神农大剧院结构设计

王 伟

(中国中元国际工程公司，北京 100089)

1 工程概况

神农大剧院项目位于湖南省株洲市，本建筑为甲等剧场建筑，神农大剧院由一个1400座规模大剧场、一个400座规模小剧场及公共区域、后勤辅助用房组成。大剧场、小剧场各自独立，公共区域(共享大厅)为单层高大空间，由钢结构外壳封闭而成，空间关系见图1;大剧场由台仓、舞台、观众厅以及后台用房等组成;舞台包括1个主舞台、2个侧舞台、1个后舞台;观众厅包括两层看台和两层包厢;后台用房包括光控室、追光室、耳光室等;主要平面关系见图2，图3。

图1 神农大剧院剖面图

图2 大剧场平面图（一）

图3 大剧场平面图（二）

2 结构体系选择与布置

本工程建筑外壳、大剧场及小剧场+6.000 m标高以上相互独立，+6.000 m标高以下为钢筋混凝土框架—剪力墙结构。大剧场内部为一相对封闭空间，考虑隔声要求、舞台机械连接要求、高低错落的楼板搭设要求及大跨度屋面梁对支座的要求，周圈采用钢筋混凝土墙体，而大剧场内部要求为大空间，采用框架结构便于建筑功能的实现;小剧场采用钢筋混凝土剪力墙结构。结合建筑蜗牛壳造型的特点，建筑外壳主体结构采用空间钢桁架结构体系，由控制基点沿径向旋转布置变高度的径向桁架，根据建筑分格沿环向布置一定数量的环向桁架，形成空间结构体系，建筑外壳主体结构在柱脚处与下部混凝土柱连接。

本工程主要是采用现浇混凝土梁板结构体系，大剧场屋顶为18 m～34 m的大跨度空间，采用钢梁加组合楼板的结构体系。

3 基本参数及结构计算模型

本工程设计使用年限为50年，结构耐久性为100年，结构安全等级为一级，乙类建筑，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压0.40 kN/m2，基本雪压0.70 kN/m2;根据当地气象观测资料，控制合龙温度在15℃～25℃之间，冬季室内温度不低于0℃，温度效应考虑升温25℃及降温25℃，温度效应组合值系数取0.6。

为了系统的分析钢结构与混凝土结构的相互影响，建立了混凝土结构计算模型、钢结构计算模型和结构整体模型。混凝土结构采用了通用结构分析与设计软件SAP2000 V14和PKPM分别进行计算;钢结构采用通用结构分析与设计软件SAP2000 V14进行结构的分析计算，并采用通用结构分析软件ANSYS12.0进行了计算校核和整体稳定分析。

整体结构采用通用结构分析与设计软件SAP2000 V14进行计算，建模时梁柱采用框架单元进行模拟，墙和楼板采用壳单元进行模拟。

4 下部混凝土结构与上部钢结构相互影响

通过混凝土结构、钢结构外壳单独模型和混凝土结构与钢结构外壳整体模型进行分析，得出如下结论:

1)温度作用下，由于钢结构与混凝土结构的刚心位置不同，上部钢结构与下部混凝土结构将发生相对差异变形，构件及节点处产生了较大的局部温度应力。

2)采用整体模型计算，与钢结构支座柱子相连处第一跨的混凝土梁板应力增加较多，钢柱的支座反力较上部钢结构单独计算时变小，上部钢结构杆件应力增加。

3)采用整体模型计算，钢结构的地震作用响应较单体结构时增加较明显，吸收水平力较多的杆件(如支撑、系杆等)应力水平提高较多。

4)采用整体模型计算上部钢结构的振动形态与单独的钢结构分析模型的振动形态十分吻合，下部混凝土结构的振动形态及周期与单独分析也基本一致。

5 下部混凝土部分计算结果

本工程抗震设防烈度为6度，下部混凝土部分被钢结构外壳笼罩，因此水平位移较小，可以忽略不计，以竖向变形为主，主要计算结果见表1。

6 主要构件设计

6.1 基础及台仓外墙

6.1.1 基础

本工程基底标高变化较大，采用了多种基础形式。大剧院观众厅、小剧场、公共空间以及后勤用房部分均只有一层地下室，基础底部土层变化较大，此部分基础采用人工挖孔灌注桩，一柱一桩，桩径1000 m，桩长约为6 m～15 m，桩端持力层为④层中风化泥质粉砂岩，桩端阻力特征值为3500 MPa;承台之间设置连系梁，连系梁截面400×800，防水板300 mm。大剧场台仓底部(－13.80 m标高)完全处于中风化泥质粉砂岩上，天然地基承载力特征值800 kPa，地基基础采用墙下条形基础、柱下独立基础加防水板的形式;大剧院后舞台底部(－2.35 m)和侧舞台底部(0.25 m)位置只有局部范围处于强风化泥质粉砂岩上，其余均处在中风化泥质粉砂岩上，故此位置地基基础仍然采用墙下条形基础加防水板的形式，局部处于强风化泥质粉砂岩部位，挖除掉此层至中风化层，并采用素混凝土填至设计标高。本项目抗浮设计水位标高 －1 m，大剧场基础处于 －13.80 m，－8.00 m，－3.50 m，－2.35 m标高的基础自重不能满足抗浮要求，－13.80 m，－8.00 m，－3.50 m处基础底板采用抗浮锚杆，－2.35 m标高基础底板通过增加基础底板厚度方式平衡浮力。

表1 主要计算结果

6.1.2 台仓外墙

大剧场台仓外墙挡土高度近13 m，而受舞台机械要求，13 m高度内只有与其垂直的梁作为支撑点，台仓平面剖面见图4，如果靠外墙自身抵挡水土压力，外墙厚需1 m，过厚的外墙将产生较大的温度应力，加大了外墙开裂漏水的可能性，因此本项目采用了永久性支护挡墙平衡水土压力，外墙厚度500 mm，并将支护挡墙的变形作为外墙的变形计算其内力，KL1按竖向及水平向受力计算配筋。

图4 台仓平面图

6.2 看台及包厢设计

大剧场有两层看台，两层包厢，通过框架结构加局部转换实现其搭建。首层看台框架梁最大跨度10 m，选用400×800截面;框架柱截面600×600，看台与基础底板之间距离随看台坡度变化，较低处形成短柱，短柱进行全高加密;看台楼板上在每个座位下有通风孔，而看台座位沿圆弧形布置，因此要求孔洞必须预留，不得后开，否则板钢筋将大量被截断。二层看台低端悬挑梁加悬挑板总悬挑长度4.5 m，且低端与下层静压箱间相交于一根封边梁，如图5，图6所示。

图5 二层看台平面图

图6 KL1（1A）与 KL2（1A）剖面图

KL1(1A)与KL2(1A)相交于一点，通过SAP 2000软件可以较真实的模拟其受力状况，KL1(1A)悬挑端处于受拉状态，而KL2(1A)悬挑端则处于受压状态，由于KL1(1A)与KL2(1A)之间的三角形区域较难施工，将KL1(1A)与KL2(1A)的悬挑端合并，并仅在合并后的梁顶部及底部配置纵向受力钢筋。

包厢与包厢之间、包厢与看台之间，以及包厢与楼梯之间，空间关系复杂，必须通过放样及建模的方式，确定梁高及梁标高。

6.3 屋面设计

跨度34 m屋面采用H2000×550×14×34钢梁，如图7所示，跨度24 m屋面采用H1200×450×14×32钢梁，跨度18 m屋面采用H1200×350×14×24钢梁，钢梁间距均为3 m，所有大跨度钢梁腹板均设置圆洞，梁端截面高度渐变至1 m高，钢梁与混凝土墙铰接，为保证钢梁施工时稳定性，梁顶垂直主梁方向设置H400×200×8×12次梁，间距6 m。屋面板采用组合楼板，压型钢板采用闭口槽形镀铝锌压型钢板，并且要考虑声学要求，混凝土板厚150 mm。

图7 钢梁侧立面

7 结语

1)剧院类建筑结构选型，除考虑受力要求外，尚应考虑看台、包厢、舞台机械搭建的便利性及隔声要求。

2)剧院类建筑，空间关系复杂，且有大量长悬挑及大跨度构件，应采用多种计算软件进行分析。

3)整体分析能够得到上下部结构在荷载、温度、地震等等各种作用下较合理可靠的效应。实际工程设计时分别进行下部混凝土结构和上部钢结构分析后，再进行整体分析，才能得出一个比较真实的分析模型以及合理的计算结果，对结构安全提供有力保证。

4)受舞台机械的制约，地下室外墙通高无侧向支撑，为避免地下室外墙过厚而导致开裂，可采用永久支护平衡水土压力，外墙仅承受永久支护变形所传来的力。

［1］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［2］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［3］GB 50009-2001，建筑结构荷载规范［S］.

［4］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［5］JGJ 7-2010，空间网格结构技术规范［S］.