gòu)件或部品總數(shù)量（或面積）的比率［3］。建筑單體預(yù)制率=Σ（構(gòu)件權(quán)重×修正系數(shù)×預(yù)制構(gòu)件比例）×100 %。大劇院的預(yù)制構(gòu)件包括以下類型：預(yù)制方鋼管柱、預(yù)制鋼梁、鋼筋桁架樓承板、預(yù)制鋼樓梯，詳細(xì)計(jì)算詳如表 2 所示。

通過計(jì)算，鋼框架-混凝土剪力墻-鋼支撐的結(jié)構(gòu)形式可滿足單體預(yù)制率不低于 40 % 的要求。

4 超限類別、抗震性能目標(biāo)及整體指標(biāo)

4.1 超限類別

本工程屬于體系復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，由于建筑內(nèi)部功能的要求，多處樓板不連續(xù)，存在大面積開洞和較大錯(cuò)層，平面和豎向均有不規(guī)則。其中一般不規(guī)則項(xiàng)：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，局部樓層最大位移比 1.47；樓板不連續(xù)，局部樓層大開洞，開洞面積大于本層面積 50 %；構(gòu)件間斷，支撐不連續(xù)；其他不規(guī)則，存在夾層、錯(cuò)層，個(gè)別構(gòu)件轉(zhuǎn)換。

4.2 抗震性能目標(biāo)

該劇院平面不規(guī)整，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，經(jīng)專家評(píng)審，選用 C 級(jí)性能目標(biāo)。各構(gòu)件抗震性能目標(biāo)如表 3 所示。

4.3 整體指標(biāo)

該劇院采用 YJK 為主要計(jì)算分析軟件，同時(shí)在總體設(shè)計(jì)階段采用 ETABS 軟件，建立獨(dú)立的模型來檢驗(yàn)分析結(jié)果?？紤]大劇院在 L1～L6 層均設(shè)有樓板大開洞，因此在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中樓板采用彈性膜單元進(jìn)行分析，錯(cuò)層處樓板采用剛性板單元分析。結(jié)構(gòu)底層框架傾覆力矩＞10 %，＜20 %，按框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。劇院主體結(jié)構(gòu)部分整體指標(biāo)如表 4 所示。結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期（T3）與第一平動(dòng)周期（T1）之比為 0.77，地震荷載組合工況為控制工況。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)

5.1 轉(zhuǎn)換斜撐設(shè)計(jì)

由于建筑布置影響，前廳部分 Y 向剪力墻停在 L2 夾層標(biāo)高，導(dǎo)致高區(qū) Y 向結(jié)構(gòu)剛度削弱，且剛度分布不均。為控制高區(qū) Y 向扭轉(zhuǎn)及變形，經(jīng)過方案研究且在不影響建筑布局的前提下，從 L2m 標(biāo)高至屋頂，在前廳部分建筑隔墻內(nèi)增設(shè) Y 向轉(zhuǎn)換斜撐。斜撐位置示意圖如圖 5 所示。通過比較設(shè)斜撐方案及不設(shè)斜撐方案下的 Y 向地震樓層位移角（見圖 6）可見，不設(shè)斜撐方案高區(qū)結(jié)構(gòu)變形過大，位移角已超出規(guī)范限值，加設(shè)斜撐可有效減小高區(qū)結(jié)構(gòu)位移。分析顯示，斜撐底部 Y 向地震剪力約 900 kN，僅為同向基底剪力的 4.5 %?？梢?，大部分地震剪力仍由剪力墻及框架柱承擔(dān)，確保了結(jié)構(gòu)多道防線的安全。

表2 大劇院?jiǎn)误w預(yù)制率

表4 結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)

斜撐由于建筑效果影響無法落地，需通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將荷載傳遞至基礎(chǔ)。斜撐與柱相連處鉸接，地震力通過斜撐傳遞至斜撐轉(zhuǎn)換梁柱上，并通過水平傳力支撐將水平力傳遞至剪力墻上，從而將力傳遞至基礎(chǔ)，傳力示意如圖 7 所示。斜撐轉(zhuǎn)換梁柱及水平傳力支撐按照小震彈性、中震不屈服的性能目標(biāo)設(shè)計(jì)，且不考慮樓板剛度作用。

5.2 觀眾席長懸挑看臺(tái)設(shè)計(jì)

圖5 轉(zhuǎn)換斜撐位置示意

圖6 設(shè)斜撐與不設(shè)斜撐對(duì) Y 向地震作用下樓層位移角的對(duì)比

該劇院共有 4 層看臺(tái)，看臺(tái)結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，其中位于 L3～L4 之間的第 3 層看臺(tái)懸挑長度最大，約為 10 m，如圖 8 所示。在建模分析時(shí)，按照真實(shí)斜度建模，并不考慮樓板的剛度貢獻(xiàn)。長懸挑鋼梁及其相連的型鋼柱作為重要關(guān)鍵構(gòu)件，其抗震等級(jí)提高一級(jí)，性能目標(biāo)定為中震彈性、大震不屈服。其中 L4 看臺(tái)最長懸挑梁跨約 10 m，根部截面尺寸為 1 400 mm×300 mm×40 mm×40 mm，端部減腋至 500 mm 高。由于懸挑跨度較大，為控制結(jié)構(gòu)撓度及舒適度，在與柱相連的懸挑梁下方設(shè)置了一道支撐，并通過后胯梁將力傳遞，避免支撐懸挑柱剪力突變。

圖7 斜撐傳力示意圖（單位：mm）

圖8 懸挑看臺(tái)模型示意圖

對(duì) L4 層懸挑看臺(tái)進(jìn)行樓板舒適度分析。分析時(shí)采用結(jié)構(gòu)阻尼比 2 %，行人質(zhì)量 70 kg，樓板單元?jiǎng)澐譃樗墓?jié)點(diǎn)單元，局部為三節(jié)點(diǎn)單元，板厚 160 mm，考慮到動(dòng)力影響，殼單元的彈性模量增大為 38 GPa［4］。經(jīng)過模態(tài)分析結(jié)果，L4 看臺(tái)懸挑結(jié)構(gòu)第一模態(tài) 8.264 Hz＞3 Hz，可保證結(jié)構(gòu)具有適宜的舒適度，避免行人行走時(shí)周邊人群的不舒適感。由于 JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中并未明確看臺(tái)結(jié)構(gòu)的樓蓋豎向振動(dòng)加速度，考慮到本項(xiàng)目懸挑看臺(tái)對(duì)振動(dòng)較為敏感，選用比商場(chǎng)更為嚴(yán)格的辦公水準(zhǔn) a≤0.05 m/s2，來進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。分析結(jié)果顯示，本層懸挑看臺(tái)端部最大加速度約 0.037 m/s2，小于辦公限值，如圖 9 所示。

圖9 L4 層懸挑看臺(tái)加速度云圖

L4 看臺(tái)長懸挑梁在中震下最大應(yīng)力比約 0.29，由豎向地震荷載工況控制，滿足中震彈性要求。根據(jù) GB 50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》懸挑梁撓度限值為 l0/400（恒載+活載）和 l0/500（活載），l0為兩倍懸挑跨度，并考慮樓板剛度貢獻(xiàn)。恒載下最大撓度 20 mm，活載下約 10 mm，滿足撓度限值?？梢姂姨艚Y(jié)構(gòu)由舒適度及剛度控制，并有可靠的安全冗余度。

6 結(jié)論

經(jīng)過分析及校核可判斷本項(xiàng)目大劇院采用鋼框架-混凝土剪力墻-斜撐結(jié)構(gòu)體系是合理的。根據(jù)結(jié)構(gòu)底層框架傾覆力矩判斷，該劇院按框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，斜撐僅為控制結(jié)構(gòu)變形所設(shè)。地震作用為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要控制因素，由于體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，相應(yīng)增強(qiáng)外圈框架抵抗結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。線彈性分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，能夠滿足各種工況下計(jì)算要求。大劇院中庭洞口周邊樓板適當(dāng)加強(qiáng)鋼筋，以提高結(jié)構(gòu)整體性。對(duì)懸挑看臺(tái)，考慮了強(qiáng)度、剛度、舒適度的全面分析，確保在其正常使用狀態(tài)的舒適性和承載力極限狀態(tài)的安全性。