華北理工大學(xué)會(huì)堂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

孟范輝，張金海 （天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，天津 300073）

1 工程概況

華北理工大學(xué)新校園選址于唐山灣生態(tài)城北部，唐山港曹妃甸港區(qū)和京唐港區(qū)之間，與曹妃甸工業(yè)區(qū)毗鄰。會(huì)堂位于校園的北島之上，東北西三面為湖水環(huán)繞，是學(xué)校的標(biāo)志性建筑之一。校園總體效果圖如圖1所示。項(xiàng)目總建筑面積11187m2。總座位數(shù)是1411個(gè)。其主要功能為劇場(chǎng)、演出用。結(jié)構(gòu)主體高度23.50m，地上三層。一、二層層高為4.5m，三層層高為5.3m。會(huì)堂效果圖如圖2所示。

圖1 華北理工大學(xué)新校區(qū)總體效果圖

圖2 會(huì)堂全景效果圖

會(huì)堂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，樓層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。屋面采用鋼網(wǎng)架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑功能及效果要求，入口正面幕墻要求通透、傾斜。幕墻龍骨結(jié)合主體鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)采用鋼梁和圓鋼管柱。會(huì)堂正立面效果圖如圖3。建筑平立剖面如圖4，5。

圖4 建筑平面圖

圖5 建筑剖面圖

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，本工程所在場(chǎng)地為Ⅲ類建筑場(chǎng)地。基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)形式，樁徑為500mm，樁長(zhǎng)24m，單樁豎向承載力特征值Ra=1000kN。基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立承臺(tái)，墻下采用條形承臺(tái)，承臺(tái)厚度1.0m～1.5m。

2 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)室內(nèi)地坪±0.000m相對(duì)于國(guó)家85高程4.911m，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)均為丙級(jí)。建筑耐火等級(jí)為二級(jí)。

本地區(qū)抗震設(shè)防基本烈度為7度0.15g，根據(jù)唐山市抗震設(shè)防管理中心出具的《關(guān)于唐山灣生態(tài)城河北聯(lián)合大學(xué)新校園建設(shè)工程的抗震設(shè)防要求審批意見書》（唐抗震審[2014]10號(hào)）文件，（河北聯(lián)合大學(xué)后更名為華北理工大學(xué)），針對(duì)華北理工大學(xué)校園抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照8度0.2g進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，按8度0.2g采取抗震措施和抗震構(gòu)造措施。設(shè)計(jì)地震分組為第二組。根據(jù)建筑使用功能的重要性分類，本工程的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類[1]。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，按照8度0.2g進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，高烈度地震作用下柱底易出現(xiàn)拉力，尤其剪力墻下極易出現(xiàn)拉力。本工程考慮經(jīng)濟(jì)性仍采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，根據(jù)計(jì)算在出現(xiàn)拔力的墻柱下采用管樁灌芯抗拔樁精確布樁，樁拔力分布情況如圖6，陰影范圍為樁出現(xiàn)拔力的分布范圍區(qū)域，管樁管芯長(zhǎng)度和鋼筋計(jì)算參照文獻(xiàn)[2][3]。

圖6 樁拔力范圍分布圖

會(huì)堂通風(fēng)系統(tǒng)采用在看臺(tái)下面靜壓箱設(shè)計(jì)，看臺(tái)下面局部地下室，需采取抗浮措施設(shè)計(jì)采用15m長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力抗拔管樁間距3m正方形均勻布置來抵抗水浮力。

舞臺(tái)表演區(qū)無地下室，對(duì)場(chǎng)地回填土沉降要求相對(duì)嚴(yán)格，為確保回填土質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用240mm厚頁巖實(shí)心磚分倉回填夯實(shí)，分倉尺寸不大于3.5mx3.5m，回填土采用2:8灰土回填，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94，并設(shè)置200mm厚鋼筋混凝土剛性地面，配置雙層雙向通長(zhǎng)鋼筋網(wǎng)片。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

建筑方案效果為橢圓形結(jié)構(gòu)，屋頂為整體鋼網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)典型長(zhǎng)軸總長(zhǎng)度100m左右，短軸總長(zhǎng)度77m左右，結(jié)構(gòu)的特殊性無法使用結(jié)構(gòu)縫斷開，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮溫度影響。

由于會(huì)堂使用功能的特殊性，空間性為主，看臺(tái)，舞臺(tái)等都不在同一結(jié)構(gòu)標(biāo)高，造成結(jié)構(gòu)樓板多處不連續(xù)，層的聯(lián)系性不強(qiáng)。為保證結(jié)構(gòu)的整體剛度，選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主要在樓梯間交通盒處布置剪力墻，保證各連續(xù)樓板局部區(qū)域的剛度均勻，形成多個(gè)筒體，從而達(dá)到增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)剛度。南側(cè)主入口外圍是通透幕墻效果，結(jié)構(gòu)結(jié)合幕墻龍骨設(shè)計(jì)成鋼框架結(jié)構(gòu)，采用型鋼梁、圓鋼管柱。墻柱布置及結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖7～圖10。

圖7 墻柱平面圖

圖8 標(biāo)高4.450處平面圖

圖9 標(biāo)高8.950處平面圖

圖10 標(biāo)高14.300處平面圖

會(huì)堂主入口外圈是14m通高的幕墻，且向外傾斜，傾斜角度為9°。結(jié)合幕墻的通透效果，采用鋼結(jié)構(gòu)斜柱、弧梁與幕墻龍骨結(jié)合一體設(shè)計(jì)，與混凝土主體結(jié)構(gòu)整體建模分析，協(xié)調(diào)受力。分析模型如圖11。

圖11 斜柱、弧梁模型圖

2.3.2 整體結(jié)構(gòu)分析

本工程采用PMSAP和YJK兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)的整體模型如圖12所示。結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算指標(biāo)對(duì)比如表1。

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)對(duì)比 表1

圖12 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

從表1中可以看出，主樓整體結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)程序計(jì)算的主要指標(biāo)是基本吻合的，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[3]要求。

為避免因?yàn)闃菍觽?cè)向剛度的不均勻，可能會(huì)出現(xiàn)“鞭梢效應(yīng)”，影響結(jié)構(gòu)的安全，采用彈性時(shí)程分析法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的抗震性能補(bǔ)充分析。選取1條人工波和2條天然波，時(shí)程曲線選用滿足規(guī)范要求[4][5]。分析結(jié)果取包絡(luò)值。分析結(jié)果見表2。

時(shí)程分析法和CQC法層間剪力分析結(jié)果對(duì)比 表2

由上表可知：時(shí)程分析法的層間剪力均小于CQC法，故反應(yīng)譜分析是安全的。

2.3.3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位分析

本工程多處樓板不連續(xù)，對(duì)于樓板薄弱部位應(yīng)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)時(shí)將樓板定義為彈性板，使計(jì)算模型更加符合樓板平面內(nèi)的實(shí)際受力，通過增加板厚、根據(jù)詳細(xì)分析結(jié)果設(shè)置雙層雙向拉通筋，增強(qiáng)樓板的整體傳力性。樓板的詳細(xì)分析應(yīng)力如圖13。

圖13 樓板應(yīng)力分析圖

二層看臺(tái)挑出跨度為7m，結(jié)構(gòu)利用階梯形看臺(tái)在框架處挑出三角桁架，整體建模計(jì)算，并對(duì)三角桁架單獨(dú)詳細(xì)分析，根據(jù)應(yīng)力分布及詳細(xì)配筋分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的安全性。看臺(tái)的應(yīng)力分析如圖13。從分析圖(a)中知最大恒載下變形為5mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值；圖(b)看出三角桁架下弦梁上部受壓，根部受拉，拉壓應(yīng)力均小于混凝土強(qiáng)度；圖（c）、（d）看出三角桁架上弦斜桿受拉彎，下弦桿受壓彎，上弦桿故應(yīng)全長(zhǎng)配置通筋，且應(yīng)滿足裂縫配筋，看臺(tái)的施工詳圖如圖14。

圖14 看臺(tái)詳細(xì)分析圖

圖15 看臺(tái)施工詳圖

3 結(jié)語

①主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，保證各連續(xù)樓板局部區(qū)域的剛度均勻，形成多個(gè)筒體，從而增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)剛度。

圖16 施工過程中照片

②外圈幕墻通透效果，且向外傾斜，設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)斜柱、弧梁與幕墻龍骨結(jié)合一體設(shè)計(jì)，與混凝土主體結(jié)構(gòu)整體建模分析，協(xié)調(diào)受力。

③對(duì)關(guān)鍵部位樓板和看臺(tái)桁架詳細(xì)分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)安全。