遵義市大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 玲

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092)

1 工程概況

遵義市大劇院位于貴州省遵義市新蒲新區(qū)，南臨興遵大道，東臨長(zhǎng)征大道。項(xiàng)目用地總面積8.3萬(wàn)m2，總建筑面積4.5萬(wàn)m2，其中地上部分總建筑面積約2.8萬(wàn)m2，地下部分總建筑面積約1.7萬(wàn)m2。建筑效果圖見(jiàn)圖1，建筑屋面及功能分區(qū)圖見(jiàn)圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑屋面及功能分區(qū)圖

本項(xiàng)目由歌劇廳、音樂(lè)廳和戲劇廳組成，其中歌劇廳1 575座，音樂(lè)廳764座，戲劇廳488座(活動(dòng)座席)。三個(gè)廳在地上分為2個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，其中音樂(lè)廳和戲劇廳在地上不設(shè)防震縫，共同組成1個(gè)獨(dú)立單元，與歌劇廳單元之間設(shè)置一道防震縫分開(kāi)。歌劇廳單元地上共5層，結(jié)構(gòu)高度33.5m；音樂(lè)廳和戲劇廳單元結(jié)構(gòu)高度18m，其中音樂(lè)廳地上共3層，戲劇廳地上1層。各單元頂部功能屋面上方均設(shè)有大型鋼結(jié)構(gòu)造型穹頂屋蓋，戲劇廳剖面見(jiàn)圖3，歌劇廳、音樂(lè)廳剖面見(jiàn)圖4。歌劇廳與戲劇廳共用一層地下室(不設(shè)防震縫)，地下室埋深5.5～6.5m，歌劇廳局部臺(tái)倉(cāng)范圍為2層地下室，最大埋深約14m。地下室主要功能為地下車庫(kù)和舞臺(tái)配套功能用房。

圖3 戲劇廳剖面圖

圖4 歌劇廳、音樂(lè)廳剖面圖

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

本項(xiàng)目主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系，局部樓層大跨區(qū)域采用鋼梁組合樓板，舞臺(tái)及觀眾廳屋面采用鋼桁架組合樓板體系，頂部造型穹頂屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，支承于主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)功能屋面上。

2.1 抗側(cè)力體系

由于本項(xiàng)目的內(nèi)部舞臺(tái)及觀眾廳區(qū)域多為大空間，內(nèi)部樓層存在多處大開(kāi)洞等樓面削弱情況[1-2]。綜合考慮到建筑功能、結(jié)構(gòu)高度和跨度、抗震設(shè)防烈度及結(jié)構(gòu)效率等因素，本項(xiàng)目歌劇廳、音樂(lè)廳及戲劇廳的抗側(cè)力體系均采用框架結(jié)構(gòu)體系。因篇幅限制，本文主要以歌劇廳為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行介紹。

歌劇廳2～4層樓面普遍存在樓板大開(kāi)洞現(xiàn)象(圖5～7)，開(kāi)洞面積占比大于本層面積的30%，屬于樓板局部不連續(xù)的平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，且在主舞臺(tái)上方布置有鋼桁架大跨屋蓋結(jié)構(gòu)，故從設(shè)計(jì)上考慮，主舞臺(tái)屋蓋周邊的支承框架柱采用鋼骨混凝土柱(簡(jiǎn)稱SRC柱)，用以保證與屋面鋼桁架的可靠連接?？紤]主舞臺(tái)區(qū)域屋面與5層樓板面標(biāo)高相差5.9m，將屋面鋼桁架與SRC柱設(shè)計(jì)為剛接連接。屋面鋼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(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

圖5 歌劇廳2層結(jié)構(gòu)平面布置

圖6 歌劇廳3層結(jié)構(gòu)平面布置

圖7 歌劇廳4層結(jié)構(gòu)平面布置

音樂(lè)廳平面呈馬鞍形，結(jié)合建筑平面布置特點(diǎn)，在建筑周邊、功能區(qū)周邊布置框架。建筑周邊框架柱為直徑800，900mm的鋼筋混凝土圓柱，框架梁為截面尺寸400×800，400×900的鋼筋混凝土矩形梁；功能區(qū)周邊框架柱為截面尺寸600×600的鋼筋混凝土方柱，框架梁為截面尺寸400×800的鋼筋混凝土矩形梁。

圖8 歌劇廳屋面層結(jié)構(gòu)平面布置

戲劇廳平面呈圓形，內(nèi)部樓板大開(kāi)洞。結(jié)合建筑功能以及平面布置特點(diǎn)，在建筑周邊布置直徑900mm的鋼筋混凝土斜柱；在功能區(qū)周邊布置直徑900mm的鋼筋混凝土圓柱以及截面為900×900的鋼筋混凝土方柱。建筑周邊框架梁為截面尺寸400×900的鋼筋混凝土矩形梁，功能區(qū)周邊框架梁為截面尺寸400×700的鋼筋混凝土矩形梁。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋及幕墻主骨架體系

本項(xiàng)目的屋面立面界限分明，屋面采用金屬材質(zhì)，立面為穿孔鋁板幕墻，營(yíng)造了輕盈通透的建筑觀感。根據(jù)建筑屋頂形態(tài)，結(jié)合下部結(jié)構(gòu)可以提供的支承條件，并綜合考慮各結(jié)構(gòu)體系的適用性，本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)屋蓋(簡(jiǎn)稱鋼屋蓋)均采用單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。三個(gè)廳鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，三個(gè)廳的頂部造型鋼結(jié)構(gòu)三維模型見(jiàn)圖9。三個(gè)鋼屋蓋立面均不直接落地，而是通過(guò)支撐立于或懸掛在主體鋼筋混凝土柱上。除鋼立柱及鋼支撐截面為圓鋼管外，其余主次梁及環(huán)梁截面均為焊接矩形鋼管。

圖9 頂部造型鋼結(jié)構(gòu)三維模型

鋼屋蓋結(jié)構(gòu)參數(shù) 表1

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本工程設(shè)計(jì)使用年限50年，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]，遵義市抗震設(shè)防烈度小于6度(0.05g)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[4]，遵義市抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)?？紤]到本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)不規(guī)則，項(xiàng)目規(guī)模和社會(huì)影響力較大，且投入使用后人員密集，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50233—2008)[5]，工程抗震設(shè)防重要性類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。考慮到本項(xiàng)目的重要性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算按6度考慮，抗震措施提高一度，按7度考慮。歌劇廳框架抗震等級(jí)二級(jí)，音樂(lè)廳、戲劇廳框架抗震等級(jí)三級(jí)，鋼屋蓋抗震等級(jí)四級(jí)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[6]，取50年一遇的基本風(fēng)壓為0.30kN/m2，地面粗糙度為B類。本項(xiàng)目高度未超過(guò)60m，在承載力設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載按基本風(fēng)壓的1.0倍采用，舒適度計(jì)算時(shí)取10年一遇的基本風(fēng)壓0.20 kN/m2。

3.1 結(jié)構(gòu)整體主要分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)整體彈性計(jì)算模型采用YJK軟件，屋面鋼桁架在結(jié)構(gòu)整體彈性分析模型中按實(shí)際情況考慮。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]要求，在驗(yàn)算結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比時(shí)采用剛性樓板假定，其余的結(jié)構(gòu)分析均采用彈性樓板假定，以反映其平面內(nèi)實(shí)際剛度。計(jì)算模型中主要定義了豎向、水平荷載工況。其中豎向荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒荷載及活荷載，水平荷載工況為地震，考慮風(fēng)荷載。對(duì)于多遇水平地震考慮了雙向地震及偶然偏心的影響，結(jié)構(gòu)整體彈性分析的主要結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可得，歌劇廳與音樂(lè)廳、戲劇廳結(jié)構(gòu)計(jì)算整體指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)合理。

3.2 歌劇廳超限情況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以歌劇廳為例，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超限情況分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)整體彈性分析主要結(jié)果 表2

3.2.1 歌劇廳超限情況及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))[7]的相關(guān)規(guī)定，歌劇廳單體存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)及局部不規(guī)則(穿層柱)三項(xiàng)不規(guī)則情況，屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)。

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費(fèi)用以及震后損失等各項(xiàng)因素，制定了歌劇廳的抗震性能目標(biāo)，見(jiàn)表3。并針對(duì)樓板大開(kāi)洞情況，采取增加樓板厚度至150mm、雙層雙向配筋，提高樓板配筋率至0.25%等措施進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)樓板進(jìn)行彈性樓板假定，保證在多遇地震作用下樓板的主拉應(yīng)力不大于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，在設(shè)防烈度地震作用下樓板中鋼筋不屈服。

歌劇廳抗震性能目標(biāo) 表3

3.2.2 歌劇廳大跨樓面設(shè)計(jì)

一般樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面體系，主要為雙向梁板體系。典型梁高為700～1 200mm，典型樓板板厚為150mm。在歌劇廳4層以及屋面層均布置了一定范圍的大跨度鋼梁組合樓面體系，跨度約22.5m，歌劇廳4層以及屋面層結(jié)構(gòu)平面布置圖分別見(jiàn)圖7，8。樓面采用鋼梁+壓型鋼板的結(jié)構(gòu)形式，鋼梁采用實(shí)腹工字形截面平行布置，主框架鋼梁截面為H1 500×600×35×50，平行布置間距約為2.7～3.1m不等。樓面采用150mm厚閉口型壓型鋼板組合樓板。壓型鋼板與鋼梁垂直向布置，跨度不大于3.1m。鋼梁的支座采用鉸接，并采用有效的構(gòu)造措施以保證與混凝土部分的可靠連接。

歌劇廳舞臺(tái)區(qū)域屋面鋼桁架位于主舞臺(tái)正上方，用于承受屋面荷載和桁架下方舞臺(tái)機(jī)械荷載及人員檢修荷載。屋面鋼桁架下掛1層?xùn)彭攲雍?層天橋。舞臺(tái)區(qū)域屋面鋼桁架用雙向平面桁架體系，支承于下部的8根SRC柱上。歌劇廳觀眾廳區(qū)域、音樂(lè)廳以及戲劇廳屋面鋼桁架均采用單向平面桁架體系。兩種體系屋面均采用壓型鋼板鋼筋混凝土組合樓板，見(jiàn)圖10。

圖10 歌劇廳舞臺(tái)區(qū)域屋面鋼桁架樓面體系

3.2.3 歌劇廳懸挑看臺(tái)設(shè)計(jì)

歌劇廳3,4層均設(shè)有懸挑看臺(tái)，懸挑看臺(tái)立面圖見(jiàn)圖11。懸挑看臺(tái)在豎向荷載作用下，單層看臺(tái)的上部梁受拉，下部懸挑梁受壓。上層看臺(tái)梁將荷載傳遞給上層看臺(tái)柱及貫通框架柱，其中上層看臺(tái)柱的荷載需通過(guò)轉(zhuǎn)換梁向下層看臺(tái)柱傳遞。對(duì)于懸挑看臺(tái)這類特殊傳力體系，在常規(guī)分析基礎(chǔ)上，采用了有限元精細(xì)化建模對(duì)單榀框架進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析，梁柱均采用厚殼單元模擬，懸挑板恒載以及活載以節(jié)點(diǎn)荷載形式加在懸挑梁端部，懸挑看臺(tái)應(yīng)力分析結(jié)果以及主要節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖12及表4。從圖12及表4可得，4層上層看臺(tái)梁在荷載作用下主要受拉，最大拉應(yīng)力(節(jié)點(diǎn)A)為8.73MPa，看臺(tái)下層梁受力較小，為一般懸挑梁，支承在后側(cè)框架柱上；3層懸挑看臺(tái)的上層梁除了承擔(dān)3層看臺(tái)自身的荷載外，還需承擔(dān)4層看臺(tái)通過(guò)梁上立柱傳遞的內(nèi)力，故3層看臺(tái)拉梁的受力最大，轉(zhuǎn)換梁處(節(jié)點(diǎn)D)最大拉應(yīng)力達(dá)到12.37MPa。綜上，懸挑看臺(tái)的傳力體系較為合理，但A，B，C，D四個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力均大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，需要通過(guò)加強(qiáng)配筋的措施，來(lái)滿足結(jié)構(gòu)受力，并驗(yàn)算正常使用狀態(tài)下構(gòu)件的裂縫，確保懸挑看臺(tái)受力安全及正常使用。

圖11 懸挑看臺(tái)立面圖

圖12 懸挑看臺(tái)應(yīng)力分析結(jié)果/MPa

懸挑看臺(tái)主要節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果 表4

3.2.4 斜柱及躍層柱設(shè)計(jì)

因建筑功能造型需要以及劇院大空間的特殊性，歌劇院、音樂(lè)廳與戲劇廳均存在躍層柱。歌劇院在草坡局部范圍存在躍層柱。戲劇廳在框架柱外圍存在18根斜柱，斜柱從地下室底板延伸至頂層，傾斜角約為80°。戲劇廳部分斜柱同時(shí)也為單向躍層柱，如圖13所示。

圖13 典型躍層柱示意圖

對(duì)歌劇廳的躍層柱進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，根據(jù)彈性屈曲分析確定躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。采用SAP2000軟件建立結(jié)構(gòu)整體的分析模型，選取典型柱計(jì)算得到躍層柱的繞強(qiáng)軸和繞弱軸屈曲的最低階模態(tài)的屈曲臨界荷載，然后根據(jù)歐拉公式反推算該躍層柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，見(jiàn)表5。彈性屈曲分析得到的躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[8]規(guī)定的框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.0，表明躍層柱不發(fā)生屈曲破壞。躍層柱B計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)最大，繞弱軸和繞強(qiáng)軸的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)分別為0.69和0.53，這是因?yàn)樵撝谥斞貎蓚€(gè)屈曲方向均只有一根框架梁與其連接，柱頂?shù)牧憾思s束作用弱于歌劇廳其他躍層柱。歌劇廳其他躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)介于0.35～0.69之間，說(shuō)明躍層柱的柱端約束介于兩端嵌固與一端嵌固、另一端不能轉(zhuǎn)動(dòng)只能側(cè)移之間，且更接近于兩端嵌固。構(gòu)造上應(yīng)加強(qiáng)躍層柱的抗震構(gòu)造措施，提高躍層柱抗震等級(jí)至一級(jí)，適當(dāng)增加配箍率至1.5%，保證躍層柱的延性并滿足構(gòu)件性能設(shè)計(jì)要求。

3.2.5 歌劇廳屋面鋼桁架設(shè)計(jì)

歌劇廳舞臺(tái)區(qū)域屋面鋼桁架沿屋面框架共布置6道主桁架，主桁架間布置5道次桁架，桁架跨度為22.5m，桁架高度以上下弦中距計(jì)為3.0m。主桁架直接與主結(jié)構(gòu)SRC框架柱剛接，屋面鋼桁架作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的一部分，形成鋼桁架梁-SRC柱抗側(cè)力框架。在屋面鋼桁架上弦與下弦平面設(shè)置屋面水平支撐。屋面采用壓型鋼板鋼筋混凝土組合樓板。

躍層柱彈性屈曲分析結(jié)果 表5

歌劇廳觀眾廳區(qū)域、音樂(lè)廳以及戲劇廳屋面鋼桁架根據(jù)現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，沿屋面鋼桁架間布置3道或4道主桁架。桁架高度以上下弦中距計(jì)為2.70～3.65m，桁架下弦鉸接支承于鋼筋混凝土牛腿柱上。同時(shí)，屋面布置有間距2.4～2.8m的鋼結(jié)構(gòu)次梁，次梁與周圍混凝土梁或鋼桁架連接來(lái)傳遞屋面荷載。屋面采用壓型鋼板鋼筋混凝土組合樓板。

3.2.6 歌劇廳造型鋼屋蓋設(shè)計(jì)

依據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[9]，并根據(jù)歌劇廳造型屋蓋的形態(tài)特點(diǎn)，將整個(gè)屋蓋分為四個(gè)明顯的區(qū)域，見(jiàn)圖14。在下屋面區(qū)域，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)沿徑向和環(huán)向布置。每間隔約6m沿徑向布置一道主梁，每間隔約5m沿環(huán)向布置一道主梁或環(huán)梁，沿徑向的主梁和沿環(huán)向的主梁或環(huán)梁共同構(gòu)成了下屋面區(qū)域的主受力網(wǎng)格。整個(gè)下屋面區(qū)域結(jié)構(gòu)通過(guò)徑向主梁支撐在支座立桿和錐形鋼柱上。同時(shí)，由于在下屋面區(qū)的外環(huán)區(qū)域屋面荷載較其他區(qū)域略大，且此處與立面區(qū)域相連，因此在此處沿徑向增設(shè)了次梁，與立面區(qū)域結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺度相匹配，同時(shí)減小了主梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度，增加結(jié)構(gòu)整體性。歌劇廳鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖15。

圖14 歌劇廳造型鋼屋蓋分區(qū)圖

圖15 歌劇廳鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置

在下屋面區(qū)的外環(huán)區(qū)域與立面區(qū)域的連接區(qū)域，緊貼表皮布置梁上豎桿，間隔約3m，形成了連接區(qū)域類似“梁上立柱”的豎桿結(jié)構(gòu)。整個(gè)連接區(qū)域支承在下屋面區(qū)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上，并為上部的上屋面區(qū)域結(jié)構(gòu)提供具有一定剛度的支撐。

在上屋面區(qū)域，采用正交梁系的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。沿區(qū)域邊緣布置一道環(huán)梁，環(huán)梁支承在連接區(qū)域的豎桿上，為整個(gè)上屋面區(qū)域提供支撐條件。在上屋面區(qū)域內(nèi)部，沿區(qū)域橫向及鋼柱柱頂布置主梁，沿區(qū)域縱向布置次梁，構(gòu)成了上屋面區(qū)域的主承力結(jié)構(gòu)。

在立面區(qū)域，沿豎向布置間隔約5m的立面柱，沿環(huán)向布置間隔約4.5m的立面梁，立面柱和立面梁共同構(gòu)成了立面區(qū)域的正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。整個(gè)立面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上邊緣支承在屋面結(jié)構(gòu)上，中部和下邊緣通過(guò)立面支撐構(gòu)件“掛”在鋼筋混凝土框架柱上，典型立面支撐見(jiàn)圖15(f)。

整個(gè)造型屋蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)若干鋼柱(部分為分叉鋼柱)、支座立桿及立面支撐，支撐在下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，采用V形或錐形小鋼柱可同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能。分叉鋼柱、支座立桿的支點(diǎn)主要集中布置在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)、外圈鋼筋混凝土柱上，具體布置見(jiàn)圖16。歌劇廳造型鋼屋蓋的豎向荷載傳力途徑如下：

圖16 分叉鋼柱及支座立桿支點(diǎn)布置

(1)上屋面區(qū)域：豎向荷載通過(guò)正交的次梁、主梁一部分傳遞至上屋面邊緣環(huán)梁，再通過(guò)屋面豎桿傳遞至下屋面區(qū)域的環(huán)梁、徑向主梁，再傳遞至分叉鋼柱，最后傳遞至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱頂；另一部分豎向荷載通過(guò)正交的主次梁直接傳遞至鋼柱，然后傳遞至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱頂。

(2)上下屋面連接區(qū)域：豎向荷載通過(guò)豎桿小部分傳遞至上屋面邊緣環(huán)梁，然后傳遞至上屋面區(qū)域內(nèi)主梁，再傳遞至鋼柱，最后傳遞至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱頂；大部分豎向荷載經(jīng)豎桿傳遞至下屋面區(qū)域環(huán)梁，再傳遞至徑向主梁，然后通過(guò)分叉鋼柱傳遞至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱頂。

(3)下屋面區(qū)域：豎向荷載通過(guò)次梁、環(huán)向構(gòu)件傳遞至徑向主梁，再分別通過(guò)分叉鋼柱和支座立桿傳遞至鋼筋混凝土柱頂。

(4)立面區(qū)域：立面區(qū)域的立面柱分為兩類，一類通過(guò)立面支撐與鋼筋混凝土柱相連，此處稱為主立面柱，另一類不直接與立面支撐相連，此處稱為次立面柱。在立面區(qū)域一部分豎向荷載經(jīng)立面中部區(qū)域的環(huán)向立面梁傳遞至主立面柱，然后再通過(guò)立面支撐或屋面主梁、支座立桿傳遞至混凝土結(jié)構(gòu)柱；另一部分豎向荷載經(jīng)立面中部區(qū)域的環(huán)向立面梁傳遞至次立面柱，再傳遞至立面上下邊緣的環(huán)向立面梁，最后分別通過(guò)立面支撐或屋面主梁、支座立桿傳遞至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱。

歌劇廳的造型鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置與金屬屋面和立面幕墻結(jié)構(gòu)的劃分互相對(duì)應(yīng)，這造成了部分屋面結(jié)構(gòu)與下部鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)所提供的支承點(diǎn)在平面投影上不對(duì)應(yīng)的情況。考慮此點(diǎn)，將支承鋼屋蓋的鋼柱設(shè)計(jì)成四角錐分叉鋼柱(部分樹(shù)狀柱、部分V形分叉柱)形式，可有效提高鋼屋蓋的雙向抗側(cè)力，增加鋼屋蓋整體的抗側(cè)剛度。分叉鋼柱和沿鋼屋蓋四周布置的支座立桿、立面支撐共同為鋼屋蓋提供雙向抗側(cè)力。

沿鋼屋蓋環(huán)向布置的分叉鋼柱、支座立桿和立面支撐共同構(gòu)成了整個(gè)歌劇廳鋼屋蓋的抗扭體系，有效減小了鋼屋蓋的扭轉(zhuǎn)周期。典型分叉鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖17。

圖17 分叉鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)圖

3.2.7 歌劇廳靜力彈塑性分析

采用PKPM系列結(jié)構(gòu)分析軟件中的PUSH模塊(EPDA)進(jìn)行罕遇地震作用下的靜力彈塑性計(jì)算分析。罕遇地震作用計(jì)算時(shí)采用的水平地震力影響系數(shù)最大值αmax=0.25，特征周期Tg=0.40s，初始彈性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05。從材料本構(gòu)關(guān)系角度，采用塑性鉸來(lái)模擬框架梁和框架柱的彈塑性性質(zhì)。采用彈塑性剪力墻宏單元模擬剪力墻和連梁的彈塑性性質(zhì)。分析結(jié)果表明：1)罕遇地震作用下，歌劇廳X向、Y向最大層間位移角均出現(xiàn)在3層，分別為1/467，1/539，能夠達(dá)到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。與小震彈性下最大層間位移角均出現(xiàn)在2層不同，說(shuō)明歌劇廳在X向大震作用下，塑性分布發(fā)生了樓層間的轉(zhuǎn)移；2)在大震作用下，框架部分僅若干框架梁出現(xiàn)了塑性鉸，框架柱在此時(shí)未出現(xiàn)塑性鉸，柱與梁的節(jié)點(diǎn)基本能保證梁優(yōu)先于柱破壞，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的抗震原則。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目歌劇廳和戲劇廳共用一層整體地下室，地下室總尺寸約為200m×140m。歌劇廳底板板面標(biāo)高主要為-6.100m和-5.500m，因功能需要，局部底板有高差，舞臺(tái)下方臺(tái)倉(cāng)部分地下共3層，底板板面標(biāo)高為-13.400m。戲劇廳底板板面標(biāo)高為-4.800m；臺(tái)倉(cāng)部分地下1層，底板板面標(biāo)高為-8.650m。音樂(lè)廳區(qū)域無(wú)地下室，首層平面總尺寸約為90m×70m。

場(chǎng)地原始地貌為溶蝕緩丘谷地，場(chǎng)地最大高差約10.3m，屬于巖溶中等發(fā)育。除室外大臺(tái)階的基礎(chǔ)持力層為紅黏土外，主體結(jié)構(gòu)地下1層及臺(tái)倉(cāng)區(qū)域基礎(chǔ)持力層均為中風(fēng)化較破碎白云巖，巖石完整程度為破碎～較破碎，地基承載力特征值為2 800kPa。

根據(jù)上部建筑物形式及地質(zhì)條件[10]，設(shè)有地下室的歌劇廳、戲劇廳大部分區(qū)域采用獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板的基礎(chǔ)形式，部分底板未揭露基巖層處采用樁墩基礎(chǔ)代替獨(dú)立基礎(chǔ)，臺(tái)倉(cāng)區(qū)域采用筏板基礎(chǔ)；無(wú)地下室的戲劇廳則采用樁基+拉梁的基礎(chǔ)形式；室外臺(tái)階荷載較小，采用獨(dú)立基礎(chǔ)+拉梁的基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置平面圖見(jiàn)圖18。

圖18 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置平面圖

根據(jù)地質(zhì)條件，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目選用的樁型為大直徑擴(kuò)底人工挖孔灌注樁，柱下采用一柱一樁的布樁形式，樁徑為900～1 200mm，樁端擴(kuò)大頭直徑為1 000～2 200 mm。本項(xiàng)目人工挖孔樁施工時(shí)采用混凝土護(hù)壁，故承載力不考慮樁側(cè)阻力的貢獻(xiàn)，單樁承載力特征值為1 740～10 400kN，樁長(zhǎng)2.5～14.0m。實(shí)際樁長(zhǎng)可根據(jù)開(kāi)挖情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但應(yīng)保證樁身進(jìn)入持力層不少于0.5D(D為樁徑)以及0.5m。人工挖孔樁在施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的降水以及護(hù)壁施工措施，以防止人工挖孔樁護(hù)壁倒塌?；A(chǔ)施工時(shí)，嵌巖部分應(yīng)采用人工開(kāi)鑿，防止爆破施工對(duì)持力層造成二次破壞?？碧綀?bào)告及施工勘探中揭示有溶洞和夾層時(shí)的樁位，施工時(shí)必須穿透溶洞和夾層上方巖層。樁孔開(kāi)挖后，如樁底控制深度小于3～5倍樁底直徑或小于5m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行施工勘察。

5 結(jié)語(yǔ)

劇院建筑因其內(nèi)部功能復(fù)雜，相較一般公共建筑項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑特點(diǎn)及荷載條件選擇合適的抗側(cè)力體系，根據(jù)空間使用功能的不同采用不同的樓面布置體系，在計(jì)算中也應(yīng)采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符的計(jì)算條件與模型。劇院建筑立面造型及屋面形式一般較為奇特。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需結(jié)合造型要求，采用合適的結(jié)構(gòu)體系，如鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)格體系、鋼結(jié)構(gòu)雙層桁架體系等，需特別注意造型屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的特殊連接應(yīng)采用可靠的支座形式。