晉江戲劇中心結構設計與分析

林　捷

(福建省建筑設計研究院　福建福州　350001)

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晉江戲劇中心結構設計與分析

林捷

(福建省建筑設計研究院福建福州350001)

晉江戲劇中心平面功能復雜，存在內部空曠、樓層錯層、結構扭轉效應較大、局部豎向構件不連續等不規則類型，是多項不規則的結構。設計者運用概念設計理念布置合理的結構方案，對結構關鍵部位提出相應抗震加強措施，并采用SATWE和MIDAS/GEN軟件對結構計算進行對比分析，計算結果判斷該工程具有較好的抗震性能。

平面不規則；概念設計；抗震加強措施

1　工程概況

戲劇中心是晉江市重要的公共建筑，是地域文化精神的代表和載體。該建筑風格莊重、簡潔、大方，以傳統與現代的完美結合，展現了獨特的晉江戲劇文化，充分表達了閩南地域傳統文化的韻味，成為晉江市一道亮麗的風景線。

戲劇中心總建筑面積為15 369.7m2，主樓建筑物為6層，地下1層，建筑平面呈矩形，屋面建筑高度23.0m，長度、寬度約為75m，高寬比約為0.35，內設獨具地方特色的高甲、木偶兩個劇場(圖1～圖3)， 該項目獲得2015年度福建省優秀工程勘察設計三等獎。

本工程抗震設防烈度為7°(0.15g)，抗震類別為重點設防類，按高于本地區設防烈度一度加強抗震措施，設計地震分組為第二組，基本風壓0.75kN/m2(50年一遇)，風載體型系數為1.35，地面粗糙度為B類。建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，設計使用年限為50年。采用抗震性能較好的框架-剪力墻結構，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級。由于上部結構質量與剛度分布不均勻，柱底軸力相差很大，本工程采用樁基礎嚴格控制結構差異沉降量。

圖1　鳥瞰圖

圖2　平面圖

圖3　剖面圖

2　結構設計特點及超限類型

劇院建筑通常由氣派的入口門廳、寬敞的觀眾廳和空曠的舞臺構成，這3個區域相鄰布置，無法滿足教科書上對結構規則性及合理性的要求。結構平面布置不對稱且荷載分布不均勻，舞臺區域荷載相對較大，整體建筑空曠，結構抗扭剛度偏小，在地震作用下會產生較大的扭轉效應。在立面布置方面，結構內部復雜、層高不一、樓層相互錯落，很難形成一個完整的樓層，造成結構平面與立面不規則。內部大空間周邊的樓板連接薄弱，在地震作用下各部分結構容易相對振動而使連接部位產生震害。

劇院觀眾廳為大空間結構，橫向抗側移剛度偏小，大跨度屋面要選擇合理的結構形式，保證安全性和經濟性要求，也要滿足各功能空間的凈高要求。大跨度粱的支承柱長細比大，是結構的關鍵構件，需保證框架柱線剛度大于框架梁線剛度的1.1倍。

劇院建筑是人員密集的場所，從結構安全考慮，設置多道抗震防線很有必要。根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第10章要求：對于空曠房屋，在前廳與大廳、大廳與舞臺的連接處需設置一定數量的抗震墻[1]。因此本工程采用框架-剪力墻結構體系，利用觀眾廳、主舞臺及側舞臺的周邊墻體及電梯井、樓梯間等位置設置剪力墻，依靠剪力墻吸收地震力，增強結構的抗扭剛度，增強薄弱部位的連接，彌補樓板缺失的不足，使結構具有較好的整體性。

由于建筑空間和使用功能的特殊性、復雜性，本工程存在以下4個超限類型：

(1)舞臺、觀眾廳及門廳等區域樓板開洞，開洞面積與本層總面積比值約為41%，大于30%的限值，屬于樓板不連續；

(2)二、三層觀眾廳兩側的樓板出現局部錯層，錯層高度大于梁高度，屬于樓板不連續；

(3)高甲劇場舞臺的底層為大空間，由于屋頂結構支撐要求，在四層樓面采用局部梁式轉換框架，屬于豎向構件不連續；

(4)在偶然偏心影響的地震作用下，樓層最大層間位移與平均層間位移的比值為1.38，大于1.2的限值，屬于扭轉不規則。

3　結構電算的難題

劇院結構體型復雜，與普通結構相比存在一些較難處理的問題。

(1)層間位移比的計算準確性

位移比是在剛性樓板假定下計算的，結構最大水平位移與層間位移通常出現在結構的邊角部位，由于劇院結構樓板大開洞，各構件之間沒有可靠聯系，整體變形協調性差，在結構計算時與全樓剛性假定不符，計算會產生較大的誤差，影響結構分析的準確性。因此必須格外注意計算給出的最大扭轉位移是否為局部振動產生的，這種情況常出現在局部弱連接的懸挑構件。對此，本設計通過“整體空間振動簡圖”對主要振型進行逐一細致的分析，從而判斷結構真實的扭轉效應[2]。

(2)越層柱的計算

由于局部樓板開洞，造成框架柱周邊無樓層梁，柱子的幾何長度有數層之高，我們稱之為越層柱。框架柱的幾何長度和計算長度系數對柱配筋影響很大。

通常是按分層建模的方式建標準層，雖然柱在樓層處沒樓板，但仍會形成樓層節點。因此必須格外注意：①柱配筋計算時不能用剛性樓板假定；②如有虛梁或僅有一個方向的梁與柱相連時，要人工干預柱的計算長度系數，否則程序不會認作越層考慮，導致無拉結梁一側的柱計算結果偏小；③在越層處應該按上下樓層取大值配筋并通長設置，也可以用另外一種方式建模，在廣義層里通過修改柱底標高，向下延伸形成一個長柱。

(3)計算層的劃分不明確

建筑使用功能復雜且樓層之間相互錯落，觀眾廳、劇場的樓層開洞較大，很難形成一個完整的樓層。結構計算時用傳統意義上的層劃分結構，不能真實地反映結構構件的傳力體系，因此對重要的結構部位需采用PK程序進行單榀平面計算復核。本工程取高甲劇場觀眾廳橫向框架進行水平力計算(圖4)。

(4)風荷載的計算誤差

風荷載作用在外圍構件上，由于樓板的缺失不能有效地將水平力傳遞到內部的抗側力構件上，而目前的計算軟件將風荷載直接施加于各層的質心，會導致外圍構件的風載計算值偏小。對于平面形狀不規則或立面形狀復雜的劇院建筑可通過風洞試驗確定風荷載的取值[3]。

圖4　單榀框架計算簡圖

4　結構計算分析

4.1彈性分析

本工程屬于重點設防類建筑，結構布置復雜，對計算分析要求應更加的嚴格。多遇地震作用下的彈性分析，采用了兩種不同力學模型的分析軟件進行整體計算比較：采用SATWE程序的結果為主要配筋計算依據，利用MIDAS/Gen程序的計算結果做對比，以保證計算分析的可靠性。計算時考慮雙向地震作用下的扭轉影響，充分考慮高階振型效應，計算振型數取36，滿足有效質量參與系數達到90%的規范要求。配筋計算時對開洞周邊的樓板均設為彈性膜，真實計算樓板的平面內剛度，不考慮樓板的平面外剛度，與結構實際的受力狀況相符。整體計算指標詳見表1。

表1　整體計算指標

計算結果表明，在地震作用下主體結構有較好的承載力與變形能力，兩種分析軟件的結果在結構動力特性和結構位移等方面均比較接近，以扭轉為主振型的周期與以平動為主振型的周期比值小于0.85，說明結構有較好的抗扭剛度。

4.2彈性時程分析

反應譜法是計算地震作用的基本方法，對于不規則的復雜結構，宜采用彈性時程分析法進行補充計算。時程分析的地震加速度最大值為55cm/s2，選取程序地震波庫中的天然波TH1TG040、TH4TG040及人工波RH3TG040進行計算，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力值滿足抗震規范的要求。計算結果表明：(1)振型曲線符合規律，未見明顯的薄弱層；(2)最大層間位移角為1/1280，滿足規范要求；(3)從最大樓層剪力圖(圖5)可以看出，計算模型第5層發生剪力突變，該位置為凸出主結構的舞臺屋面，與實際情況吻合；(4)在第3、4層CQC曲線無法包絡住時程分析曲線(CQC曲線為粗線示意)，將全樓地震力放大1.05倍。

圖5　主方向最大樓層剪力曲線

5　結構關鍵構件設計

本工程為重點設防類建筑，對于結構關鍵構件在設計中尤加重視。

5.1觀眾廳大跨度預應力粱

圖6　預應力粱圖

木偶劇場及高甲劇場屋面為大跨度結構，屋面高度為16.5m，最大跨度為29m，采用現澆預應力混凝土結構。預應力梁為有粘結部分預應力(混合配筋)梁(圖6)，采用C40混凝土澆筑。現場施工為大空間高支模，采取可靠措施保證支撐與模板的強度和穩定性，防止梁變形下撓。預應力束為反向二次拋物線，砼澆注前預應力束固定牢靠，以保證預應力各控制點高度滿足設計要求。

5.2錯層柱設計

樓座結構與周邊樓層不在同一結構標高，由于樓板不連續，會引起構件內力分配及地震作用沿高度分布的復雜化，外圍的框架柱多為短柱，延性較差，是結構的薄弱構件，計算模型通常不能準確地反映構件的實際受力情況。因此，本工程將錯層部位框架柱的抗震等級提高一級，柱內增設芯柱，柱箍筋全長加密，軸壓比宜控制在0.65以內。

5.3臺口墻柱、粱的設計

為了實現罕遇地震作用下結構不倒的抗震性能目標，臺口墻柱、梁構件設計是工程設計的關鍵，構件抗震等級提高一級。臺口柱長細比大，本工程結合填充墻位置設置了與柱相連的剪力墻，考慮到墻無樓板支承， 在墻的另一端設置邊框柱，形成帶邊框的剪力墻結構，以滿足墻身穩定性的要求;臺口梁自身跨度大，根據舞臺工藝要求需布置大量機械設備，荷載較大，因此，將臺口梁做成混凝土梁、型鋼梁及桁架結構等形式。

5.4樓板開洞區域的結構構件

觀眾廳、舞臺形成的大空間周邊的梁板會產生應力集中的現象。設計時將洞邊梁寬度加大以增加其側向剛度，增大抗扭鋼筋，箍筋間距控制在150mm以內；洞口周邊樓板按150mm厚度，雙層雙向配筋，厚板在地震力作用下能調節不同剛度結構間的變形。觀眾廳及舞臺區域與周邊框架及附屬用房相比結構剛度較小，當采用整體計算時，觀眾廳及舞臺區域的框架分配的地震作用偏小，因此將此部分豎向構件在設計中適當加強[4]。

6　結語

(1)劇院建筑上部荷載分布不均勻，結構剛心與質心偏離較大，對沉降差控制嚴格，基礎設計時宜優先選擇樁基礎。

(2)劇院結構內部復雜，建議采用框架-剪力墻結構，在觀眾廳及舞臺外圍設置剪力墻，可以有效提高結構的整體性，加強薄弱部位的連接，開大洞區域應加強周邊的樓板及拉梁。

(3)為避免單一計算軟件的局限，宜采用兩種不同力學模型的結構軟件進行比較分析，除了進行整體計算外，對于觀眾廳等大空間區域還需單獨取出若干榀框架進行平面復核，按兩種方法計算的包絡結果進行設計。

(4)劇院建筑應注重概念設計，從結構選型、整體指標控制到具體構件設計均包含概念設計的內容。—個合理的抗震設計，很大程度上取決于良好的“概念設計”，依靠合理的結構布置、完善的構造措施可以有效地提高結構的整體抗震性能。

(5)重視非結構件與主體結構的可靠連接，填充墻起圍護和隔斷作用。由于劇場墻體高度大，應重視填充墻的穩定性問題，提高填充墻抗變形能力，以減少墻體地震破壞造成的經濟損失和對人員生命威脅。

(6)劇院建筑在結構設計中需與相關專業及舞臺專業廠家配合，在設計過程中應統一協調，加強各專業的交流溝通。

[1]GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京: 中國建筑工業出版社，2010．

[2]中國建筑科學研究院PKPM工程部.多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件[Z].中國建筑科學研究院,2011.

[3]劉明全，趙劍利，孔江紅，等.大劇院結構設計的特點[J].建筑結構，2010．

[4]梁淑萍，莫庸，金建民，等．甘肅省大劇院超限復雜結構抗震設計[J]．建筑結構，2011，41(1):45-49．

Structural design and analysis of Jinjiang Drama Center

LIN Jie

(Fujian Architectural Design and Research Institute , Fuzhou 350001)

Jinjiang theater center plane of complex functions, an internal open, split-level floors, large structural reverse effect, local continuous vertical member is not other irregular type, having a number of irregular structure. To solve the above problems, the present project using the concept of reasonable layout design of the structure of the program, the structure of the key parts of the proposed appropriate seismic strengthening measures adopted SATWE and MIDAS/GEN structural calculation software for comparative analysis of the results from this project has good judgment seismic performance, provide a reference for similar engineering design.

Rregular plane; Conceptual design; Seismic strengthening measures

林捷(1979.4-),男,工程師。

E-mail:20392624@qq.com

2016-06-07

TU3

A

1004-6135(2016)08-0065-04