某剧场大跨度屋盖设计研究

周华杰，周钱刚

广东天元建筑设计有限公司，广东 佛山 528000

1 工程概况

某剧场地上3层，地下2层，建筑主体主要为混凝土框架结构。建筑层高分别为（1～3层）6.5m、6.9m、7.3m，地下室层高为5.8m。建筑总体高度约22m，其中第3层装有轻型钢结构，作为顶层外包装造型，顶部有3座小型尖塔，塔顶最高35.5m。

2 大跨度屋盖设计方案比选

该剧院的屋面平面布置图见图1。所研究的对象为35.4m×30.6m大跨度屋盖，均超过18m，而且建筑主体为钢筋混凝土结构，属于规范规定的大跨度结构[1]。

图1 剧院屋面平面布置图

因为该建筑物上有3座轻型尖塔，所以对屋盖的方案进行对比选型，预设方案如下。方案一采用双向平面钢梁，次梁单向布置，钢梁与框架柱铰接。屋盖采用钢筋混凝土楼承板。方案二采用双向钢桁架，次梁单向布置，屋盖采用钢筋混凝土承板，钢桁架与混凝土柱铰接。2种方案的优缺点对比见表1。

表1 2种方案的优缺点对比表

该工程顶部的3座轻型尖塔，内部均采用轻钢龙骨吊顶，具有较重的荷载。由于剧场舞台需要，在屋盖下方需布设舞台设备，应该对剧场屋盖结构的受力进行系统分析。在剧场屋盖的选型上，充分借鉴实验法的设计理念进行设计[2]。逆吊实验法指采取零弯矩结构系统，使结构体的受力简单。相比于方案一，方案二的平面桁架尽管不能达到最小弯矩的标准，但是其传力途径非常清晰，并且材料消耗较少，因此选用方案二的设计理念作为该剧场的大跨度屋盖设计方案。

3 某剧场大跨度屋盖设计

3.1 屋盖大跨度钢结构

经过上述分析，屋盖设计采用方案二即双向平面桁架钢结构。钢桁架结构面内刚度大，能够承受较大的竖向荷载，但其面外刚度和稳定性相对较低，因此在钢桁架下弦布置部分次梁柱，以提高桁架平面外的稳定性，同时为舞台的灯光设备的安装做准备（见图2）。

图2 双向平面桁架上弦布置图（单位：mm）

钢桁架截面尺寸如下：上弦截面尺寸HM440mm×300mm×12mm×16mm，下弦截面尺寸HM350mm×250mm×10mm×16mm，斜腹杆HM300mm×200mm×8mm×12mm，均为Q345B级钢。

3.2 竖向荷载取值

工程荷载选取及计算分析均依据《建筑结构荷载规范》及《建筑抗震设计规范》。该工程需考虑在屋盖下装备多种舞台音响及灯光设备荷载、屋面的装饰荷载、屋顶上的3座轻钢尖塔荷载及施工荷载，剧场屋盖荷载标准值见表2。

表2 剧场屋盖荷载标准值 单位：kN/m2

3.3 其他荷载

该剧场建筑设计的工程抗震烈度为8度，场地类别为二类，特征周期值为0.55s，阻尼比取值为0.04（混凝土体）、0.03（轻型钢）。由于剧场屋盖上装饰有大小不一致的3座尖塔，质量分布的不均匀会在地震的横波作用下将自身的受力依次传到在桁架—混凝土框架柱—支座铰接点，受力均匀且传导途径较为简单[3]。此外，该剧场的设计整体跨度较大，而且没有设缝。建筑结构材料主要为钢筋与混凝土。因为这2种材料的受热膨胀系数不同，考虑到钢材对温度较混凝土敏感，所以采用23℃温差所产生的温度应力分析其影响。

3.4 结构计算

受限于计算方法与工具，对建筑的整体结构计算通常采用以钢筋混凝土结构为主体，对钢结构的大跨度屋盖进行静应力计算分析，缺少对钢筋混凝土支撑结构以及大跨度屋盖结构进行综合分析的运算步骤，所得结果往往与实际的受力情况不符。该剧场的建筑施工设计采用YJK1.9.2进行结构计算，在水平地震情况下对钢筋混凝土与屋盖进行整体运算，并对屋盖结构进行垂直地震情况的二次核验计算。

3.5 整体计算分析

为了对双向平面钢桁架屋盖进行整体精准建模，剧场施工设计采用整体性的空间建模方式，整体运算指标见表3。

表3 整体运算主要指标

剧场的双向钢桁架的钢次梁柱、腹杆以及下弦等承重结构，在小震反应谱下的应力比最大值为0.77，出现的位置在体积最大的顶层尖塔附近，因此在剧场的尖塔施工中应充分考虑这部分的荷载能力，对其荷载能力进行充分放大，以降低安全隐患。

3.6 单独计算结构

对屋盖在竖向地震时的承重工况，垂向地震影响系数=水平地震系数×0.6，同时考虑到±23℃温差所产生的温度效应，按照阻尼比0.04（混凝土体）与0.03（轻型钢）。经过相关运算得出应力最大值为0.75，最大变形为32mm，其内力控制工况为1.35DL+0.98LL+0.7TEM，即恒载控制下的考虑温度荷载的工况。

4 结论

对于建筑中的大跨度屋盖设计，首先在满足基本施工要求的基础上，需确保其应力传导的均匀性以及简洁性原则，尤其是在建筑工况复杂的环境下更需要注意应力传导问题。对于大跨度屋盖建筑施工设计，需考虑到屋面的舞台设备安装与顶层3座轻钢尖塔的荷载承重情况，进而运用相关软件对上部屋盖及下部混凝土结构进行整体研究，以获得最大的成本安全优化。