某劇場大跨度屋蓋設(shè)計(jì)研究

周華杰，周錢剛

廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528000

1 工程概況

某劇場地上3層，地下2層，建筑主體主要為混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑層高分別為（1～3層）6.5m、6.9m、7.3m，地下室層高為5.8m。建筑總體高度約22m，其中第3層裝有輕型鋼結(jié)構(gòu)，作為頂層外包裝造型，頂部有3座小型尖塔，塔頂最高35.5m。

2 大跨度屋蓋設(shè)計(jì)方案比選

該劇院的屋面平面布置圖見圖1。所研究的對象為35.4m×30.6m大跨度屋蓋，均超過18m，而且建筑主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬于規(guī)范規(guī)定的大跨度結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 劇院屋面平面布置圖

因?yàn)樵摻ㄖ锷嫌?座輕型尖塔，所以對屋蓋的方案進(jìn)行對比選型，預(yù)設(shè)方案如下。方案一采用雙向平面鋼梁，次梁單向布置，鋼梁與框架柱鉸接。屋蓋采用鋼筋混凝土樓承板。方案二采用雙向鋼桁架，次梁單向布置，屋蓋采用鋼筋混凝土承板，鋼桁架與混凝土柱鉸接。2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比表

該工程頂部的3座輕型尖塔，內(nèi)部均采用輕鋼龍骨吊頂，具有較重的荷載。由于劇場舞臺(tái)需要，在屋蓋下方需布設(shè)舞臺(tái)設(shè)備，應(yīng)該對劇場屋蓋結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行系統(tǒng)分析。在劇場屋蓋的選型上，充分借鑒實(shí)驗(yàn)法的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。逆吊實(shí)驗(yàn)法指采取零彎矩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)體的受力簡單。相比于方案一，方案二的平面桁架盡管不能達(dá)到最小彎矩的標(biāo)準(zhǔn)，但是其傳力途徑非常清晰，并且材料消耗較少，因此選用方案二的設(shè)計(jì)理念作為該劇場的大跨度屋蓋設(shè)計(jì)方案。

3 某劇場大跨度屋蓋設(shè)計(jì)

3.1 屋蓋大跨度鋼結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述分析，屋蓋設(shè)計(jì)采用方案二即雙向平面桁架鋼結(jié)構(gòu)。鋼桁架結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度大，能夠承受較大的豎向荷載，但其面外剛度和穩(wěn)定性相對較低，因此在鋼桁架下弦布置部分次梁柱，以提高桁架平面外的穩(wěn)定性，同時(shí)為舞臺(tái)的燈光設(shè)備的安裝做準(zhǔn)備（見圖2）。

圖2 雙向平面桁架上弦布置圖（單位：mm）

鋼桁架截面尺寸如下：上弦截面尺寸HM440mm×300mm×12mm×16mm，下弦截面尺寸HM350mm×250mm×10mm×16mm，斜腹桿HM300mm×200mm×8mm×12mm，均為Q345B級鋼。

3.2 豎向荷載取值

工程荷載選取及計(jì)算分析均依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。該工程需考慮在屋蓋下裝備多種舞臺(tái)音響及燈光設(shè)備荷載、屋面的裝飾荷載、屋頂上的3座輕鋼尖塔荷載及施工荷載，劇場屋蓋荷載標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

表2 劇場屋蓋荷載標(biāo)準(zhǔn)值 單位：kN/m2

3.3 其他荷載

該劇場建筑設(shè)計(jì)的工程抗震烈度為8度，場地類別為二類，特征周期值為0.55s，阻尼比取值為0.04（混凝土體）、0.03（輕型鋼）。由于劇場屋蓋上裝飾有大小不一致的3座尖塔，質(zhì)量分布的不均勻會(huì)在地震的橫波作用下將自身的受力依次傳到在桁架—混凝土框架柱—支座鉸接點(diǎn)，受力均勻且傳導(dǎo)途徑較為簡單[3]。此外，該劇場的設(shè)計(jì)整體跨度較大，而且沒有設(shè)縫。建筑結(jié)構(gòu)材料主要為鋼筋與混凝土。因?yàn)檫@2種材料的受熱膨脹系數(shù)不同，考慮到鋼材對溫度較混凝土敏感，所以采用23℃溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分析其影響。

3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

受限于計(jì)算方法與工具，對建筑的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算通常采用以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主體，對鋼結(jié)構(gòu)的大跨度屋蓋進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算分析，缺少對鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的運(yùn)算步驟，所得結(jié)果往往與實(shí)際的受力情況不符。該劇場的建筑施工設(shè)計(jì)采用YJK1.9.2進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，在水平地震情況下對鋼筋混凝土與屋蓋進(jìn)行整體運(yùn)算，并對屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直地震情況的二次核驗(yàn)計(jì)算。

3.5 整體計(jì)算分析

為了對雙向平面鋼桁架屋蓋進(jìn)行整體精準(zhǔn)建模，劇場施工設(shè)計(jì)采用整體性的空間建模方式，整體運(yùn)算指標(biāo)見表3。

表3 整體運(yùn)算主要指標(biāo)

劇場的雙向鋼桁架的鋼次梁柱、腹桿以及下弦等承重結(jié)構(gòu)，在小震反應(yīng)譜下的應(yīng)力比最大值為0.77，出現(xiàn)的位置在體積最大的頂層尖塔附近，因此在劇場的尖塔施工中應(yīng)充分考慮這部分的荷載能力，對其荷載能力進(jìn)行充分放大，以降低安全隱患。

3.6 單獨(dú)計(jì)算結(jié)構(gòu)

對屋蓋在豎向地震時(shí)的承重工況，垂向地震影響系數(shù)=水平地震系數(shù)×0.6，同時(shí)考慮到±23℃溫差所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)，按照阻尼比0.04（混凝土體）與0.03（輕型鋼）。經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算得出應(yīng)力最大值為0.75，最大變形為32mm，其內(nèi)力控制工況為1.35DL+0.98LL+0.7TEM，即恒載控制下的考慮溫度荷載的工況。

4 結(jié)論

對于建筑中的大跨度屋蓋設(shè)計(jì)，首先在滿足基本施工要求的基礎(chǔ)上，需確保其應(yīng)力傳導(dǎo)的均勻性以及簡潔性原則，尤其是在建筑工況復(fù)雜的環(huán)境下更需要注意應(yīng)力傳導(dǎo)問題。對于大跨度屋蓋建筑施工設(shè)計(jì)，需考慮到屋面的舞臺(tái)設(shè)備安裝與頂層3座輕鋼尖塔的荷載承重情況，進(jìn)而運(yùn)用相關(guān)軟件對上部屋蓋及下部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體研究，以獲得最大的成本安全優(yōu)化。