四川復雜劇院建筑的結構設計

甕 文 芳

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

某劇院建筑位于我國四川省某市，為當地某處標志性建筑物之一。建筑外輪廓以弧線為主，線條柔美順暢。建成后作為文化活動中心使用，其中包括1 200座劇院，500座音樂廳，報告廳，多功能活動中心等。總建筑面積20 530 m2，地上建筑面積15 920 m2。該建筑主要由兩部分組成，西側是音樂廳，地上3層，內設音樂廳、報告廳及活動中心；東側是劇院，地下1層，地上2層。音樂廳和劇院主要屋面高度均不大于24 m，為多層建筑(見圖1)。

該建筑地處山區，地勢起伏較大，北側單面臨土，如圖2～圖4所示。土體分布見圖中填充部分，高度約5.4 m。

2 結構方案

該建筑由兩個復雜的劇院類建筑組成，具有劇院建筑的共性特點：體型復雜，內部空曠，大跨度，荷載較大且分布不均勻，樓板缺失嚴重等，這些造成該類結構先天存在質心和剛心偏離較大[1]。除此之外，該建筑地處山區，北側車庫單面臨土，且由于建筑造型需要，東西兩建筑之間的上空局部懸空相連，懸空跨度約10 m～15 m，這些實際情況均需在結構設計中予以考慮。

為解決上述問題，首先對結構進行概念上的處理，以簡化結構的受力狀況，使結構設計先天條件更加合理：1)采用框架—剪力墻結構。利用剪力墻的布置調整結構整體剛度分布，減小偏心距，增強扭轉剛度。2)對于單側土體，擋還是扛，是一個問題。考慮到本建筑內部空曠復雜，已經存在嚴重的剛心質心不重合造成的扭轉，經試算，布置外圈擋土墻會使整體扭轉，對主體結構更加不利。因此，采用獨立式擋土墻將土體與主體結構分離，消除單側土壓力及地震作用下土體對主體結構的不利影響，避免影響主體結構的因素過于復雜。3)連接體部分無建筑功能，荷載較輕。采用由兩側向中間懸挑的方式，將兩個單體分離，互不影響。兩懸挑端部之間的縫隙應選取在中間處合理位置，避免后期防水處理不當影響相鄰建筑的外墻美觀。4)車庫頂板在合理的位置設置抗震縫。通過以上結構概念設計，將本建筑分為音樂廳和劇院兩個互相獨立的單體，可分別建模進行計算。

3 上部結構設計

3.1 基本設計參數

本地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.45 s。水平地震影響系數最大值為0.08。

音樂廳和劇院結構設計基準期為50年，結構設計使用年限為50年。抗震設防類別均為重點設防類，剪力墻抗震等級為二級，底部加強區從基礎至二層，框架抗震等級為三級。地下室部分抗震等級同上部結構。嵌固端位于基礎頂。

結構主體采用鋼筋混凝土材料，對于大跨度屋蓋采用鋼桁架+組合樓板。

3.2 整體結構計算

采用YJK2.0.3進行振型分解反應譜法計算，用SAP2000進行復核。計算結果見表1。

表1 YJK與SAP2000整體計算結果對比

音樂廳和劇院前三階振型見圖5。

經對比，YJK模型和SAP2000計算模型的前三階振型振動模態一致，周期、剪重比和最大層間位移角均較為接近，且均滿足規范要求。因此，整體計算模型是合理可靠的，可以根據其計算結果指導后期設計。

3.3 彈性時程分析

根據音樂廳和劇院布置情況，結合整理模型計算結果，對建筑規則性進行判斷。音樂廳包含兩項不規則：考慮偶然偏心的扭轉位移比為1.33，大于1.2，局部樓板不連續，為一般不規則建筑；劇院包含三項不規則：考慮偶然偏心的扭轉位移比為1.35，大于1.2，局部樓板不連續，且平面凹凸尺寸大于相應邊長30%，為特別不規則建筑。根據抗震規范規定，特別不規則的建筑應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算[2]。采用YJK彈性時程分析模塊對劇院結構進行補充計算。

3.3.1選波

根據抗震規范要求選取7組地震波，其中5組是天然波，2組是人工波。抗震設防烈度為7(0.1g)，時程分析采用加速度時程曲線的最大值為35 cm/s2。時程分析法步長取0.02 s，阻尼比0.05。

經YI軟件初步篩選，每條基底剪力與CQC結果差異35%以內、基底剪力平均值與CQC計算結果差異20%以內，考慮地震波組合在前三階周期的平均反應譜值與規范反應譜值差別在20%以內。從初選的地震波中，進行試算選擇，選出滿足規范要求的地震波組合。所選地震波反應譜見圖6。

3.3.2計算結果比較

多條波按照時程分析法計算所得的剪力平均值與CQC法剪力計算結果見表2,表3。

表2 不同地震波剪力計算結果比較

表3 各層剪力計算結果對比

根據包絡結果，無需對層間剪力進行放大。采用CQC法所得的剪力計算結果是安全的。

4 關鍵部位設計

4.1 大跨度鋼桁架結構屋面

劇院和音樂廳觀眾廳大跨度屋面采用鋼結構桁架形式。劇院觀眾廳采用四榀桁架，在上空形成30 m×36 m的空曠空間。整體指標計算時，可將桁架簡化為梁端與混凝土柱鉸接的鋼梁，模擬其對周邊混凝土結構的影響。桁架端部支座與混凝土柱的連接節點，承受較大的豎向力和水平荷載，是桁架結構設計的關鍵部位。在模型中，設置該處連接為鉸接節點。通過計算，單純的鉸接節點會使屋架下弦對支座腹桿產生很大的推力，造成支座腹桿下端彎矩突增，計算所需支座腹桿尺寸過大。

為解決這個問題，鋼桁架支座腹桿底部支座處設置兩塊鋼板，一塊為調節板，一塊為底板，如圖7節點所示。在屋蓋安裝階段，通過兩塊鋼板之間的摩擦力傳遞水平力。由于摩擦系數較小，可近似等效為滑動。在計算模型中設置滑動形式，釋放支座水平方向的約束進行模擬計算。屋面全部恒載加載完畢之后，將兩塊鋼板之間焊接，摩擦面變為調節板與混凝土之間，摩擦系數增大至0.4，形成鉸接節點。

通過這種連接方式，可以合理釋放屋面恒載對下弦支座腹桿處產生的推力，使支座腹桿受力大大減小，支座腹桿設計尺寸更經濟合理。值得注意的是，在屋架施工安裝過程中，應采取必要的施工措施，保證屋面體系的穩定。

4.2 臺口轉換構件

劇院臺口構件一般可采用大梁轉換、空腹桁架、混凝土桁架等結構形式。結合本工程實際情況，采用轉換梁+斜撐形成桁架實現轉換。通過斜撐和梁上柱，與上部結構形成整體共同受力。這種轉換方式可減小轉換構件的尺寸和配筋，增大安全性。施工中需要求，待上部結構達到拆模強度后方可拆除下層轉換梁的模板，保證實現共同受力(見圖8)。

4.3 二層樓座分析

對混凝土結構，樓座一般采用兩種形式，梁板式與懸挑式。本劇院中樓座懸挑長度約4.85 m，樓座下設有靜壓艙(見圖9)，結合實際情況，劇院樓座中部采用懸挑式，下端靜壓艙梁與樓座斜梁形成三角形結構如圖10所示，斜梁、水平梁尺寸均為400×700。兩側懸挑較大，采用梁板式，次梁以框架主梁和三角形桁架端部的次梁為支點，向外懸挑一跨，懸挑跨度約為次梁跨度的1/3，見圖11。

5 基礎設計

本工程地處山區，原場地起伏較大，經場平回填，場地填土厚度約為6 m～12 m，填土地基無法滿足承載力和沉降控制的需求。因此采用樁基礎，地基設計等級為乙級。填土下為較薄的粉質黏土層，以及大范圍的強風化巖石和中風化巖石。中風化巖石可以作為旋挖成孔的大直徑灌注樁的持力層。場地地下水位較高，抗浮設計水位為室外地坪。由于獨立擋土墻將車庫與外側土體隔離，車庫部分可作為上部結構考慮。抗浮問題僅在舞臺區域存在。樂池底板頂標高-9.5 m，舞臺底板頂標高-8.0 m，后場地下室底板頂標高-4.5 m，通過筏板和樁共同承擔浮力。

6 結論

1)結構設計方案階段，應根據實際條件，在滿足建筑要求的前提下，對結構進行簡化處理，使主體結構受力更明確、簡單。本工程通過設置獨立擋土墻、連接體兩側懸挑和防震縫，將原本十分復雜的連體結構，簡化為兩個獨立的單體。2)通過SAP2000和YJK整體模型計算結果的對比，驗證了所用YJK模型的合理性，其計算結果可作為設計依據。3)對特別不規則的結構，彈性時程分析一定程度反映了結構的薄弱部位，可作為特別不規則結構的補充計算。4)大跨度桁架支座節點可以通過設計和合理的施工次序，釋放恒載產生的對支座腹桿的推力，從而減小截面尺寸。5)深基坑基礎應進行抗浮驗算，在底板中增加樁基，以適當減少底板的厚度和配筋。