神農(nóng)大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 偉

(中國(guó)中元國(guó)際工程公司，北京 100089)

1 工程概況

神農(nóng)大劇院項(xiàng)目位于湖南省株洲市，本建筑為甲等劇場(chǎng)建筑，神農(nóng)大劇院由一個(gè)1400座規(guī)模大劇場(chǎng)、一個(gè)400座規(guī)模小劇場(chǎng)及公共區(qū)域、后勤輔助用房組成。大劇場(chǎng)、小劇場(chǎng)各自獨(dú)立，公共區(qū)域(共享大廳)為單層高大空間，由鋼結(jié)構(gòu)外殼封閉而成，空間關(guān)系見圖1;大劇場(chǎng)由臺(tái)倉(cāng)、舞臺(tái)、觀眾廳以及后臺(tái)用房等組成;舞臺(tái)包括1個(gè)主舞臺(tái)、2個(gè)側(cè)舞臺(tái)、1個(gè)后舞臺(tái);觀眾廳包括兩層看臺(tái)和兩層包廂;后臺(tái)用房包括光控室、追光室、耳光室等;主要平面關(guān)系見圖2，圖3。

圖1 神農(nóng)大劇院剖面圖

圖2 大劇場(chǎng)平面圖（一）

圖3 大劇場(chǎng)平面圖（二）

2 結(jié)構(gòu)體系選擇與布置

本工程建筑外殼、大劇場(chǎng)及小劇場(chǎng)+6.000 m標(biāo)高以上相互獨(dú)立，+6.000 m標(biāo)高以下為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。大劇場(chǎng)內(nèi)部為一相對(duì)封閉空間，考慮隔聲要求、舞臺(tái)機(jī)械連接要求、高低錯(cuò)落的樓板搭設(shè)要求及大跨度屋面梁對(duì)支座的要求，周圈采用鋼筋混凝土墻體，而大劇場(chǎng)內(nèi)部要求為大空間，采用框架結(jié)構(gòu)便于建筑功能的實(shí)現(xiàn);小劇場(chǎng)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)合建筑蝸牛殼造型的特點(diǎn)，建筑外殼主體結(jié)構(gòu)采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，由控制基點(diǎn)沿徑向旋轉(zhuǎn)布置變高度的徑向桁架，根據(jù)建筑分格沿環(huán)向布置一定數(shù)量的環(huán)向桁架，形成空間結(jié)構(gòu)體系，建筑外殼主體結(jié)構(gòu)在柱腳處與下部混凝土柱連接。

本工程主要是采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)體系，大劇場(chǎng)屋頂為18 m～34 m的大跨度空間，采用鋼梁加組合樓板的結(jié)構(gòu)體系。

3 基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)耐久性為100年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，乙類建筑，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓0.40 kN/m2，基本雪壓0.70 kN/m2;根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)資料，控制合龍溫度在15℃～25℃之間，冬季室內(nèi)溫度不低于0℃，溫度效應(yīng)考慮升溫25℃及降溫25℃，溫度效應(yīng)組合值系數(shù)取0.6。

為了系統(tǒng)的分析鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的相互影響，建立了混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)整體模型?；炷两Y(jié)構(gòu)采用了通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000 V14和PKPM分別進(jìn)行計(jì)算;鋼結(jié)構(gòu)采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000 V14進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，并采用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS12.0進(jìn)行了計(jì)算校核和整體穩(wěn)定分析。

整體結(jié)構(gòu)采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000 V14進(jìn)行計(jì)算，建模時(shí)梁柱采用框架單元進(jìn)行模擬，墻和樓板采用殼單元進(jìn)行模擬。

4 下部混凝土結(jié)構(gòu)與上部鋼結(jié)構(gòu)相互影響

通過混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)外殼單獨(dú)模型和混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)外殼整體模型進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:

1)溫度作用下，由于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的剛心位置不同，上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)將發(fā)生相對(duì)差異變形，構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了較大的局部溫度應(yīng)力。

2)采用整體模型計(jì)算，與鋼結(jié)構(gòu)支座柱子相連處第一跨的混凝土梁板應(yīng)力增加較多，鋼柱的支座反力較上部鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)計(jì)算時(shí)變小，上部鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力增加。

3)采用整體模型計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)的地震作用響應(yīng)較單體結(jié)構(gòu)時(shí)增加較明顯，吸收水平力較多的桿件(如支撐、系桿等)應(yīng)力水平提高較多。

4)采用整體模型計(jì)算上部鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)與單獨(dú)的鋼結(jié)構(gòu)分析模型的振動(dòng)形態(tài)十分吻合，下部混凝土結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)及周期與單獨(dú)分析也基本一致。

5 下部混凝土部分計(jì)算結(jié)果

本工程抗震設(shè)防烈度為6度，下部混凝土部分被鋼結(jié)構(gòu)外殼籠罩，因此水平位移較小，可以忽略不計(jì)，以豎向變形為主，主要計(jì)算結(jié)果見表1。

6 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

6.1 基礎(chǔ)及臺(tái)倉(cāng)外墻

6.1.1 基礎(chǔ)

本工程基底標(biāo)高變化較大，采用了多種基礎(chǔ)形式。大劇院觀眾廳、小劇場(chǎng)、公共空間以及后勤用房部分均只有一層地下室，基礎(chǔ)底部土層變化較大，此部分基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁，一柱一樁，樁徑1000 m，樁長(zhǎng)約為6 m～15 m，樁端持力層為④層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，樁端阻力特征值為3500 MPa;承臺(tái)之間設(shè)置連系梁，連系梁截面400×800，防水板300 mm。大劇場(chǎng)臺(tái)倉(cāng)底部(－13.80 m標(biāo)高)完全處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖上，天然地基承載力特征值800 kPa，地基基礎(chǔ)采用墻下條形基礎(chǔ)、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的形式;大劇院后舞臺(tái)底部(－2.35 m)和側(cè)舞臺(tái)底部(0.25 m)位置只有局部范圍處于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖上，其余均處在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖上，故此位置地基基礎(chǔ)仍然采用墻下條形基礎(chǔ)加防水板的形式，局部處于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖部位，挖除掉此層至中風(fēng)化層，并采用素混凝土填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。本項(xiàng)目抗浮設(shè)計(jì)水位標(biāo)高 －1 m，大劇場(chǎng)基礎(chǔ)處于 －13.80 m，－8.00 m，－3.50 m，－2.35 m標(biāo)高的基礎(chǔ)自重不能滿足抗浮要求，－13.80 m，－8.00 m，－3.50 m處基礎(chǔ)底板采用抗浮錨桿，－2.35 m標(biāo)高基礎(chǔ)底板通過增加基礎(chǔ)底板厚度方式平衡浮力。

表1 主要計(jì)算結(jié)果

6.1.2 臺(tái)倉(cāng)外墻

大劇場(chǎng)臺(tái)倉(cāng)外墻擋土高度近13 m，而受舞臺(tái)機(jī)械要求，13 m高度內(nèi)只有與其垂直的梁作為支撐點(diǎn)，臺(tái)倉(cāng)平面剖面見圖4，如果靠外墻自身抵擋水土壓力，外墻厚需1 m，過厚的外墻將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，加大了外墻開裂漏水的可能性，因此本項(xiàng)目采用了永久性支護(hù)擋墻平衡水土壓力，外墻厚度500 mm，并將支護(hù)擋墻的變形作為外墻的變形計(jì)算其內(nèi)力，KL1按豎向及水平向受力計(jì)算配筋。

圖4 臺(tái)倉(cāng)平面圖

6.2 看臺(tái)及包廂設(shè)計(jì)

大劇場(chǎng)有兩層看臺(tái)，兩層包廂，通過框架結(jié)構(gòu)加局部轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)其搭建。首層看臺(tái)框架梁最大跨度10 m，選用400×800截面;框架柱截面600×600，看臺(tái)與基礎(chǔ)底板之間距離隨看臺(tái)坡度變化，較低處形成短柱，短柱進(jìn)行全高加密;看臺(tái)樓板上在每個(gè)座位下有通風(fēng)孔，而看臺(tái)座位沿圓弧形布置，因此要求孔洞必須預(yù)留，不得后開，否則板鋼筋將大量被截?cái)唷６涌磁_(tái)低端懸挑梁加懸挑板總懸挑長(zhǎng)度4.5 m，且低端與下層靜壓箱間相交于一根封邊梁，如圖5，圖6所示。

圖5 二層看臺(tái)平面圖

圖6 KL1（1A）與 KL2（1A）剖面圖

KL1(1A)與KL2(1A)相交于一點(diǎn)，通過SAP 2000軟件可以較真實(shí)的模擬其受力狀況，KL1(1A)懸挑端處于受拉狀態(tài)，而KL2(1A)懸挑端則處于受壓狀態(tài)，由于KL1(1A)與KL2(1A)之間的三角形區(qū)域較難施工，將KL1(1A)與KL2(1A)的懸挑端合并，并僅在合并后的梁頂部及底部配置縱向受力鋼筋。

包廂與包廂之間、包廂與看臺(tái)之間，以及包廂與樓梯之間，空間關(guān)系復(fù)雜，必須通過放樣及建模的方式，確定梁高及梁標(biāo)高。

6.3 屋面設(shè)計(jì)

跨度34 m屋面采用H2000×550×14×34鋼梁，如圖7所示，跨度24 m屋面采用H1200×450×14×32鋼梁，跨度18 m屋面采用H1200×350×14×24鋼梁，鋼梁間距均為3 m，所有大跨度鋼梁腹板均設(shè)置圓洞，梁端截面高度漸變至1 m高，鋼梁與混凝土墻鉸接，為保證鋼梁施工時(shí)穩(wěn)定性，梁頂垂直主梁方向設(shè)置H400×200×8×12次梁，間距6 m。屋面板采用組合樓板，壓型鋼板采用閉口槽形鍍鋁鋅壓型鋼板，并且要考慮聲學(xué)要求，混凝土板厚150 mm。

圖7 鋼梁側(cè)立面

7 結(jié)語(yǔ)

1)劇院類建筑結(jié)構(gòu)選型，除考慮受力要求外，尚應(yīng)考慮看臺(tái)、包廂、舞臺(tái)機(jī)械搭建的便利性及隔聲要求。

2)劇院類建筑，空間關(guān)系復(fù)雜，且有大量長(zhǎng)懸挑及大跨度構(gòu)件，應(yīng)采用多種計(jì)算軟件進(jìn)行分析。

3)整體分析能夠得到上下部結(jié)構(gòu)在荷載、溫度、地震等等各種作用下較合理可靠的效應(yīng)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)分別進(jìn)行下部混凝土結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)分析后，再進(jìn)行整體分析，才能得出一個(gè)比較真實(shí)的分析模型以及合理的計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)安全提供有力保證。

4)受舞臺(tái)機(jī)械的制約，地下室外墻通高無側(cè)向支撐，為避免地下室外墻過厚而導(dǎo)致開裂，可采用永久支護(hù)平衡水土壓力，外墻僅承受永久支護(hù)變形所傳來的力。

［1］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［4］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JGJ 7-2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.