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四川某复杂剧院建筑的结构研究分析

2020-08-11 384 上传者：管理员

摘要：主要介绍了四川某复杂剧院建筑的结构设计思路、结构设计方案的优化和确定,并采用两种不同的计算模型进行整体计算,对比计算结果,以验证计算模型的可靠性。对特别不规则的结构,补充了弹性时程分析。之后,基于设计过程中的重要部位和关键问题,介绍了大跨度桁架支座节点连接,台口转换构件,二层悬挑楼座的结构设计以及基础设计等,为类似工程设计提供参考。

关键词：
剧院结构
弹性时程分析
抗浮设计
桁架支座
框架剪力墙
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1、工程概况

某剧院建筑位于我国四川省某市，为当地某处标志性建筑物之一。建筑外轮廓以弧线为主，线条柔美顺畅。建成后作为文化活动中心使用，其中包括1200座剧院，500座音乐厅，报告厅，多功能活动中心等。总建筑面积20530m2，地上建筑面积15920m2。该建筑主要由两部分组成，西侧是音乐厅，地上3层，内设音乐厅、报告厅及活动中心;东侧是剧院，地下1层，地上2层。音乐厅和剧院主要屋面高度均不大于24m，为多层建筑(见图1)。

图1效果图

该建筑地处山区，地势起伏较大，北侧单面临土，如图2～图4所示。土体分布见图中填充部分，高度约5.4m。

图2首层平面图

图3音乐厅剖面图

2、结构方案

该建筑由两个复杂的剧院类建筑组成，具有剧院建筑的共性特点:体型复杂，内部空旷，大跨度，荷载较大且分布不均匀，楼板缺失严重等，这些造成该类结构先天存在质心和刚心偏离较大[1]。除此之外，该建筑地处山区，北侧车库单面临土，且由于建筑造型需要，东西两建筑之间的上空局部悬空相连，悬空跨度约10m～15m，这些实际情况均需在结构设计中予以考虑。

图4剧院剖面图

为解决上述问题，首先对结构进行概念上的处理，以简化结构的受力状况，使结构设计先天条件更加合理:1)采用框架—剪力墙结构。利用剪力墙的布置调整结构整体刚度分布，减小偏心距，增强扭转刚度。2)对于单侧土体，挡还是扛，是一个问题。考虑到本建筑内部空旷复杂，已经存在严重的刚心质心不重合造成的扭转，经试算，布置外圈挡土墙会使整体扭转，对主体结构更加不利。因此，采用独立式挡土墙将土体与主体结构分离，消除单侧土压力及地震作用下土体对主体结构的不利影响，避免影响主体结构的因素过于复杂。3)连接体部分无建筑功能，荷载较轻。采用由两侧向中间悬挑的方式，将两个单体分离，互不影响。两悬挑端部之间的缝隙应选取在中间处合理位置，避免后期防水处理不当影响相邻建筑的外墙美观。4)车库顶板在合理的位置设置抗震缝。通过以上结构概念设计，将本建筑分为音乐厅和剧院两个互相独立的单体，可分别建模进行计算。

3、上部结构设计

3.1 基本设计参数

本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.45s。水平地震影响系数最大值为0.08。

音乐厅和剧院结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年。抗震设防类别均为重点设防类，剪力墙抗震等级为二级，底部加强区从基础至二层，框架抗震等级为三级。地下室部分抗震等级同上部结构。嵌固端位于基础顶。

结构主体采用钢筋混凝土材料，对于大跨度屋盖采用钢桁架+组合楼板。

3.2 整体结构计算

采用YJK2.0.3进行振型分解反应谱法计算，用SAP2000进行复核。计算结果见表1。

表1YJK与SAP2000整体计算结果对比

音乐厅和剧院前三阶振型见图5。

图5音乐厅、剧院前三阶振型图

经对比，YJK模型和SAP2000计算模型的前三阶振型振动模态一致，周期、剪重比和最大层间位移角均较为接近，且均满足规范要求。因此，整体计算模型是合理可靠的，可以根据其计算结果指导后期设计。

3.3 弹性时程分析

根据音乐厅和剧院布置情况，结合整理模型计算结果，对建筑规则性进行判断。音乐厅包含两项不规则:考虑偶然偏心的扭转位移比为1.33，大于1.2，局部楼板不连续，为一般不规则建筑;剧院包含三项不规则:考虑偶然偏心的扭转位移比为1.35，大于1.2，局部楼板不连续，且平面凹凸尺寸大于相应边长30%，为特别不规则建筑。根据抗震规范规定，特别不规则的建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算[2]。采用YJK弹性时程分析模块对剧院结构进行补充计算。

3.3.1 选波

根据抗震规范要求选取7组地震波，其中5组是天然波，2组是人工波。抗震设防烈度为7(0.1g)，时程分析采用加速度时程曲线的最大值为35cm/s2。时程分析法步长取0.02s，阻尼比0.05。

经YI软件初步筛选，每条基底剪力与CQC结果差异35%以内、基底剪力平均值与CQC计算结果差异20%以内，考虑地震波组合在前三阶周期的平均反应谱值与规范反应谱值差别在20%以内。从初选的地震波中，进行试算选择，选出满足规范要求的地震波组合。所选地震波反应谱见图6。

3.3.2 计算结果比较

多条波按照时程分析法计算所得的剪力平均值与CQC法剪力计算结果见表2，表3。

图6规范谱与反应谱对比图

表2不同地震波剪力计算结果比较

表3各层剪力计算结果对比

根据包络结果，无需对层间剪力进行放大。采用CQC法所得的剪力计算结果是安全的。

4、关键部位设计

4.1 大跨度钢桁架结构屋面

剧院和音乐厅观众厅大跨度屋面采用钢结构桁架形式。剧院观众厅采用四榀桁架，在上空形成30m×36m的空旷空间。整体指标计算时，可将桁架简化为梁端与混凝土柱铰接的钢梁，模拟其对周边混凝土结构的影响。桁架端部支座与混凝土柱的连接节点，承受较大的竖向力和水平荷载，是桁架结构设计的关键部位。在模型中，设置该处连接为铰接节点。通过计算，单纯的铰接节点会使屋架下弦对支座腹杆产生很大的推力，造成支座腹杆下端弯矩突增，计算所需支座腹杆尺寸过大。

为解决这个问题，钢桁架支座腹杆底部支座处设置两块钢板，一块为调节板，一块为底板，如图7节点所示。在屋盖安装阶段，通过两块钢板之间的摩擦力传递水平力。由于摩擦系数较小，可近似等效为滑动。在计算模型中设置滑动形式，释放支座水平方向的约束进行模拟计算。屋面全部恒载加载完毕之后，将两块钢板之间焊接，摩擦面变为调节板与混凝土之间，摩擦系数增大至0.4，形成铰接节点。

通过这种连接方式，可以合理释放屋面恒载对下弦支座腹杆处产生的推力，使支座腹杆受力大大减小，支座腹杆设计尺寸更经济合理。值得注意的是，在屋架施工安装过程中，应采取必要的施工措施，保证屋面体系的稳定。

4.2 台口转换构件

剧院台口构件一般可采用大梁转换、空腹桁架、混凝土桁架等结构形式。结合本工程实际情况，采用转换梁+斜撑形成桁架实现转换。通过斜撑和梁上柱，与上部结构形成整体共同受力。这种转换方式可减小转换构件的尺寸和配筋，增大安全性。施工中需要求，待上部结构达到拆模强度后方可拆除下层转换梁的模板，保证实现共同受力(见图8)。

图7桁架支座节点

图8台口转换形式

4.3 二层楼座分析

对混凝土结构，楼座一般采用两种形式，梁板式与悬挑式。本剧院中楼座悬挑长度约4.85m，楼座下设有静压舱(见图9)，结合实际情况，剧院楼座中部采用悬挑式，下端静压舱梁与楼座斜梁形成三角形结构如图10所示，斜梁、水平梁尺寸均为400×700。两侧悬挑较大，采用梁板式，次梁以框架主梁和三角形桁架端部的次梁为支点，向外悬挑一跨，悬挑跨度约为次梁跨度的1/3，见图11。

图9楼座平面布置图

5、基础设计

本工程地处山区，原场地起伏较大，经场平回填，场地填土厚度约为6m～12m，填土地基无法满足承载力和沉降控制的需求。因此采用桩基础，地基设计等级为乙级。填土下为较薄的粉质黏土层，以及大范围的强风化岩石和中风化岩石。中风化岩石可以作为旋挖成孔的大直径灌注桩的持力层。场地地下水位较高，抗浮设计水位为室外地坪。由于独立挡土墙将车库与外侧土体隔离，车库部分可作为上部结构考虑。抗浮问题仅在舞台区域存在。乐池底板顶标高-9.5m，舞台底板顶标高-8.0m，后场地下室底板顶标高-4.5m，通过筏板和桩共同承担浮力。

图10楼座1—1剖面图

图11楼座2—2剖面图

6、结论

1)结构设计方案阶段，应根据实际条件，在满足建筑要求的前提下，对结构进行简化处理，使主体结构受力更明确、简单。本工程通过设置独立挡土墙、连接体两侧悬挑和防震缝，将原本十分复杂的连体结构，简化为两个独立的单体。2)通过SAP2000和YJK整体模型计算结果的对比，验证了所用YJK模型的合理性，其计算结果可作为设计依据。3)对特别不规则的结构，弹性时程分析一定程度反映了结构的薄弱部位，可作为特别不规则结构的补充计算。4)大跨度桁架支座节点可以通过设计和合理的施工次序，释放恒载产生的对支座腹杆的推力，从而减小截面尺寸。5)深基坑基础应进行抗浮验算，在底板中增加桩基，以适当减少底板的厚度和配筋。

参考文献：

[1]刘明全,赵剑利,孔江洪,等.大剧院结构设计的特点[J].建筑结构,2006,36(5):26-30.

[2]GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]JGJ57—2016,剧场建筑设计规范[S].

[4]王建峰,鄢兴祥,虞终军.四川大学多学科交叉融合平台及艺术教育中心超限高层建筑结构设计[J].结构工程师,2018,34(2):5-12.

瓮文芳.四川复杂剧院建筑的结构设计[J].山西建筑,2020,46(16):44-46.