莆田市青少年宮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄒煥苗

(華通設(shè)計(jì)顧問(wèn)工程有限公司，北京 100034)

1 工程概況

莆田青少年宮工程位于福建省莆田市玉湖片區(qū)南側(cè)半島上，總建筑面積2.8萬(wàn)m2，西側(cè)為劇場(chǎng)部分，地上1層局部夾層，無(wú)地下室，包括一個(gè)725座的劇場(chǎng)，觀眾廳屋面高度12.5 m;東側(cè)為少年宮活動(dòng)用房及辦公用房，地上4層，地下1層，回字形結(jié)構(gòu)布置。中庭通高無(wú)柱雙螺旋樓梯，外立面效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 青少年宮效果圖

工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.1g。抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，框架抗震等級(jí)三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)。基本風(fēng)壓0.7 kN/m2，地面粗糙度B類(lèi)。

基礎(chǔ)采用樁基+防水板，基礎(chǔ)埋深－5 m，采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁端持力層為中風(fēng)化巖石，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 200 kPa，單樁抗拔承載力特征值為700 kN，單樁水平承載力特征值50 kN。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)方案

工程結(jié)構(gòu)體系為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，西側(cè)為劇場(chǎng)，劇場(chǎng)部分建筑單層空曠，局部含夾層;東側(cè)為少年宮功能用房，平面為回字形布置(見(jiàn)圖2)，地上4層。劇場(chǎng)舞臺(tái)嵌入東側(cè)回字形平面內(nèi)，舞臺(tái)頂與主體4層頂屋面平齊。本工程劇場(chǎng)與周邊采用不設(shè)永久縫設(shè)計(jì)，為達(dá)到建筑聲學(xué)要求，部分樓板采用浮筑樓板隔聲系統(tǒng)來(lái)減少樓板因撞擊產(chǎn)生的固體傳聲。

舞臺(tái)與觀眾廳周?chē)O(shè)置了600 mm厚剪力墻，增加劇場(chǎng)空曠結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，東側(cè)平面在四周樓梯間設(shè)置剪力墻，形成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

觀眾廳屋面作為室外景觀平臺(tái)，觀眾廳及舞臺(tái)頂部有通風(fēng)管道，由于層高限制，且因建筑聲學(xué)要求，屋面必須為混凝土樓板，通風(fēng)管道標(biāo)高盡量貼近屋面板，通過(guò)比較，最終設(shè)計(jì)采用H型鋼梁組合樓蓋，H型鋼梁腹板開(kāi)洞，其中觀眾廳和舞臺(tái)屋頂鋼梁跨度分別為25 m和19 m，截面分別為H1 600×400×20×40和H1 200×400×16×32的焊接型鋼，腹板開(kāi)洞尺寸滿(mǎn)足開(kāi)洞直徑不大于鋼梁腹板高度/2，且洞口四周采用加勁肋加強(qiáng)措施。

2.2 結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，劇場(chǎng)單層空曠，局部含夾層，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計(jì)算以SATWE為主，盈建科軟件對(duì)比分析，兩種軟件計(jì)算結(jié)果基本接近。結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、基底剪力、剪重比及周期、位移等計(jì)算指標(biāo)詳見(jiàn)表1～表3。

表1 SATWE和盈建科(YJKS)

表2 SATWE和盈建科(YJKS)計(jì)算周期

表3 SATWE和盈建科(YJKS)計(jì)算樓層最大位移

2.3 抗震性能設(shè)計(jì)

本工程屬于乙類(lèi)建筑，結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，比較復(fù)雜。雖然本工程不屬于超限建筑，由于工程重要性及特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將薄弱部位及重要構(gòu)件提高抗震性能［1］，對(duì)螺旋樓梯周邊框架柱、看臺(tái)周邊框架柱及臺(tái)口柱等采用中震彈性設(shè)計(jì)，臺(tái)口梁、柱抗震等級(jí)提高至一級(jí)。

二，四層回字形平面靠近舞臺(tái)側(cè)樓板形成細(xì)腰樓板，在水平地震作用下，細(xì)腰樓板平面內(nèi)剛度較弱，形成薄弱部位，對(duì)細(xì)腰樓板詳細(xì)分析［2］，采用midas gen軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，小震作用下細(xì)腰樓板絕大部分樓板最大應(yīng)力小于1.10 N/mm2，低于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(C30)。中震作用下細(xì)腰樓板除剪力墻根部應(yīng)力集中，大部分樓板應(yīng)力小于2.0 N/mm2，低于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30)。

2.4 中庭螺旋樓梯設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)布置:中庭螺旋樓梯自首層樓板起步，內(nèi)徑6.5 m，外徑9.8 m，根據(jù)建筑方案要求，中庭要盡量通透，不能設(shè)置梯柱，螺旋樓梯通過(guò)二層～四層懸挑箱型鋼梁平臺(tái)與各層連接，螺旋樓梯采用三根螺旋箱型主鋼梁，主梁間采用間距2 m箱型次梁剛性連接，提高主螺旋鋼梁整體穩(wěn)定性，踏步板采用螺紋鋼板。螺旋樓梯樓層平臺(tái)處懸挑箱型鋼梁最大懸挑跨度4 m，箱梁截面800×400×40，設(shè)計(jì)活荷載取3.5 kN/m2，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖3。螺旋樓梯設(shè)計(jì)采用單獨(dú)模型計(jì)算，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將螺旋樓梯按荷載形式輸入分析計(jì)算。

圖2 典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置（四層）

圖3 中庭螺旋樓梯結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)計(jì)算，鋼梯梯梁最大應(yīng)力比為0.58，鋼梯梯梁最大豎向位移約39.6 mm(1.0 恒 +0.5 活)，撓度為 39.6/25 000=1/630，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.5 觀眾廳屋面舒適度設(shè)計(jì)

觀眾廳屋面為建筑景觀平臺(tái)，因其建筑功能特殊性，設(shè)計(jì)需要考慮滿(mǎn)足聲學(xué)要求及舒適度要求。屋面混凝土樓板上設(shè)置浮筑樓板隔聲，減小因樓板振動(dòng)產(chǎn)生的固體傳聲。對(duì)H型鋼組合樓蓋進(jìn)行舒適度驗(yàn)算，包括撓度、自振頻率、加速度。

2.5.1 撓度驗(yàn)算

鋼梁跨度L=25.2 m，鋼梁采用Q345B級(jí)鋼，H1 600×400×20 ×40 截面，E=2.06 ×105N/mm2，I=2.532 61 ×1010mm4，按一端固支、一端簡(jiǎn)支計(jì)算，滿(mǎn)足要求。

2.5.2 自振頻率驗(yàn)算

1)SATWE模型計(jì)算:樓板振動(dòng)周期T=0.302 4 s，頻率F=1/T=3.307 Hz＞3 Hz，滿(mǎn)足要求。

2.5.3 加速度驗(yàn)算

按照高規(guī)［3］附錄A計(jì)算:

樓蓋豎向振動(dòng)加速度限值為:αmax=0.057 m/s2，αp＜ αmax，滿(mǎn)足要求。

2.6 室外樓梯滑動(dòng)支座寬度取值

室外樓梯與主體相連，為簡(jiǎn)化受力形式，在主體梁上采用牛腿上設(shè)置滑動(dòng)支座，支座應(yīng)按“大震不倒”要求設(shè)置寬度。計(jì)算寬度按方法一、二兩者取大值。

方法一(節(jié)點(diǎn)位移Δ按照PKPM計(jì)算結(jié)果查詢(xún)):

2號(hào)室外臺(tái)階搭在主樓第二標(biāo)準(zhǔn)層節(jié)點(diǎn)9，12上。

PKPM結(jié)果，節(jié)點(diǎn)處小震反應(yīng)譜彈性水平位移為:Δx=0.370 mm，Δy=0.101 mm。

節(jié)點(diǎn)處大震彈塑性水平位移為:Δx大=2β大Δx=2×6.25×0.370=4.625 mm。

方法二(節(jié)點(diǎn)位移Δ按照樓層高度的H/1 200計(jì)算):

節(jié)點(diǎn)處小震反應(yīng)譜彈性水平位移為:

滑動(dòng)支承最小支承長(zhǎng)度:b≥WC+bc=100+350=450 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)平面不規(guī)則等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，宜采用兩種軟件復(fù)核計(jì)算。2)對(duì)薄弱、重要構(gòu)件提高性能要求，增強(qiáng)其抗震性能。3)對(duì)形成弱連接樓板，宜進(jìn)行水平地震力作用下的應(yīng)力分析計(jì)算，并對(duì)薄弱樓板進(jìn)行配筋計(jì)算。4)復(fù)雜中庭鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯設(shè)計(jì)，采用單獨(dú)模型為主，主體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將與主體連接處按荷載形式輸入計(jì)算模型。5)滑動(dòng)支座應(yīng)按大震不倒要求設(shè)置寬度。

［1］ GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 扶長(zhǎng)生，劉春明.高層建筑薄弱連接混凝土樓板應(yīng)力分析及抗震設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008(3):2－5.

［3］ JGJ 3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.