阿尔及利亚某剧院结构设计

孙素文，尧国皇，刘 波，邝培业，潘世峰，张 凡，梁鹏飞

（1、悉地国际设计顾问（深圳）有限公司 深圳518000；2、深圳信息职业技术学院 深圳518172；3、中建科工集团有限公司 深圳518000）

1 工程概况

某剧院位于阿尔及利亚康斯坦汀市，是当地的标志性建筑之一。项目总建筑面积为38 220 m2，地上4层，地下1 层，建筑总高度为26.7 m，包括3 000 个座位和450 个座位的大、小剧院2 个。本剧院结构下部采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，上部采用钢结构双向平面桁架体系，建筑效果如图1 所示。为了阿拉伯国家的艺术文化节在阿尔及利亚的开展，本项目大量融入了阿拉伯国家的文化元素，特色为菠萝墙的设计，工程实景如图2所示。屋顶采用桁架结构，其最大悬挑达40 m，对于在地震活动较为频繁的地区来说，如此大的悬挑是结构设计中的一大难题。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural Renderings

图2 入口大厅和菠萝墙实景Fig.2 Real Scene of Entrance Hall and Pineapple Wall

本项目基础形式为筏板基础，持力层为深浅白色盖有硬壳的含砾黏土层及一层赭石色黏稠淤泥砂质土层。地基承载力取值为339 kPa，基础埋深为2 m。本项目主要采用阿尔及利亚结构设计标准［1～6］进行结构设计。鉴于当地结构设计标准不完善，因此结构结合欧洲标准［7～9］双重标准共同设计。本项目属于设计、施工及采购为一体的EPC 项目。结构分析软件采用SAP2000 V15.2.1。

2 结构体系的选择

根据文献［2］的抗震设防要求，场地抗震设防震区属于区域Ⅱa 类，属于中等地震频发地区。根据其重要性进行设施分类属于1B 组，建筑物为当地重要设施，归类于国家利益的公共设施或者具有社会文化和某种经济重要性的设施。场地分类种类为S2。

根据文献［2］的技术要求，由于建筑高度超过14 m，对应的结构体系选取为当地规范所规定4a结构体系，即框架—剪力墙结构体系。此结构体系要求在设计时，须证明框架与剪力墙之间的相互作用。剪力墙应承担超过20%垂直负荷所带来的应力。水平荷载与各层之间相互作用产生的地震水平力由框架和剪力墙根据其各自的相对刚性按比例共同承担。框架柱除了承受竖向荷载之外，并要求至少承担地震作用下楼层剪力的25%。

3 结构材料的确定

3.1 混凝土

根据当地的材料以及供货商的材料种类，水泥标号为：CPJ-CEMⅡB。采用的混凝土强度等级为C30/37。阿尔及利亚钢筋混凝土结构设计及计算文献［1］与文献［7］采用圆柱体抗压强度作为评定强度等级的标准，规定φ 150 mm×300 mm 的圆柱体标准试件。本工程的混凝土材料强度及材料分项系数如表1所示。

表1 混凝土（C30）材料强度及参数取值Tab.1 Concrete（C30）Material Strength and Parameter Value（MPa）

由于主体施工时的季节为冬季，采用了冬期施工的措施，为了保证混凝土的凝期，在混凝土搅拌时，使用了新型材料速凝剂。速凝剂掺入混凝土后，能使混凝土在5 min 内初凝，10 min 内终凝，1 h 就可产生强度，1 d强度提高2～3倍，但后期强度会下降，28 d强度约为不掺时的80%～90%。速凝剂的速凝早强作用机理是使水泥中的石膏变成Na2SO4，失去缓凝作用，从而促使C3A 迅速水化，并在溶液中析出其水化产物晶体，使水泥浆迅速凝固。

3.2 钢筋

采用的钢筋等级均按文献［1］规定的种类来进行设计。由于项目的紧迫性，钢筋采用从欧洲进口，使用符合文献［8］要求的S500钢筋。本工程所涉及到钢筋种类标准如表2所示。

3.3 钢材

采用的钢材等级均按符合文献［10］规定的种类来进行设计，钢材材料性能略优于中国所要求的种类。由于阿尔及利亚当地的钢材生产产业不是很发达，所采用的钢材基本从欧洲或者中国进口。本工程所涉及到的钢材种类标准如表2所示。

表2 钢筋、钢材强度取值Tab.2 Reinforcement Material and Steel Strength Value（MPa）

钢材材质采用了符合文献［8］要求的E36型钢材。该钢材弹性模量为2.1×107N/cm2，泊松比0.3，线膨胀系数11×10-6，密度78.5 kN/m3，屈服强度355 MPa。该钢材在欧洲广泛用于大跨度、桥梁、公建项目中。

4 荷载及荷载组合的确定

4.1 恒荷载及活荷载取值

永久荷载考虑由构件自重、建筑面层、天花板、抹灰及固定隔墙等产生。本国活载也采取概率统计模型，房间面积平均荷载来代替等效均布荷载。根据文献［4］，主要根据建筑内区域房间的用途来确定。对于同一房间的多个用途情况下，应考虑最大的使用荷载（A：家庭及住宅活动；B：办公区；C：人员聚集区；D：购物区，然后根据具体功能再继续细分）。此剧院内典型活荷载标准值取值如表3所示。

表3 典型活荷载标准值取值Tab.3 Typical Live Load Standard Values（kN/m2）

4.2 地震荷载取值

地震作用时采用动态分析方法（即：振型分解反应谱法）。计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值取结构自重标准值和各可变荷载组合值之和。可变荷载的组合值系数取值根据文献［2］的规定，此建筑物功能划分为接待公众的公共建筑，活荷载的平衡系数（组合值系数）β=0.3；建筑物的重力荷载代表值取W=WG+0.3WQ；区域加速度（基本地震加速度值）A=0.25 gal；与结构体系和填充墙类型有关的系数CT=0.05；临界阻尼百分比ξ =8.5%；阻尼修正系数η =0.816；结构性能系数R=2.0；静力等效的基本周期T=0.58 s；质量系数Q=1.15；与场地有关的特征周期T1=0.15 s，T2=0.4 s；场地类别为S2。根据文献［2］所得到的反应谱线及计算公式如图3、图4 所示。由于上部屋盖悬挑桁架长度达到45.0 m，设计时增加了竖向荷载的考虑，按静载考虑为FEZ=0.5AWp（Wp为悬挑构件的重力荷载代表值）。

图3 地震作用反应谱线Fig.3 Seismic Response Spectrum

图4 地震作用反应谱计算公式Fig.4 Calculation Formula of Seismic Response Spectrum

4.3 其他荷载取值

根据文献［6］，项目所在地雪区域划分为ZONE A，依据海拔和地区得到地面上的雪荷载，规定Sk=0.62 kN/m2，雪荷载取值为S=μ Sk。屋顶悬挂雪荷载均布考虑。

本项目所在地砂区划分为无砂区，不考虑砂载负重。

根据项目特性，屋顶大跨及悬挑部位均需考虑风荷载作用，项目风区划分为ZONEⅠ，基本风压qref=375 N/m2，地面类型：I类，地面因素：KT=0.17 m；粗糙参数：Z0=0.01 m；最小高度：Zmin=2.0 m，ξ=0.11；平坦地形：Ct（z）=1.0，建筑物动力系数Cd查表取值为：0.88。

温度荷载取值根据文献［1］的规定和要求，项目处于整个阿尔及利亚北部地区。属于温带气候，处于户外的建筑，采用以下温度均匀变化值为：最高温度35 ℃和最低温度-15 ℃，结构合拢温度为20 ℃。

4.4 荷载组合

阿尔及利亚标准的荷载组合较为简单，分为承载力极限状态荷载作用组合（ELU），正常使用状态荷载作用组合（ELS）和偶然荷载作用组合（ELA）。根据项目的复杂性，本项目在设计时，除了考虑文献［1，2］的荷载组合外，还考虑了按文献［7］来进行荷载组合以进行内力计算和承载力复核。文中只列举文献［1，2］的荷载组合取值，如表4 所示。风、雪荷载取值时，本项目也综合了臧传田等人［10］的研究，在项目中对阿尔及利亚标准、欧洲标准及中国标准的特点进行了考虑。

表4 荷载组合分项系数取值Tab.4 Values of Partial Coefficients of Load Combination

5 结构计算分析结果

按照文献［1］的规定，整个建筑物分为13个结构单体，满足相应的温度缝设置要求。下部12个结构单体为框架-剪力墙结构体系，上部结构采用双向平面桁架钢结构体系。结构设计时，通过单体模型及总装模型进行分析和设计，两者取包络进行设计。计算结果表明，设计均满足文献［1～9］的要求。混凝土结构单元及结构整体总装模型如图5、图6所示。结构设计的控制标准及结果如表5所示。

图5 混凝土部分结构单元划分示意图Fig.5 Schematic Diagram of the Division of Some Structural Elements of Concrete

图6 结构总装整体计算分析模型Fig.6 Overall Calculation and Analysis Model of Structural Assembly

表5 结构整体控制指标及结果取值Tab.5 Overall Structure Control Index and Result Value

5.1 混凝土结构部分

结构层间位移满足文献［2］的1%的控制要求，框架柱轴压比满足0.3 的标准；剪力墙轴压比按文献［9］的要求进行控制，其轴压比不得超过0.4；梁剪应力根据ELU 工况进行控制时，均满足τmin=｛0.2fc28/γbMPa，5.0 MPa｝的控制标准；柱子剪应力按文献［2］规定满足τbu=ρdfc28的设计要求；墙体及连梁剪应力满足τb=0.2fc28；构件纵向配筋率均控制在经济配筋率范围（0.8%～1.5%）内；结构单元间预留150 mm 及200 mm，满足抗震缝宽度的计算要求；基础设计选用筏板，地下一层厚度为800 mm，地上舞台部位厚度为400 mm，其余部位厚度为800～1 200 mm。

5.2 钢结构部分

屋盖结构挠度控制为L/250（L为短向跨度），悬挑结构挠度控制为L/125（L 为悬挑长度）；动力特性：屋盖竖向自振频率控制≥1.0 Hz；长细比：屋面弦杆杆件长细比≤120，腹杆长细比≤150；应力：杆件最大组合设计应力不大于0.85fy（f 为钢材设计强度）；稳定：结构整体稳定线弹性极限屈曲荷载系数K≥10；结构整体稳定几何非线性极限屈曲荷载系数K≥5。

6 关键节点的有限元分析

图7 钢结构固定支座Fig.7 Steel Structure Fixed Support

图8 钢结构滑动支座Fig.8 Steel Structure Sliding Bearing

在钢结构支座的位置，采用了双向滑动支座的新型节点。采用国内先进的抗震双向滑动支座，有效地解决上部结构由于温度的收缩、地震的作用给看台的位移影响。采用钢球冠圆板式橡胶支座，具有结构合理、变形小、水平位移量大、承载能力大、转动灵活及有良好缓冲性能的特点。

看台墙高27.7 m，宽8.7 m，悬挑7.4 m，混凝土强度C30。因为其为大悬挑，上部承受偏心荷载，为避免出现安全隐患，应进行更为细致的分析。

为了更好地配合现场施工和与CTC 审图沟通的需要，结构设计时，对以上所述关键节点，包括钢结构固定支座和滑动支座和看台墙进行了实体有限元分析，如图7～图9 所示。按照设计尺寸进行建模，分析时考虑了现场施工工序。有限元分析结果表明，各关键节点均满足设计要求。

图9 看台墙Fig.9 Grandstand Wall

7 结论

本项目为“一路一带”国家的重点项目，综合当地的技术力量、技术条件和项目在该国的重要性，采用阿尔及利亚标准以及欧洲标准双重标准进行结构设计。项目中对各个关键节点和构件进行了精细化设计，并用有限元计算模型进行了校核，满足了阿尔及利亚标准以及欧洲标准的规定。设计过程中，对当地不太接受的做法和技术，和当地权威部门进行了深入的交流，例如后浇带、楼板超长、钢筋的搭接方式、总装计算等，在项目中进行了实施，并取得了优良的效果。本项目体现出的中国设计和施工技术力量，在当地及本国均得到了充分肯定。