剧院建筑结构设计要点探析

2020-05-22同济大学建筑设计研究院集团有限公司上海200092

安徽建筑 2020年4期

王玲（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

1 工程概况

某剧院建筑工程总建筑面积约2.74万㎡，地下建筑面积约为1.25万㎡，地上建筑面积约为1.49万㎡，建筑效果图见图1。

本工程地上部分由剧院（主楼）和文史博物馆（辅楼）两个功能独立的单体组成，两个单体之间设置一道防震缝分开，见图2。主楼地上4层，平面尺寸约为70.8m×86.4m，结构主屋面高度为20.5m，舞台局部区域屋面由于功能需要抬升至32.35m，抬升屋面面积占主屋面面积的12.2%。主楼主要功能为舞台、观众厅、观众休息厅以及其他配套用房；辅楼地上2层，结构高度为12.30m，主要功能为展览厅以及配套用房。主楼剧院的剖面图见图3。

主楼和辅楼共用一层整体地下室，平面尺寸约为105m×104m，局部台仓范围为三层地下室，平面尺寸32m×26.8m。地下一层层高为4.8m，台仓部分地下二、三层层高分别为6.2m、4.5m。地下室主要功能为地下车库和配套附属用房，地下车库兼战时人防功能，地下室整体不设缝。

2 结构选型与布置

2.1 抗侧力体系

剧院建筑功能复杂，内部空旷，内部楼层存在多处大开洞等楼面削弱情况[1,2]。本工程结合建筑的内部功能分布，主体结构采用框架—剪力墙体系。

图1 建筑效果图

图2 建筑一层平面图

图3 建筑剖面图

由于本项目内部舞台及观众厅区域为大空间，结构布置空间有限，结合建筑平面布置特点，在舞台及观众厅周边布置框架，典型框架柱尺寸为800×800mm，框架梁尺寸为400×700mm。由于内部空间大开洞、建筑平面布置不规则，为控制整个结构的扭转效应并进一步提高结构的抗侧刚度，在舞台北侧角部及观众厅南侧等位置共设置了7道剪力墙，剪力墙厚度为300～350mm，见图4。

图4 主楼结构平面布置图

在舞台及观众厅大空间上方设置钢桁架屋盖，屋盖的支撑框架柱采用钢骨混凝土柱（简称SRC柱）以保证与屋面钢桁架的可靠连接。屋面桁架与SRC柱为刚接连接，屋面桁架既作为竖向的承重体系，又与支承框架柱组成抗侧力体系，以增强整个结构的抗侧刚度，见图5。

2.2 楼面体系

图5 主楼钢桁架楼盖体系

超限情况汇总

主楼楼面采用现浇混凝土楼盖体系。主要为单向梁板体系，局部重载或大跨度区域采用井字梁。典型梁高为600mm，板厚为150mm。

主楼舞台区域屋面钢桁架位于主舞台正上方，用于承受屋面荷载和桁架下方舞台机械荷载及人员检修荷载。屋面桁架支承于下部升起的8根1200×1200的SRC柱上。

3 超限情况

根据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》（[2014]954号文）对本工程不规则检查，本项目主楼存在扭转不规则、楼板局部不连续、竖向抗侧力构件不连续三项一般不规则情况，属于超限高层建筑结构。

4 上部结构设计要点

本工程设计使用年限50年，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[3]，上海市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅳ类。

综合考虑以下因素：①结构主屋面高度为20.50m，小于24m，局部突出舞台屋面仅占其面积的12.2%；②主楼大礼堂观众厅共有1185座，接近1200人限值，根据《建筑工程抗震设防分类标准》[4]，工程抗震设防重要性类别按重点设防类（乙类）予以提高；③框架部分承受的地震倾覆力矩是结构总地震倾覆力矩的68%（X向）、67%（Y向），故框架部分的抗震等级按框架结构规定采用。根据《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2013）[3]第6.1.3条规定，确定主楼框架与抗震墙的抗震等级均为二级。

4.1 跃层柱设计

因建筑外立面造型需要，主楼在剧院主入口处、前厅外立面幕墙处，二层东西侧露台处存在跃层柱。剧院主入口处、前厅外立面幕墙处跃层柱底部起始于地下室顶板，顶部升至于结构主屋面，总高度约20m，越4层。东西两侧跃层柱起始于2层屋面，升至于结构主屋面，总高度约15m，越3层，见图6。

针对跃层柱，对其进行整体稳定性分析，根据结果合理确定跃层柱计算长度保证跃层柱不发生屈曲破坏。加强跃层柱抗震构造措施：提高跃层柱抗震等级至一级，适当增加配箍率，保证跃层柱的延性，满足性能设计要求。

图6 跃层柱分布情况

4.2 悬挑看台设计

主楼二层设有悬挑6.25m看台，其中主梁悬挑5.05m，梁端挑板1.2m，上部悬挑拉梁尺寸为600x900mm，下部悬挑梁尺寸为600x700mm，悬挑看台结构布置如图8所示。在常规分析基础上，采用Sap2000有限元软件精细化建模对悬挑看台进行详细应力分析，并依据分析结果，对悬挑看台的配筋及裂缝进行验算，确保悬挑看台受力安全及正常使用。

图7 悬挑看台结构布置

4.3 钢桁架楼盖设计

舞台屋面桁架结构布置如图8（a）所示，沿屋面周边及Y向布置三道主桁架，沿X向布置两道次桁架及次梁，主桁架跨度22.3m，高度3.0m，间距4.9m，次桁架跨度19.6m，高度3.0m，封边主桁架直接与下部框柱刚接，屋面桁架作为抗侧力结构的一部分，形成钢桁架梁—SRC柱抗侧力框架。在桁架上弦与下弦平面设置屋面水平支撑。

观众厅区域屋面钢桁架采用单向平面桁架+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柱柱顶，与SRC柱刚接，形成钢桁架梁—SRC柱抗侧力框架。沿Y向布置屋面次梁。观众厅屋面钢桁架体系结构布置平面图如图8（b）所示。

采用SAP2000对屋面钢桁架进行精细的计算分析，保证钢桁架的承载力以及位移满足规范要求。采用整体模型进行抗震分析，充分考虑突出屋面部分的鞭稍效应。与屋面钢桁架连接的框架柱采用型钢混凝土柱，钢桁架与型钢柱刚接，保证屋面钢桁架与主体结构可靠连接。

图8 屋面桁架结构布置图

4.4 其他设计要点

针对本项目的几何特征及不规则性情况，结合建筑功能，在舞台以及观众厅周边布置适当剪力墙，提高结构的抗扭刚度，同时增加外框的强度储备，保证二道抗震防线的设计要求。

其次，由于舞台和观众厅之间区域功能需求，舞台及观众厅区域内楼板大开洞，这样就形成舞台和观众厅区域楼板存在较多不连续和弱连接的情况，属于平面特别不规则结构。据此特点，为保证楼板有效的传递水平力，进行小震、中震作用下的楼板应力分析，并按分析结果对薄弱部位楼板进行配筋加强。

针对转换构件：加强转换构件受力分析，确保转换构件受力安全。加强转换构件的抗震构造措施，提高转换构件抗震等级至一级，严格控制转换柱轴压比，适当提高转换梁柱的配筋及配箍率，箍筋全高加密，从而提高转换构件抗剪、抗弯承载力及延性。在剪力墙两端设置端柱，并在端柱内设置型钢，以增加剪力墙的延性。

加强错层引起的短柱或超短柱的措施：提高其抗震等级至一级，适当增加主筋的配筋率、箍筋全高加密等。对错层处楼板梁采取贯通布置，梁加腋等措施。

5 基础设计要点

本工程的地上主楼和辅楼位于同一整体地下室上，地下室平面尺寸约为105m×104m，主楼平面尺寸为70.8m×86.4m，辅楼平面尺寸为51.5m×29.8m。整体地下室为一层，其中主楼台仓为地下三层，地下一层层高为4.8m，台仓部分地下二、三层层高分别为6.2m、4.5m。因上部为层数不多的框架和框架剪力墙结构，荷载差异较大，综合考虑场地地质条件和场地周边因素，地下室采用钻孔灌注桩+承台+防水板的基础形式，主楼台仓区域采用钻孔灌注桩+筏板基础，局部无地下室部分采用钻孔灌注桩+承台+连系梁基础。

本工程的基础设计存在抗压和抗浮两种工况，根据地勘报告，考虑到本工程地下室局部深度达15.4m，预制桩送桩有一定难度，且综合考虑尽可能减小对周边已建成的校园建筑影响，本工程采用钻孔灌注桩。主楼、辅楼区域布置直径为600mm的钻孔灌注桩，设计桩长为31m，桩端持力层为⑦1-2层砂质粉土，计算单桩抗压承载力设计值为1100kN，；其中主楼台仓区域区域布置直径为600mm的钻孔灌注桩，设计桩长为26m，桩端持力层为⑦2层粉砂，单桩抗拔承载力设计值为800kN。除主楼、辅楼区域外的纯地下室区域，在框架柱下布置直径为600mm的钻孔灌注桩，设计桩长为31m，桩端持力层为⑦1-2层砂质粉土，该部分桩为抗压兼抗拔桩，计算单桩抗压承载力设计值为1100kN，单桩抗拔承载力设计值为750kN[5]。

根据底板受力以及布桩情况，台仓区域底板厚1200mm，其余地下室部分底板厚度为600mm。此外，桩基承台厚度为1200mm～1500mm不等。