淺析劇院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
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摘要：劇院類建筑通常具有造型復雜、大空間、大跨度、大懸挑等特點，故在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上也較為復雜。文章介紹了某劇院建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容，包括工程概況、結(jié)構(gòu)選型與布置、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點以及基礎(chǔ)設(shè)計等，可為類似劇院建筑工程提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的一些設(shè)計要點及方法。
關(guān)鍵詞：劇院；框架剪力墻結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)屋蓋；基礎(chǔ)
1工程概況
某劇院建筑工程總建筑面積約2.74萬㎡，地下建筑面積約為1.25萬㎡，地上建筑面積約為1.49萬㎡，建筑效果圖見圖1。本工程地上部分由劇院（主樓）和文史博物館（輔樓）兩個功能獨立的單體組成，兩個單體之間設(shè)置一道防震縫分開，見圖2。主樓地上4層，平面尺寸約為70.8m×86.4m，結(jié)構(gòu)主屋面高度為20.5m，舞臺局部區(qū)域屋面由于功能需要抬升至32.35m，抬升屋面面積占主屋面面積的12.2%。主樓主要功能為舞臺、觀眾廳、觀眾休息廳以及其他配套用房；輔樓地上2層，結(jié)構(gòu)高度為12.30m，主要功能為展覽廳以及配套用房。主樓劇院的剖面圖見圖3。主樓和輔樓共用一層整體地下室，平面尺寸約為105m×104m，局部臺倉范圍為三層地下室，平面尺寸32m×26.8m。地下一層層高為4.8m，臺倉部分地下二、三層層高分別為6.2m、4.5m。地下室主要功能為地下車庫和配套附屬用房，地下車庫兼戰(zhàn)時人防功能，地下室整體不設(shè)縫。
2結(jié)構(gòu)選型與布置
2.1抗側(cè)力體系
劇院建筑功能復雜，內(nèi)部空曠，內(nèi)部樓層存在多處大開洞等樓面削弱情況[1,2]。本工程結(jié)合建筑的內(nèi)部功能分布，主體結(jié)構(gòu)采用框架—剪力墻體系。由于本項目內(nèi)部舞臺及觀眾廳區(qū)域為大空間，結(jié)構(gòu)布置空間有限，結(jié)合建筑平面布置特點，在舞臺及觀眾廳周邊布置框架，典型框架柱尺寸為800×800mm，框架梁尺寸為400×700mm。由于內(nèi)部空間大開洞、建筑平面布置不規(guī)則，為控制整個結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應并進一步提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，在舞臺北側(cè)角部及觀眾廳南側(cè)等位置共設(shè)置了7道剪力墻，剪力墻厚度為300~350mm，見圖4。在舞臺及觀眾廳大空間上方設(shè)置鋼桁架屋蓋，屋蓋的支撐框架柱采用鋼骨混凝土柱（簡稱SRC柱）以保證與屋面鋼桁架的可靠連接。屋面桁架與SRC柱為剛接連接，屋面桁架既作為豎向的承重體系，又與支承框架柱組成抗側(cè)力體系，以增強整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，見圖5。
2.2樓面體系
主樓樓面采用現(xiàn)澆混凝土樓蓋體系。主要為單向梁板體系，局部重載或大跨度區(qū)域采用井字梁。典型梁高為600mm，板厚為150mm。主樓舞臺區(qū)域屋面鋼桁架位于主舞臺正上方，用于承受屋面荷載和桁架下方舞臺機械荷載及人員檢修荷載。屋面桁架支承于下部升起的8根1200×1200的SRC柱上。
3超限情況
根據(jù)《上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實施細則》（[2014]954號文）對本工程不規(guī)則檢查，本項目主樓存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)三項一般不規(guī)則情況，屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)。
4上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
本工程設(shè)計使用年限50年，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[3]，上海市抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類。綜合考慮以下因素：①結(jié)構(gòu)主屋面高度為20.50m，小于24m，局部突出舞臺屋面僅占其面積的12.2%；②主樓大禮堂觀眾廳共有1185座，接近1200人限值，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》[4]，工程抗震設(shè)防重要性類別按重點設(shè)防類（乙類）予以提高；③框架部分承受的地震傾覆力矩是結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的68%（X向）、67%（Y向），故框架部分的抗震等級按框架結(jié)構(gòu)規(guī)定采用。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》（DGJ08-9-2013）[3]第6.1.3條規(guī)定，確定主樓框架與抗震墻的抗震等級均為二級。4.1躍層柱設(shè)計因建筑外立面造型需要，主樓在劇院主入口處、前廳外立面幕墻處，二層東西側(cè)露臺處存在躍層柱。劇院主入口處、前廳外立面幕墻處躍層柱底部起始于地下室頂板，頂部升至于結(jié)構(gòu)主屋面，總高度約20m，越4層。東西兩側(cè)躍層柱起始于2層屋面，升至于結(jié)構(gòu)主屋面，總高度約15m，越3層，見圖6。針對躍層柱，對其進行整體穩(wěn)定性分析，根據(jù)結(jié)果合理確定躍層柱計算長度保證躍層柱不發(fā)生屈曲破壞。加強躍層柱抗震構(gòu)造措施：提高躍層柱抗震等級至一級，適當增加配箍率，保證躍層柱的延性，滿足性能設(shè)計要求。
4.2懸挑看臺設(shè)計
主樓二層設(shè)有懸挑6.25m看臺，其中主梁懸挑5.05m，梁端挑板1.2m，上部懸挑拉梁尺寸為600x900mm，下部懸挑梁尺寸為600x700mm，懸挑看臺結(jié)構(gòu)布置如圖8所示。在常規(guī)分析基礎(chǔ)上，采用Sap2000有限元軟件精細化建模對懸挑看臺進行詳細應力分析，并依據(jù)分析結(jié)果，對懸挑看臺的配筋及裂縫進行驗算，確保懸挑看臺受力安全及正常使用。
4.3鋼桁架樓蓋設(shè)計
舞臺屋面桁架結(jié)構(gòu)布置如圖8（a）所示，沿屋面周邊及Y向布置三道主桁架，沿X向布置兩道次桁架及次梁，主桁架跨度22.3m，高度3.0m，間距4.9m，次桁架跨度19.6m，高度3.0m，封邊主桁架直接與下部框柱剛接，屋面桁架作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的一部分，形成鋼桁架梁—SRC柱抗側(cè)力框架。在桁架上弦與下弦平面設(shè)置屋面水平支撐。觀眾廳區(qū)域屋面鋼桁架采用單向平面桁架+屋面主次梁布置，沿屋面X向布置三道主桁架，桁架支承于下部SRC柱柱頂，與SRC柱剛接，形成鋼桁架梁—SRC柱抗側(cè)力框架。沿Y向布置屋面次梁。觀眾廳屋面鋼桁架體系結(jié)構(gòu)布置平面圖如圖8（b）所示。采用SAP2000對屋面鋼桁架進行精細的計算分析，保證鋼桁架的承載力以及位移滿足規(guī)范要求。采用整體模型進行抗震分析，充分考慮突出屋面部分的鞭稍效應。與屋面鋼桁架連接的框架柱采用型鋼混凝土柱，鋼桁架與型鋼柱剛接，保證屋面鋼桁架與主體結(jié)構(gòu)可靠連接。
4.4其他設(shè)計要點
針對本項目的幾何特征及不規(guī)則性情況，結(jié)合建筑功能，在舞臺以及觀眾廳周邊布置適當剪力墻，提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，同時增加外框的強度儲備，保證二道抗震防線的設(shè)計要求。其次，由于舞臺和觀眾廳之間區(qū)域功能需求，舞臺及觀眾廳區(qū)域內(nèi)樓板大開洞，這樣就形成舞臺和觀眾廳區(qū)域樓板存在較多不連續(xù)和弱連接的情況，屬于平面特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。據(jù)此特點，為保證樓板有效的傳遞水平力，進行小震、中震作用下的樓板應力分析，并按分析結(jié)果對薄弱部位樓板進行配筋加強。針對轉(zhuǎn)換構(gòu)件：加強轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力分析，確保轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力安全。加強轉(zhuǎn)換構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施，提高轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗震等級至一級，嚴格控制轉(zhuǎn)換柱軸壓比，適當提高轉(zhuǎn)換梁柱的配筋及配箍率，箍筋全高加密，從而提高轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗剪、抗彎承載力及延性。在剪力墻兩端設(shè)置端柱，并在端柱內(nèi)設(shè)置型鋼，以增加剪力墻的延性。加強錯層引起的短柱或超短柱的措施：提高其抗震等級至一級，適當增加主筋的配筋率、箍筋全高加密等。對錯層處樓板梁采取貫通布置，梁加腋等措施。
5基礎(chǔ)設(shè)計要點
本工程的地上主樓和輔樓位于同一整體地下室上，地下室平面尺寸約為105m×104m，主樓平面尺寸為70.8m×86.4m，輔樓平面尺寸為51.5m×29.8m。整體地下室為一層，其中主樓臺倉為地下三層，地下一層層高為4.8m，臺倉部分地下二、三層層高分別為6.2m、4.5m。因上部為層數(shù)不多的框架和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，荷載差異較大，綜合考慮場地地質(zhì)條件和場地周邊因素，地下室采用鉆孔灌注樁+承臺+防水板的基礎(chǔ)形式，主樓臺倉區(qū)域采用鉆孔灌注樁+筏板基礎(chǔ)，局部無地下室部分采用鉆孔灌注樁+承臺+連系梁基礎(chǔ)。本工程的基礎(chǔ)設(shè)計存在抗壓和抗浮兩種工況，根據(jù)地勘報告，考慮到本工程地下室局部深度達15.4m，預制樁送樁有一定難度，且綜合考慮盡可能減小對周邊已建成的校園建筑影響，本工程采用鉆孔灌注樁。主樓、輔樓區(qū)域布置直徑為600mm的鉆孔灌注樁，設(shè)計樁長為31m，樁端持力層為⑦1-2層砂質(zhì)粉土，計算單樁抗壓承載力設(shè)計值為1100kN，；其中主樓臺倉區(qū)域區(qū)域布置直徑為600mm的鉆孔灌注樁，設(shè)計樁長為26m，樁端持力層為⑦2層粉砂，單樁抗拔承載力設(shè)計值為800kN。除主樓、輔樓區(qū)域外的純地下室區(qū)域，在框架柱下布置直徑為600mm的鉆孔灌注樁，設(shè)計樁長為31m，樁端持力層為⑦1-2層砂質(zhì)粉土，該部分樁為抗壓兼抗拔樁，計算單樁抗壓承載力設(shè)計值為1100kN，單樁抗拔承載力設(shè)計值為750kN[5]。根據(jù)底板受力以及布樁情況，臺倉區(qū)域底板厚1200mm，其余地下室部分底板厚度為600mm。此外，樁基承臺厚度為1200mm~1500mm不等。
6結(jié)論
①劇院建筑因其外部造型及內(nèi)部功能復雜，使之在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也較為復雜。建筑內(nèi)部一般存在大空間開洞情況，主體結(jié)構(gòu)形式建議采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。②劇院建筑一般均存在多項結(jié)構(gòu)不規(guī)則甚至抗震超限的情況。針對這些幾何特征及不規(guī)則性情況，從多方面對結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計上進行加強。③本文通過對某劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計的概述，可為其他劇院工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些經(jīng)驗及方法。
參考文獻
[1]朱鳴,戴夫聰,張玉峰,等.哈爾濱大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2013(17):43-51.
[2]劉明全,趙劍利,孔江洪,等.大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點[J].建筑結(jié)構(gòu),2006(5):31-35.
[3]GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.
[4]GB50233-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.
[5]GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.
作者：王玲 單位：同濟大學建筑設(shè)計研究院