文體類建筑常見結構設計問題探討
——以“長泰文體中心”為例

陳躍輝

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361004)

文體類建筑常見結構設計問題探討
——以“長泰文體中心”為例

陳躍輝

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361004)

文化體育類建筑由于人員密集、使用功能復雜，常常存在超長結構、空曠結構、樓板有效寬度不足、大跨度鋼屋蓋結構設計等問題，如何確定建筑抗震設防類別和結構抗震等級常常成為結構設計的難點。本文以長泰文體中心結構設計為例，探討以上常見問題的設計方法，為類似工程的設計提供借鑒。

文體中心；超長結構；空曠結構；大跨度鋼屋蓋；抗震等級

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引 言

文化體育類建筑不同于常規的混凝土結構，由于功能復雜、人員密集、造型和空間的需要，常常會出現諸如超長結構、空曠結構、樓板有效寬度不足、大跨度鋼結構屋蓋等問題，需要通過設置合理的結構體系、構造措施、分析薄弱處樓板應力以及合理的計算假定等措施解決。另外如何確定此類建筑的抗震設防類別，確定結構的抗震等級，往往也成為此類結構設計的難點。本文以長泰文體中心結構設計為例，探討以上結構問題的設計方法，希望能為類似工程設計提供借鑒。

1 工程概況

“長泰文體中心”位于漳州市長泰縣，總建筑面積133729m2，包含了圖書館、博物館、文化館、展覽館、科技館、綜合體育館、主體育場七個單體。主體結構層數均為4層，建筑總高度<24m。建筑總體鳥瞰詳圖1。

結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組：第二組，場地類別：II類；50年一遇的基本風壓：0.55kN/m2，地面粗糙度：B類。

圖1 總體鳥瞰圖

2 抗震等級

鋼筋混凝土結構房屋應根據設防類別、烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級[1]。抗震設防的所有建筑應按現行國家標準《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223確定其抗震設防類別及其抗震設防標準[1]。公共建筑，應根據其人員密集程度、使用功能、規模、地震破壞所造成的社會影響和直接經濟損失的大小劃分抗震設防類別[2]。本工程圖書館建筑面積9484m2,屬中型圖書館；博物館建筑面積9484m2,屬中型博物館；文化館建筑面積9799 m2,屬大型文化館；展覽館建筑面積6578m2,屬小型展覽館；科技館建筑面積9636m2,屬中型科技館；綜合體育館建筑面積17251m2,其中游泳館內觀眾席1000座，籃球館內觀眾席4000座，屬中型丙級體育館；主體育場建筑面積20468m2,有觀眾席10000座，屬小型體育場。根據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223-2008)[2]第6.0.3條和6.0.4條，圖書館、展覽館、科技館、主體育場抗震設防類別應劃為標準設防類，博物館、文化館、綜合體育館抗震設防類別應劃為重點設防類。根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)[1]第6.1.2條，圖書館、展覽館、科技館、主體育場抗震等級為三級，博物館、文化館、綜合體育館抗震等級為二級。圖書館的報告廳屋面梁跨度21m，科技館的電影院屋面跨度20.8m，均屬跨度≥18m的大跨度框架，構件抗震等級取二級。主體育場二層室外平臺為單跨結構，層高7.2m，為提高結構安全度，單跨結構柱抗震等級取二級，并按抗剪中震彈性、抗彎中震不屈服復核單跨框架柱的配筋。

3 超長結構

文體類建筑由于使用功能的需要，平面長度往往較長，過多的切縫既影響使用，對建筑立面也造成一定的破壞。以“長泰文體中心為例”，各館平面長度均在65m～100m之間，超過了《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2010)[3]第8.1.1條鋼筋混凝土框架結構伸縮縫最大間距55m的要求。為防止混凝土溫差變化和混凝土收縮效應造成的開裂，本工程采取如下措施：

(1)加強屋面的保溫隔熱措施。

(2)減少混凝土的水灰比、混凝土的水灰比控制在0.4～0.5之間。加強混凝土的施工養護，混凝土初凝前多次壓光及加強潮濕養護，確保混凝土不出現早期裂縫。混凝土初凝后，應采用如薄膜覆蓋保水、覆蓋兩層麻袋、草簾保溫等措施，并定期噴霧或噴淋養護，養護時間不得少于20d。

(3)主體結構中部層層設置后澆帶，后澆帶在主體結構封頂2個月后才能封閉，后澆帶采用強度等級高一級的微膨脹混凝土。

(4)板面均附加Φ6@150×150雙向拉通鋼筋網片、屋面設置誘導縫，釋放屋面溫度變形產生的應力，誘導縫的做法詳(圖2)。

圖2 屋面誘導縫做法

4 空曠結構

體育館類建筑由于運動、觀演的需要，常常采用大跨度空曠結構，此類建筑存在抗側力構件減少，樓板不連續等問題。為提高空曠結構的抗震能力、增加結構的冗余度，根據《福建省建筑結構設計若干規定》(閩建科[2012]37號)第11條：“劇場、體育館、會堂等大跨度、空曠的公共建筑不宜采用純框架結構體系”。長泰文體中心綜合體育館為4層框架結構，為避免形成純框架結構，在建筑四角及樓電梯間等適當位置布置少量剪力墻，形成少墻框架結構體系。剪力墻的設置既加強了結構的整體剛度，增加了結構抗連續倒塌的能力，同時邊角剪力墻的存在，有效的控制了結構的扭轉變形。

結構計算時位移比的控制：由于大空間和斜看臺的存在，結構樓板不連續，此時位移比的計算如果再點取“強制剛性樓板假定”，結構分析嚴重失真，位移比也沒有意義。空曠結構可以通過位移的“詳細輸出”或觀察結構的變形示意圖，來考察結構的扭轉效應。

結構計算采用框架和框剪兩種模型復核，計算結果對比詳(表1)，從計算結果看，兩種計算模型各項計算指標均滿足規范要求。增設剪力墻后，結構的自振周期和層間位移角減少，對結構剛度有明顯提高；結構的扭轉位移比減少，剪力墻的設置控制了結構的扭轉變形。為進一步考察剪力墻的設置對結構大震作用下彈塑性變形的影響，采用pushover軟件分析結構在大震下變形反應。經計算，增設剪力墻后結構在罕遇地震作用下最不利層間位移角由1/220減少為1/258,剪力墻的設置提高了結構在罕遇地震作用下抗倒塌能力。結構在大震作用下彈塑性變形詳見(圖3)。對柱、剪力墻及豎向構件周邊的框架梁按兩種計算結果的大值包絡配筋。

表1 綜合體育館兩種計算模型計算結果對比表

圖3 綜合體育館框剪模型大震作用下彈塑性變形曲線

綜合體育館斜看臺對看臺柱子有一水平推力,由于SATWE程序無法準確模擬看臺梁水平推力對柱的影響,應抽取斜看臺處典型框架用PK程序進行復核,對看臺處梁,柱的配筋應取PK與SATWE程序兩者計算的大值進行包絡。PK計算簡圖詳(圖4)。

圖4 綜合體育館13軸PK計算模型

5 樓板應力分析

因功能需要，文體類建筑常常出現樓板大開洞，導致樓板有效寬度遠小于該層樓板典型寬度的50%，如文化館3層平面X向樓板有效寬度僅17%左右，見圖5陰影區。

為保證結構整體有效地共同工作，對樓板有效寬度小于50%處樓板進行應力分析。計算軟件采用PKPM-PMSAP(2010版)，樓板計算模型采用彈性膜，計算工況采用中震作用，樓板薄弱處板厚取150mm，計算所得的樓板應力圖如(圖6、7)所示。

圖5 文化館3層平面樓板大開洞示意圖

圖6 X向地震工況下3層樓板拉應力等值線

圖7 Y向地震工況下3層樓板壓應力等值線

樓板混凝土強度等級為C30,根據《混凝土結構設計規范》(GB 20010-2010)[3],樓板混凝土抗壓強度設計值fc=14.3 MPa，抗拉強度設計值ft=1.43 MPa。計算所得樓板薄弱處最大壓應力382KPa,即0.382MPa，遠小于樓板的混凝土抗壓強度設計值fc=14.3 MPa。樓板薄弱處最大拉應力190KPa,即0.192MPa，也遠小于混凝土抗拉強度設計值ft=1.43 MPa，故樓板薄弱處抗壓抗拉承載力能夠滿足規范要求。為安全起見，樓板薄弱處板鋼筋雙層雙向拉通。

6 大跨度鋼屋蓋設計

本工程綜合體育館屋蓋采用正放四角錐鋼網架屋面。網架最大跨度為66.3M，網架最大厚度為3.5M。體育館網架結構布置如(圖8)。 網架支承采用壓力平板支座,螺栓球節點。 屋面采用夾芯板屋面。

圖8 綜合體育館鋼網架屋蓋平面布置圖

采用浙江大學MST2011設計軟件進行電算。網架采用空間桁架位移法進行內力計算，節點采用鉸接節點模型，網架計算考慮了屋面的恒荷載和活荷載、下部吊掛、馬道的荷載和風荷載。考慮施工安裝完畢時氣溫與當地常年最高或最低氣溫之差為±15°C。網架采用上弦多點支撐,支座均設在外圍框架柱。分析結果支座的最大反力為680kN，網架最大撓度為L0/364, (L0為網架的計算跨度)滿足規范≤L0/250的要求。

為加強結構的整體剛度，設計中有意加大柱頂圈梁，柱頂圈梁的斷面為400×800mm，這樣能較好發揮結構的整體空間作用，并加強對看臺框架的約束作用。本工程采用PKPM系列的SATWE程序對結構主體進行電算,而目前SATWE程序無法直接輸入鋼結構屋面,若直接按普通鋼筋混凝土屋面帶入計算,將會使計算結果失真,故須對鋼結構屋面進行合理的模擬。本工程采用如下處理：根據等剛度變形協調原則，鋼結構屋面按寬700mm,高1500mm,腹板與翼緣厚度均為150mm的工字鋼鋼梁輸入,于柱位上雙向布置，梁端點鉸接, 以保證鋼梁不參與地震剪力分配。屋面板板厚設置為0,采用彈性樓板假定對結構進行空間整體分析,確保屋面板不傳遞水平地震力;鋼結構屋面支座的反力以節點荷載的形式附加于框架柱。經驗算,這樣的處理既保證了鋼結構屋面不參與地震剪力的分配,又能將屋面的荷載傳遞至主體結構,確保主體建筑的安全。

7 結論

(1)文化體育類建筑應根據使用功能、人員密集程度、規模確定抗震設防類別，并以確定結構的抗震等級；并對抗震薄弱部位適當提高構件的抗震等級。既滿足主體結構抗震設防的要求，又確保關鍵構件的安全度。

(2)超長結構為避免混凝土溫度變化和收縮應力造成樓板開裂，應采取加強施工養護、設置后澆帶、設置板面構造鋼筋，設置屋面誘導縫等綜合措施。

(3)空曠結構不宜采用純框架結構，應在適當位置布置剪力墻，提高結構的抗震能力，并對主要抗側力構件采用框架和框剪兩種計算模型包絡配筋。同時抽取典型框架用PK程序復核，以準確模擬斜看臺、連層柱對主體結構的影響。

(4)對樓板有效寬度不足50%的薄弱部位，應進行中震工況下的樓板應力分析，保證結構整體有效的工作。

(5)對鋼結構屋面應采用鉸接節點模型，使屋面不參與地震剪力的分配，并在主體計算中對鋼屋面進行合理的模擬。加大柱頂圈梁的尺寸，提高結構的整體剛度。

致謝：論文撰寫過程中，得到集團總工程師肖偉教授級高工的悉心指導，在此深表感謝。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]GB 50223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

[3]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

Research on common structural design problems of cultural and sports buildings——"Chang tai cultural and sports center" as an example restrained brace

CHENYuehui

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co, Ltd.,Xiamen 361004)

Because the crowded, complex function, cultural and sports buildings often exist the problems such as super-long structures, open structures, lack of effective width of slab, design of large span steel roof structure, how to determine the seismic fortification category and classes of seismic measure often become the difficulty in structural design. In this paper, taking Chang tai cultural and sports center design as an example, the common problems mentioned above were discussed, the reference for similar engineering design were provided.

Cultural and sports center; Super-long structures; Open structures; Large span steel roof；Classes of seismic measure

陳躍輝(1977.10- )，男，高級工程師，一級注冊結構工程師。

2015-05-18

TU318

A

1004-6135(2015)07-0042-04