華北理工大學會堂結(jié)構(gòu)設計與分析

孟范輝，張金海 （天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院有限公司，天津 300073）

1 工程概況

華北理工大學新校園選址于唐山灣生態(tài)城北部，唐山港曹妃甸港區(qū)和京唐港區(qū)之間，與曹妃甸工業(yè)區(qū)毗鄰。會堂位于校園的北島之上，東北西三面為湖水環(huán)繞，是學校的標志性建筑之一。校園總體效果圖如圖1所示。項目總建筑面積11187m2?？傋粩?shù)是1411個。其主要功能為劇場、演出用。結(jié)構(gòu)主體高度23.50m，地上三層。一、二層層高為4.5m，三層層高為5.3m。會堂效果圖如圖2所示。

圖1 華北理工大學新校區(qū)總體效果圖

圖2 會堂全景效果圖

會堂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，樓層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。屋面采用鋼網(wǎng)架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑功能及效果要求，入口正面幕墻要求通透、傾斜。幕墻龍骨結(jié)合主體鋼結(jié)構(gòu)整體設計，結(jié)構(gòu)采用鋼梁和圓鋼管柱。會堂正立面效果圖如圖3。建筑平立剖面如圖4，5。

圖4 建筑平面圖

圖5 建筑剖面圖

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，本工程所在場地為Ⅲ類建筑場地。基礎采用預應力管樁基礎形式，樁徑為500mm，樁長24m，單樁豎向承載力特征值Ra=1000kN?；A采用柱下獨立承臺，墻下采用條形承臺，承臺厚度1.0m～1.5m。

2 工程結(jié)構(gòu)設計及分析

2.1 設計參數(shù)

設計室內(nèi)地坪±0.000m相對于國家85高程4.911m，結(jié)構(gòu)的設計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，建筑地基基礎設計等級均為丙級。建筑耐火等級為二級。

本地區(qū)抗震設防基本烈度為7度0.15g，根據(jù)唐山市抗震設防管理中心出具的《關于唐山灣生態(tài)城河北聯(lián)合大學新校園建設工程的抗震設防要求審批意見書》（唐抗震審[2014]10號）文件，（河北聯(lián)合大學后更名為華北理工大學），針對華北理工大學校園抗震設計標準按照8度0.2g進行抗震設計，按8度0.2g采取抗震措施和抗震構(gòu)造措施。設計地震分組為第二組。根據(jù)建筑使用功能的重要性分類，本工程的抗震設防類別為重點設防類[1]。

2.2 基礎設計

本工程為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，按照8度0.2g進行抗震設計，高烈度地震作用下柱底易出現(xiàn)拉力，尤其剪力墻下極易出現(xiàn)拉力。本工程考慮經(jīng)濟性仍采用預應力管樁基礎，根據(jù)計算在出現(xiàn)拔力的墻柱下采用管樁灌芯抗拔樁精確布樁，樁拔力分布情況如圖6，陰影范圍為樁出現(xiàn)拔力的分布范圍區(qū)域，管樁管芯長度和鋼筋計算參照文獻[2][3]。

圖6 樁拔力范圍分布圖

會堂通風系統(tǒng)采用在看臺下面靜壓箱設計，看臺下面局部地下室，需采取抗浮措施設計采用15m長的預應力抗拔管樁間距3m正方形均勻布置來抵抗水浮力。

舞臺表演區(qū)無地下室，對場地回填土沉降要求相對嚴格，為確保回填土質(zhì)量，設計采用240mm厚頁巖實心磚分倉回填夯實，分倉尺寸不大于3.5mx3.5m，回填土采用2:8灰土回填，壓實系數(shù)不小于0.94，并設置200mm厚鋼筋混凝土剛性地面，配置雙層雙向通長鋼筋網(wǎng)片。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

2.3.1 結(jié)構(gòu)設計特點

建筑方案效果為橢圓形結(jié)構(gòu)，屋頂為整體鋼網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)典型長軸總長度100m左右，短軸總長度77m左右，結(jié)構(gòu)的特殊性無法使用結(jié)構(gòu)縫斷開，設計時應考慮溫度影響。

由于會堂使用功能的特殊性，空間性為主，看臺，舞臺等都不在同一結(jié)構(gòu)標高，造成結(jié)構(gòu)樓板多處不連續(xù)，層的聯(lián)系性不強。為保證結(jié)構(gòu)的整體剛度，選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主要在樓梯間交通盒處布置剪力墻，保證各連續(xù)樓板局部區(qū)域的剛度均勻，形成多個筒體，從而達到增強整體結(jié)構(gòu)剛度。南側(cè)主入口外圍是通透幕墻效果，結(jié)構(gòu)結(jié)合幕墻龍骨設計成鋼框架結(jié)構(gòu)，采用型鋼梁、圓鋼管柱。墻柱布置及結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖7～圖10。

圖7 墻柱平面圖

圖8 標高4.450處平面圖

圖9 標高8.950處平面圖

圖10 標高14.300處平面圖

會堂主入口外圈是14m通高的幕墻，且向外傾斜，傾斜角度為9°。結(jié)合幕墻的通透效果，采用鋼結(jié)構(gòu)斜柱、弧梁與幕墻龍骨結(jié)合一體設計，與混凝土主體結(jié)構(gòu)整體建模分析，協(xié)調(diào)受力。分析模型如圖11。

圖11 斜柱、弧梁模型圖

2.3.2 整體結(jié)構(gòu)分析

本工程采用PMSAP和YJK兩種軟件對結(jié)構(gòu)進行分析。結(jié)構(gòu)的整體模型如圖12所示。結(jié)構(gòu)的整體計算指標對比如表1。

結(jié)構(gòu)整體計算指標對比 表1

圖12 結(jié)構(gòu)整體計算模型

從表1中可以看出，主樓整體結(jié)構(gòu)采用兩個程序計算的主要指標是基本吻合的，且各項指標均滿足規(guī)范[3]要求。

為避免因為樓層側(cè)向剛度的不均勻，可能會出現(xiàn)“鞭梢效應”，影響結(jié)構(gòu)的安全，采用彈性時程分析法對該結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的抗震性能補充分析。選取1條人工波和2條天然波，時程曲線選用滿足規(guī)范要求[4][5]。分析結(jié)果取包絡值。分析結(jié)果見表2。

時程分析法和CQC法層間剪力分析結(jié)果對比 表2

由上表可知：時程分析法的層間剪力均小于CQC法，故反應譜分析是安全的。

2.3.3 結(jié)構(gòu)關鍵部位分析

本工程多處樓板不連續(xù)，對于樓板薄弱部位應應進行詳細分析，設計時將樓板定義為彈性板，使計算模型更加符合樓板平面內(nèi)的實際受力，通過增加板厚、根據(jù)詳細分析結(jié)果設置雙層雙向拉通筋，增強樓板的整體傳力性。樓板的詳細分析應力如圖13。

圖13 樓板應力分析圖

二層看臺挑出跨度為7m，結(jié)構(gòu)利用階梯形看臺在框架處挑出三角桁架，整體建模計算，并對三角桁架單獨詳細分析，根據(jù)應力分布及詳細配筋分析進行設計，保證結(jié)構(gòu)的安全性?？磁_的應力分析如圖13。從分析圖(a)中知最大恒載下變形為5mm，遠小于規(guī)范限值；圖(b)看出三角桁架下弦梁上部受壓，根部受拉，拉壓應力均小于混凝土強度；圖（c）、（d）看出三角桁架上弦斜桿受拉彎，下弦桿受壓彎，上弦桿故應全長配置通筋，且應滿足裂縫配筋，看臺的施工詳圖如圖14。

圖14 看臺詳細分析圖

圖15 看臺施工詳圖

3 結(jié)語

①主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，保證各連續(xù)樓板局部區(qū)域的剛度均勻，形成多個筒體，從而增強整體結(jié)構(gòu)剛度。

圖16 施工過程中照片

②外圈幕墻通透效果，且向外傾斜，設計采用鋼結(jié)構(gòu)斜柱、弧梁與幕墻龍骨結(jié)合一體設計，與混凝土主體結(jié)構(gòu)整體建模分析，協(xié)調(diào)受力。

③對關鍵部位樓板和看臺桁架詳細分析，根據(jù)分析結(jié)果進行設計，保證結(jié)構(gòu)安全。