銅梁大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周楊，唐毅，吳澤

（CM CU·中聯(lián)建筑，重慶400039）

銅梁大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周楊，唐毅，吳澤

（CM CU·中聯(lián)建筑，重慶400039）

1 工程概況

銅梁大劇院位于重慶市銅梁縣金龍大道以東，地處銅梁縣文化藝術(shù)核心區(qū)域，整個(gè)建筑外觀為小提琴，造型新穎獨(dú)特，結(jié)合周邊城市主干道，形成一道靚麗的風(fēng)景線，將成為銅梁縣地標(biāo)性建筑（圖1）。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306-2001和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。該工程屬乙類建筑，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

圖1 鳥(niǎo)瞰圖

圖2 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐质疽鈭D

2 結(jié)構(gòu)概述

該工程結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫和釋放約束，總體上分成了四個(gè)主要的結(jié)構(gòu)單元：電影院、劇場(chǎng)、琴頭和琴弦（圖2）。

電影院和劇場(chǎng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元為該工程的主體部分，均可看作是由三個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成，即下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、屋面鋼網(wǎng)架及外圍鋼管桁架幕墻維護(hù)組成。總體結(jié)構(gòu)受力方案為：下部混凝土結(jié)構(gòu)（采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系）框架柱冒出混凝土屋面，伸至屋面鋼網(wǎng)架底，作為屋面鋼網(wǎng)架支座。外圍鋼管桁架幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu)與屋面鋼網(wǎng)架的連接采用釋放豎向約束的板鉸構(gòu)造，即外圍幕墻鋼管桁架不作為屋面鋼網(wǎng)架的豎向支座。整個(gè)屋面鋼網(wǎng)架完全由下部混凝土結(jié)構(gòu)框架柱支撐，周邊懸挑。外圍幕墻鋼管桁架下端與基礎(chǔ)剛接，上端與屋面鋼網(wǎng)架豎向滑動(dòng)連接，僅成為維護(hù)結(jié)構(gòu)，并向混凝土和屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力主體傳遞水平方向荷載。

琴頭采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

琴弦部分為無(wú)功能的建筑造型，該結(jié)構(gòu)單元支承在兩側(cè)琴頭和電影院結(jié)構(gòu)單元上，琴弦結(jié)構(gòu)單元與兩側(cè)結(jié)構(gòu)單元均設(shè)縫斷開(kāi)，其支承支座采用彈性水平滑動(dòng)支座。琴弦結(jié)構(gòu)單元采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況（表1、表2）

表1 電影院超限情況列表

表2 劇院超限情況列表

3.2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010相關(guān)規(guī)定，結(jié)合結(jié)構(gòu)自身超限情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。針對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位制定了不同的性能化目標(biāo)，并采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和構(gòu)造措施，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠[1]（表3）。

表3 電影院和劇院結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)彈性分析

（1）劇場(chǎng)和電影院（含下部混凝土主體及上部鋼網(wǎng)架屋面）采用SATWE、PM SAP（版本號(hào)：2011.09）和M idas gen進(jìn)行靜力彈性分析、彈性反應(yīng)譜分析和動(dòng)力彈性時(shí)程分析。對(duì)重要和關(guān)鍵受力構(gòu)件（支撐網(wǎng)架框架柱）進(jìn)行了中震彈性的補(bǔ)充驗(yàn)算[2]。

（2）斜屋面鋼網(wǎng)架采用MST2008分析設(shè)計(jì)，外圍鋼結(jié)構(gòu)各工況支反力輸入相應(yīng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)上。

（3）外圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)和琴弦空間桁架采用3D3S9.0分析設(shè)計(jì)，上端只施加水平約束，釋放豎向約束。

（4）琴頭框架采用PM SAP（2011.09版）分析設(shè)計(jì)。

（5）為了考察外圍鋼結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，特別是動(dòng)力特性和抗震性能方面的影響，采用ANSYS作為輔助分析程序，對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型做了宏觀定性的分析。

3.3.2 電影院和劇院結(jié)構(gòu)彈性分析模型處理的相關(guān)說(shuō)明

（1）模型簡(jiǎn)化

從受力而言，外圍鋼結(jié)構(gòu)可視為底端固定、頂部彈性鉸支撐的傾斜柱維護(hù)結(jié)構(gòu)。由于其高度較大，同時(shí)鋼構(gòu)件相對(duì)于主體混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)而言剛度甚小，為簡(jiǎn)化分析模型不考慮外圍鋼結(jié)構(gòu)參與抗側(cè)計(jì)算，直接將其傳遞的水平荷載施加在主體結(jié)構(gòu)上[3]。

（2）風(fēng)荷載傳遞和輸入

結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載是通過(guò)外圍鋼結(jié)構(gòu)再傳遞給主體結(jié)構(gòu)。因此，主體結(jié)構(gòu)模型風(fēng)荷載是通過(guò)輸入外圍鋼結(jié)構(gòu)模型在風(fēng)工況下支座反力實(shí)現(xiàn)。風(fēng)工況支座反力直接輸在主體模型網(wǎng)架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

（3）地震作用

外圍鋼結(jié)構(gòu)地震作用是通過(guò)在網(wǎng)架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上輸入地震工況的支座反力予以實(shí)現(xiàn)。為了考察外圍鋼結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)主體的影響，采用ANSYS建立了包括網(wǎng)架和外圍幕墻鋼結(jié)構(gòu)的整體模型，進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析、動(dòng)力彈性時(shí)程分析和大震彈塑性時(shí)程分析[4]（圖3）。

圖3 劇場(chǎng)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4 大劇院整體結(jié)構(gòu)有限元模型

3.3.3 彈塑性分析

（1）靜力彈塑性推覆分析

對(duì)電影院和劇場(chǎng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元的主體結(jié)構(gòu)，采用中國(guó)建科院編制的EPDA&PUSH程序接力PM SAP含網(wǎng)架的整體模型進(jìn)行推覆分析，以評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)這兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)的抗震特性來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]。

（2）罕遇地震作用下彈塑性實(shí)時(shí)程分析

對(duì)包含外圍鋼結(jié)構(gòu)桁架在內(nèi)的電影院、劇場(chǎng)及琴弦結(jié)構(gòu)單元的整體結(jié)構(gòu)，采用ANSYS建模，選取3條地震波進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析[6]（圖4）。

3.3.4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和支座設(shè)計(jì)

該工程在設(shè)計(jì)中，采用了釋放豎向約束的板鉸節(jié)點(diǎn)（圖5）。該節(jié)點(diǎn)通過(guò)在鋼板上開(kāi)設(shè)豎向橢圓孔，實(shí)現(xiàn)僅傳遞維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平力，不傳遞豎向力。由于該節(jié)點(diǎn)受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式在我國(guó)已有幾十年的使用經(jīng)驗(yàn)，最早運(yùn)用在重型工業(yè)廠房的墻架柱，目前也廣泛應(yīng)用于各類鋼結(jié)構(gòu)公共建筑中。

在琴弦與電影院連接部位需要采用適應(yīng)位移量大的彈性支座連接。該工程選用雙向球型支座。該支座連接可靠，能適應(yīng)支座處轉(zhuǎn)角、位移、上拔力及水平力的需要，是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003推薦的用于大跨度結(jié)構(gòu)支座之一（第7.6.4條），在國(guó)內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)中已得到普遍應(yīng)用。如北京首都機(jī)場(chǎng)四機(jī)位飛機(jī)庫(kù)、上海虹橋機(jī)場(chǎng)飛機(jī)庫(kù)、廣州體育館等。

圖5 板鉸節(jié)點(diǎn)大樣圖

4 結(jié)語(yǔ)

銅梁大劇院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在多處難點(diǎn)：結(jié)構(gòu)單元的劃分、結(jié)構(gòu)體系的把握、性能化設(shè)計(jì)的靈活應(yīng)用、分析模型的選取、計(jì)算結(jié)果的分析比較和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的處理等。通過(guò)結(jié)構(gòu)縫的合理設(shè)置和支座約束的巧妙釋放將結(jié)構(gòu)劃分為幾個(gè)受力明確的結(jié)構(gòu)單元，尤其是外圍幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu)與主體混凝土和屋頂鋼網(wǎng)架之間的相互受力關(guān)系得以清晰明確。

[1]汪夢(mèng)甫，周錫元.基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003（3）.

[2]張堅(jiān)，陸道淵.重慶大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007（5）.

[3]梁淑萍，莫庸，金建民，等.甘肅省大劇院超限復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011（1）.

[4]羅永峰，徐春麗，陳春暉.青島大劇院鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007（8）.

[5]王樹(shù)，葛家琪，張慶亮，等.大劇院上下結(jié)構(gòu)共同工作對(duì)鋼屋蓋抗震性能影響分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008（12）.

[6]陳丹，楊維國(guó)，趙雅，等.海原博物館上下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011（3）.

StructuralDesign Of Tongliang Theater

銅梁大劇院整個(gè)建筑外觀為小提琴，造型新穎獨(dú)特，具有重要的標(biāo)致性意義，其獨(dú)特的造型給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增添了不少難度：結(jié)構(gòu)單元的劃分、結(jié)構(gòu)體系的把握、性能化設(shè)計(jì)的靈活應(yīng)用、分析模型的選取、計(jì)算結(jié)果的分析比較和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的處理等。該文系統(tǒng)介紹了銅梁大劇院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)敘述了結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算模型。

整體設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；計(jì)算模型；結(jié)構(gòu)縫；釋放約束；建筑抗震；大震彈塑性時(shí)程分析

Tongliang Theatre looks like a violin,noveland specialw ith landmark significance,so itposes great challenge and difficultieson structure design,including the division ofstructuralunit,the design ofstructuralsystem,the flexible application of performance based design,the selection of analysismodel,the analytical comparison of calculation resultsand the treatmentof key node.Thestructuraldesign of Tongliang Theatre is systematically introduced with theoverall design thought,structuralanalysisand calculationmodelelaborated in detail.

integrated design;structuralanalysis;calculationmodel;structural joint;constraint release;building aseismicity;elastoplastic timeprocedure

TU 502

A

1671-9107（2013）11-0061-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.11.061

2013-08-11

周楊(1983-)，男，重慶人，研究生，工程師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究。