晋江戏剧中心结构设计与分析

林　捷

(福建省建筑设计研究院　福建福州　350001)



晋江戏剧中心结构设计与分析

林捷

(福建省建筑设计研究院福建福州350001)

晋江戏剧中心平面功能复杂，存在内部空旷、楼层错层、结构扭转效应较大、局部竖向构件不连续等不规则类型，是多项不规则的结构。设计者运用概念设计理念布置合理的结构方案，对结构关键部位提出相应抗震加强措施，并采用SATWE和MIDAS/GEN软件对结构计算进行对比分析，计算结果判断该工程具有较好的抗震性能。

平面不规则；概念设计；抗震加强措施

1　工程概况

戏剧中心是晋江市重要的公共建筑，是地域文化精神的代表和载体。该建筑风格庄重、简洁、大方，以传统与现代的完美结合，展现了独特的晋江戏剧文化，充分表达了闽南地域传统文化的韵味，成为晋江市一道亮丽的风景线。

戏剧中心总建筑面积为15 369.7m2，主楼建筑物为6层，地下1层，建筑平面呈矩形，屋面建筑高度23.0m，长度、宽度约为75m，高宽比约为0.35，内设独具地方特色的高甲、木偶两个剧场(图1～图3)， 该项目获得2015年度福建省优秀工程勘察设计三等奖。

本工程抗震设防烈度为7°(0.15g)，抗震类别为重点设防类，按高于本地区设防烈度一度加强抗震措施，设计地震分组为第二组，基本风压0.75kN/m2(50年一遇)，风载体型系数为1.35，地面粗糙度为B类。建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，设计使用年限为50年。采用抗震性能较好的框架-剪力墙结构，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。由于上部结构质量与刚度分布不均匀，柱底轴力相差很大，本工程采用桩基础严格控制结构差异沉降量。

图1　鸟瞰图

图2　平面图

图3　剖面图

2　结构设计特点及超限类型

剧院建筑通常由气派的入口门厅、宽敞的观众厅和空旷的舞台构成，这3个区域相邻布置，无法满足教科书上对结构规则性及合理性的要求。结构平面布置不对称且荷载分布不均匀，舞台区域荷载相对较大，整体建筑空旷，结构抗扭刚度偏小，在地震作用下会产生较大的扭转效应。在立面布置方面，结构内部复杂、层高不一、楼层相互错落，很难形成一个完整的楼层，造成结构平面与立面不规则。内部大空间周边的楼板连接薄弱，在地震作用下各部分结构容易相对振动而使连接部位产生震害。

剧院观众厅为大空间结构，横向抗侧移刚度偏小，大跨度屋面要选择合理的结构形式，保证安全性和经济性要求，也要满足各功能空间的净高要求。大跨度粱的支承柱长细比大，是结构的关键构件，需保证框架柱线刚度大于框架梁线刚度的1.1倍。

剧院建筑是人员密集的场所，从结构安全考虑，设置多道抗震防线很有必要。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第10章要求：对于空旷房屋，在前厅与大厅、大厅与舞台的连接处需设置一定数量的抗震墙[1]。因此本工程采用框架-剪力墙结构体系，利用观众厅、主舞台及侧舞台的周边墙体及电梯井、楼梯间等位置设置剪力墙，依靠剪力墙吸收地震力，增强结构的抗扭刚度，增强薄弱部位的连接，弥补楼板缺失的不足，使结构具有较好的整体性。

由于建筑空间和使用功能的特殊性、复杂性，本工程存在以下4个超限类型：

(1)舞台、观众厅及门厅等区域楼板开洞，开洞面积与本层总面积比值约为41%，大于30%的限值，属于楼板不连续；

(2)二、三层观众厅两侧的楼板出现局部错层，错层高度大于梁高度，属于楼板不连续；

(3)高甲剧场舞台的底层为大空间，由于屋顶结构支撑要求，在四层楼面采用局部梁式转换框架，属于竖向构件不连续；

(4)在偶然偏心影响的地震作用下，楼层最大层间位移与平均层间位移的比值为1.38，大于1.2的限值，属于扭转不规则。

3　结构电算的难题

剧院结构体型复杂，与普通结构相比存在一些较难处理的问题。

(1)层间位移比的计算准确性

位移比是在刚性楼板假定下计算的，结构最大水平位移与层间位移通常出现在结构的边角部位，由于剧院结构楼板大开洞，各构件之间没有可靠联系，整体变形协调性差，在结构计算时与全楼刚性假定不符，计算会产生较大的误差，影响结构分析的准确性。因此必须格外注意计算给出的最大扭转位移是否为局部振动产生的，这种情况常出现在局部弱连接的悬挑构件。对此，本设计通过“整体空间振动简图”对主要振型进行逐一细致的分析，从而判断结构真实的扭转效应[2]。

(2)越层柱的计算

由于局部楼板开洞，造成框架柱周边无楼层梁，柱子的几何长度有数层之高，我们称之为越层柱。框架柱的几何长度和计算长度系数对柱配筋影响很大。

通常是按分层建模的方式建标准层，虽然柱在楼层处没楼板，但仍会形成楼层节点。因此必须格外注意：①柱配筋计算时不能用刚性楼板假定；②如有虚梁或仅有一个方向的梁与柱相连时，要人工干预柱的计算长度系数，否则程序不会认作越层考虑，导致无拉结梁一侧的柱计算结果偏小；③在越层处应该按上下楼层取大值配筋并通长设置，也可以用另外一种方式建模，在广义层里通过修改柱底标高，向下延伸形成一个长柱。

(3)计算层的划分不明确

建筑使用功能复杂且楼层之间相互错落，观众厅、剧场的楼层开洞较大，很难形成一个完整的楼层。结构计算时用传统意义上的层划分结构，不能真实地反映结构构件的传力体系，因此对重要的结构部位需采用PK程序进行单榀平面计算复核。本工程取高甲剧场观众厅横向框架进行水平力计算(图4)。

(4)风荷载的计算误差

风荷载作用在外围构件上，由于楼板的缺失不能有效地将水平力传递到内部的抗侧力构件上，而目前的计算软件将风荷载直接施加于各层的质心，会导致外围构件的风载计算值偏小。对于平面形状不规则或立面形状复杂的剧院建筑可通过风洞试验确定风荷载的取值[3]。

图4　单榀框架计算简图

4　结构计算分析

4.1弹性分析

本工程属于重点设防类建筑，结构布置复杂，对计算分析要求应更加的严格。多遇地震作用下的弹性分析，采用了两种不同力学模型的分析软件进行整体计算比较：采用SATWE程序的结果为主要配筋计算依据，利用MIDAS/Gen程序的计算结果做对比，以保证计算分析的可靠性。计算时考虑双向地震作用下的扭转影响，充分考虑高阶振型效应，计算振型数取36，满足有效质量参与系数达到90%的规范要求。配筋计算时对开洞周边的楼板均设为弹性膜，真实计算楼板的平面内刚度，不考虑楼板的平面外刚度，与结构实际的受力状况相符。整体计算指标详见表1。

表1　整体计算指标

计算结果表明，在地震作用下主体结构有较好的承载力与变形能力，两种分析软件的结果在结构动力特性和结构位移等方面均比较接近，以扭转为主振型的周期与以平动为主振型的周期比值小于0.85，说明结构有较好的抗扭刚度。

4.2弹性时程分析

反应谱法是计算地震作用的基本方法，对于不规则的复杂结构，宜采用弹性时程分析法进行补充计算。时程分析的地震加速度最大值为55cm/s2，选取程序地震波库中的天然波TH1TG040、TH4TG040及人工波RH3TG040进行计算，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力值满足抗震规范的要求。计算结果表明：(1)振型曲线符合规律，未见明显的薄弱层；(2)最大层间位移角为1/1280，满足规范要求；(3)从最大楼层剪力图(图5)可以看出，计算模型第5层发生剪力突变，该位置为凸出主结构的舞台屋面，与实际情况吻合；(4)在第3、4层CQC曲线无法包络住时程分析曲线(CQC曲线为粗线示意)，将全楼地震力放大1.05倍。

图5　主方向最大楼层剪力曲线

5　结构关键构件设计

本工程为重点设防类建筑，对于结构关键构件在设计中尤加重视。

5.1观众厅大跨度预应力粱

图6　预应力粱图

木偶剧场及高甲剧场屋面为大跨度结构，屋面高度为16.5m，最大跨度为29m，采用现浇预应力混凝土结构。预应力梁为有粘结部分预应力(混合配筋)梁(图6)，采用C40混凝土浇筑。现场施工为大空间高支模，采取可靠措施保证支撑与模板的强度和稳定性，防止梁变形下挠。预应力束为反向二次抛物线，砼浇注前预应力束固定牢靠，以保证预应力各控制点高度满足设计要求。

5.2错层柱设计

楼座结构与周边楼层不在同一结构标高，由于楼板不连续，会引起构件内力分配及地震作用沿高度分布的复杂化，外围的框架柱多为短柱，延性较差，是结构的薄弱构件，计算模型通常不能准确地反映构件的实际受力情况。因此，本工程将错层部位框架柱的抗震等级提高一级，柱内增设芯柱，柱箍筋全长加密，轴压比宜控制在0.65以内。

5.3台口墙柱、粱的设计

为了实现罕遇地震作用下结构不倒的抗震性能目标，台口墙柱、梁构件设计是工程设计的关键，构件抗震等级提高一级。台口柱长细比大，本工程结合填充墙位置设置了与柱相连的剪力墙，考虑到墙无楼板支承， 在墙的另一端设置边框柱，形成带边框的剪力墙结构，以满足墙身稳定性的要求;台口梁自身跨度大，根据舞台工艺要求需布置大量机械设备，荷载较大，因此，将台口梁做成混凝土梁、型钢梁及桁架结构等形式。

5.4楼板开洞区域的结构构件

观众厅、舞台形成的大空间周边的梁板会产生应力集中的现象。设计时将洞边梁宽度加大以增加其侧向刚度，增大抗扭钢筋，箍筋间距控制在150mm以内；洞口周边楼板按150mm厚度，双层双向配筋，厚板在地震力作用下能调节不同刚度结构间的变形。观众厅及舞台区域与周边框架及附属用房相比结构刚度较小，当采用整体计算时，观众厅及舞台区域的框架分配的地震作用偏小，因此将此部分竖向构件在设计中适当加强[4]。

6　结语

(1)剧院建筑上部荷载分布不均匀，结构刚心与质心偏离较大，对沉降差控制严格，基础设计时宜优先选择桩基础。

(2)剧院结构内部复杂，建议采用框架-剪力墙结构，在观众厅及舞台外围设置剪力墙，可以有效提高结构的整体性，加强薄弱部位的连接，开大洞区域应加强周边的楼板及拉梁。

(3)为避免单一计算软件的局限，宜采用两种不同力学模型的结构软件进行比较分析，除了进行整体计算外，对于观众厅等大空间区域还需单独取出若干榀框架进行平面复核，按两种方法计算的包络结果进行设计。

(4)剧院建筑应注重概念设计，从结构选型、整体指标控制到具体构件设计均包含概念设计的内容。—个合理的抗震设计，很大程度上取决于良好的“概念设计”，依靠合理的结构布置、完善的构造措施可以有效地提高结构的整体抗震性能。

(5)重视非结构件与主体结构的可靠连接，填充墙起围护和隔断作用。由于剧场墙体高度大，应重视填充墙的稳定性问题，提高填充墙抗变形能力，以减少墙体地震破坏造成的经济损失和对人员生命威胁。

(6)剧院建筑在结构设计中需与相关专业及舞台专业厂家配合，在设计过程中应统一协调，加强各专业的交流沟通。

[1]GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2010．

[2]中国建筑科学研究院PKPM工程部.多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件[Z].中国建筑科学研究院,2011.

[3]刘明全，赵剑利，孔江红，等.大剧院结构设计的特点[J].建筑结构，2010．

[4]梁淑萍，莫庸，金建民，等．甘肃省大剧院超限复杂结构抗震设计[J]．建筑结构，2011，41(1):45-49．

Structural design and analysis of Jinjiang Drama Center

LIN Jie

(Fujian Architectural Design and Research Institute , Fuzhou 350001)

Jinjiang theater center plane of complex functions, an internal open, split-level floors, large structural reverse effect, local continuous vertical member is not other irregular type, having a number of irregular structure. To solve the above problems, the present project using the concept of reasonable layout design of the structure of the program, the structure of the key parts of the proposed appropriate seismic strengthening measures adopted SATWE and MIDAS/GEN structural calculation software for comparative analysis of the results from this project has good judgment seismic performance, provide a reference for similar engineering design.

Rregular plane; Conceptual design; Seismic strengthening measures

林捷(1979.4-),男,工程师。

E-mail:20392624@qq.com

2016-06-07

TU3

A

1004-6135(2016)08-0065-04