通過某禮堂初步設計對“空曠房屋和大跨度屋蓋建筑”的結構設計重點、難點進行探討

趙坤坤

【摘要】體育館、劇場、禮堂等建筑都屬于空曠結構，存在樓板很少、樓板跨越樓層等問題，層概念不清晰，與常規建筑設計有很大不同。本文通過某禮堂的初步設計對其中的重點、難點進行探討。

【關鍵詞】禮堂；空曠結構；結構設計難點

1、引言

隨著近年來國家經濟的發展，人民生活品質的提高，各個地方開始興建如體育館、文化藝術中心等各種大型公建，屬于《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第10章的“空曠房屋和大跨屋蓋建筑”。而此類建筑在結構設計時均與普通樓房有較大的出入，有些常規的概念無法套用，如樓層剛度比、位移比等；以及一些在常規建筑不容易遇到的問題，如存在局部震動、有效質量系數不容易達到90%以上等。本文通過某禮堂初步設計對此類建筑的結構設計重點、難點進行探討。

2、結構布置

某禮堂結構主體平面長度為74.3m、寬度40.6m，總建筑高度23.300m，建筑剖面圖如圖1所示。抗震設防類別為重點設防類（乙類），抗震設防烈度為6度，因此地震作用按6度，抗震措施按7度。地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g，特征周期為0.35s，場地類別Ⅱ類。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第10.1.6條的規定“前廳與大廳、大廳與舞臺連接處的橫墻，應加強側向剛度，設置一定數量的鋼筋混凝土抗震墻”，因此采用現澆鋼筋混凝土框架-抗震墻結構，觀眾廳屋面及二層樓座的大跨度部分框架梁采用后張預應力混凝土結構。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第10.1.2條的規定“大廳、前廳、舞臺之間，不宜設防震縫分開”，且為保證本工程有更好的整體性，因此對本工程的結構主體不做分縫處理。僅將建筑右邊的室外大臺階做為斜撐的不利影響考慮，設置一道變形縫將其與結構主體脫開。并在結構中部設置一道溫度收縮后澆帶以解決結構超長的問題。

圖1：建筑剖面圖

3、設計加強措施

本工程屬于《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第10章的“空曠房屋和大跨屋蓋建筑”，因此應按相關條款采取抗震措施，并采取相應設計加強措施：

（1）前廳與大廳、大廳與舞臺連接處的橫墻，設置一定數量的鋼筋混凝土抗震墻，且抗震墻的抗震等級為二級；

（2）內力分析時采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型，計入樓板的變形影響（彈性樓板定義）；

（3）整體扭轉剛度控制：計算時控制整體扭轉剛度第1、2主要振型（X、Y方向）均以平動為主，且結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不大于0.9；

（4）大廳的鋼筋混凝土柱應按抗震等級為二級的框架柱設計，并對此部分的框架柱按中震彈性的性能要求進行設計。

（5）針對樓板開洞造成的樓板剛度削弱較大，采取樓板加厚為150mm，并雙層雙向配筋且每個方向的配筋率不小于0.25%的加強措施。

（6）對樓板開洞面積較大的樓層和有穿層柱的樓層，計算時指定為薄弱層，采用地震剪力乘以1.25的增大系數，同時加強樓層豎向構件的配筋構造措施。

4、計算出現問題分析及處理

（1）存在局部震動

通過建模計算，發現在計算振型數在18個時的X 方向的有效質量系數才 87.82%，Y 方向的有效質量系數才88.89%，明顯有異與普通建筑的計算結果。通過對結構空間振動簡圖的分析，發現在舞臺兩端的17軸交A、R軸處的框架柱存在局部震動，因為此處的框架柱在11.70米的高度內Y方向均無梁拉結，而截面又僅有600X600mm，明顯剛度過小，是結構的薄弱部位，應給予加強。通過將柱截面由600X600mm加大到600X900mm，并將計算振型數增加到24個后再檢查結構空間振動簡圖，發現消除了此處的局部震動，且X方向有效質量系數達到91.60%，Y方向有效質量系數達到92.67%，滿足了規范要求。

（2）規定水平力作用下的樓層位移比大于1.5

通過建筑的剖面圖我們可以得知，本工程的樓層間均存在重疊，即樓板跨越一個或兩個樓層，或存在大開洞致使有許多的穿層柱，雖然建模時還是一層一層的建模，但是普通的輸出結果已不能通過樓層位移比來放映本工程的扭轉不規則性，所以這類結構應通過觀察結構的變形示意圖及通過位移的“詳細輸出”，來考察結構的扭轉效應。通過觀察結構的變形示意圖，本工程前5個自振周期的振型均以平動為主，直到第6自振周期才以扭轉為主。且周期比0.2773/0.6487=0.427遠小于0.9，由此可見本工程的扭轉效應不明顯。通過位移的“詳細輸出”得知，在X方向地震作用規定水平力下，最大彈性水平位移和層間位移均發生在標高17.000m樓層的18交G軸處的框架柱處（節點號4734），在Y方向地震作用規定水平力下，最大彈性水平位移發生在標高17.000m樓層的18交Q軸處的剪力墻端處（節點號4746），最大層間位移均發生在標高17.000m樓層的18交A軸處的剪力墻端端柱處（節點號4696），具體信息見下表1：

由此可見在規定水平力作用下的位移絕對值與位移角均非常小，即在規定水平力作用下結構不會發生大的位移，結合扭轉效應不明顯的判斷，本結構是安全可靠的。

結 語

空曠結構，如體育館、劇場、禮堂等建筑，這些結構或者柱、墻不在同一標高，或者本層根本沒有樓板，亦或者樓板存在跨越樓層的問題，沒有常規建筑中層的概念。因此在對這類建筑的結構設計時應跳出常規建筑的設計思維，而對結構用整體的概念進行設計。

參考文獻

[1] 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）北京：中國建筑工業出版社.2010

[2] 《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）北京：中國建筑工業出版社.2010