螺旋递升式大空间钢-混凝土混合结构体系创新及设计

2023-11-25王震许翔瞿浩川杨学林

结构工程师 2023年5期

王震许翔瞿浩川杨学林

（1.浙大城市学院土木工程系，杭州 310015； 2.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006；3.中建三局第一建设工程有限责任公司，武汉 430040）

0 引言

现代剧院结构多具有特殊建筑造型［1-4］，其平面功能及立面造型均较为复杂，结构抗震受力不利，对结构体系的设计创新和抗震构造加强措施均提出了更高的要求［5-6］。

杭州运河中央公园二期项目位于杭州市拱墅区严家桥路的南侧，总建筑面积8.97万m2，主要建筑功能为地上4层剧院及辅助用房、地下2层（含2个夹层）停车库。地上主楼为4层的运河大剧院，作为杭州市拱墅区十大文化项目之一，运河大剧院采用中式风格，融入运河文化元素；地上主楼的主屋面结构高度为22.9 m，属于多层建筑；本项目采用螺旋递升式大空间混合结构体系设计，主体结构形式为框架-剪力墙，局部大空间设置大跨度、大悬挑钢桁架；地上主楼的建筑面积约1.94万m2，平面尺寸约170 m×120 m，包含一个1 200座的主剧场（池座864人、楼座336人），层高分别为5.7 m、6.3 m、5.2 m、5.7 m，局部主舞台屋顶高度31.4 m。该项目已于2020年竣工，地上主楼的现场实景如图1所示。该项目的建筑方案设计由新加坡盛邦国际咨询有限公司完成。

图1 现场实景图Fig.1 Photos of the scene

本文基于运河大剧院工程实际项目，对该项目的结构设计、分析及施工上存在的难点及创新点等进行系统性的研究。首先对其螺旋递升式大空间混合整体结构体系进行设计和分析，获得整体性能控制指标，提出抗震构造措施；进而对该项目中的竖向长悬挑屋顶幕墙支撑结构、内嵌正交向小桁架的多层通高悬挑大空间结构进行体系创新和应用研发。该研究可为该类结构的体系创新、结构设计和性能分析提供依据和参考。

1 设计参数及荷载

本项目主体结构的设计基准期和使用年限均为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为Ⅰ组，场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类）。

1.1 风荷载和雪荷载

采用《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）［7］（简称荷规）提供的风荷载进行结构设计。当进行结构承载力验算时，基本风压w0按50年一遇标准取为0.45 kN/m2；当进行舒适度计算时，风压标准值取为0.30 kN/m2；风压高度变化系数根据B类地面粗糙度采用，风荷载体型系数取为1.4。

本工程有对雪荷载敏感的大跨、轻质屋盖结构，基本雪压w1按100年一遇标准取为0.50 kN/m2进行计算。

1.2 地震作用

采用《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］（简称抗规）提供的小震反应谱进行结构设计，最大水平地震影响系数取0.08，特征周期取0.45 s，阻尼比取0.05。由于存在大跨度桁架结构和屋顶竖向长悬挑桁架结构，计算时考虑竖向地震作用。

1.3 荷载工况组合

采用施工模拟三进行加载，桁架层调整为同时加载；荷载类型包括恒荷载、活荷载、风荷载（雪荷载）、水平地震和竖向地震共同组成荷载工况，按荷规相关规定进行工况选取。

2 螺旋递升式大空间混合结构体系

2.1 体系概况

运河大剧院项目地上外部建筑造型为一螺旋上升式的草坪坡道，坡道上端部为一大悬挑大空间的功能区域，顶部外围至内侧覆盖数圈高度较大的穿孔铝板幕墙，建筑内部存在多处舞台、观众厅等大空间功能区域。为适应建筑功能及幕墙造型的特殊需要，结构形式设计上必然存在较多的不规则结构，结构整体性能及指标控制、细部节点构造、连接及受力性能等均与常规结构不同，需要做特殊的设计分析和加强措施，以保证结构安全可靠。

2.2 结构选型

该项目为多层建筑，整体抗侧力体系采用“螺旋递升式现浇混凝土框剪+局部钢结构”的混合结构体系，其中大跨度屋盖区域、大悬挑功能区域以及屋顶幕墙支承区域均采用适应性较好的钢桁架结构形式。楼盖体系为主次梁楼盖结构。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》［1］规定，为重点设防类（乙类）。即按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施。本工程位于7度区，故地震作用计算按7度抗震计算，抗震构造措施按8度要求加强。即抗震等级：框架为二级，剪力墙为一级，钢框架为三级，屋顶桁架支撑柱框架为一级。

2.3 结构模型

该结构体系主要由中部主体部分、螺旋式大坡道、螺旋式小坡道、大跨度屋盖、长悬挑多层通高大空间和屋顶幕墙支撑竖向桁架部分等组成，三维结构模型如图2所示。该结构体系复杂，具有大跨、错层、长悬挑、重荷载（绿化屋面）及结构内部大空间等特点，各竖向构件间无可靠联系，不能较好协调工作，应加强概念设计及构造措施。

图2 三维结构模型图Fig.2 3D structural model diagram

典型结构平面布置如图3所示。根据规范要求，剧院公共建筑需设置一定数量的剪力墙，考虑增设在观众厅、舞台和后台等位置；大坡道悬挑段的楼梯周边设置多个小核心筒，以加强整体结构抗侧刚度；中心主舞台区域采用周圈混凝土多层桁架抬柱形式，加强整体结构刚度（图4），同时保证一层的大空间建筑功能。该项目主体结构钢材为Q355B，柱墙混凝土为C40，梁板混凝土为C35。

图3 典型结构平面图Fig.3 Typical structure plan

图4 中间区域多层混凝土桁架Fig.4 Multi-layer concrete truss in the middle region

2.4 结构构造措施

2.4.1 楼板大开洞

根据规范要求，在观众厅、舞台、后台大开洞口边界增设一些剪力墙，以加强侧向刚度；加大洞口周围楼板的刚度及配筋，同时加大部分边梁截面尺寸，加强洞口边混凝土柱箍筋，通过全高加密等措施加强薄弱部位，提高建筑物的结构整体刚度。

2.4.2 局部大悬挑

螺旋大坡道悬挑端的文创工作室最大悬挑长度12 m，悬挑主受力结构采用跃层的巨型钢桁架，横向楼面和屋面采用桁架和钢梁为次受力部分，通过型钢混凝土柱传力至地面，在满足大空间功能的同时大大降低了结构自身重量。两者结合形成稳定的受力体系；螺旋坡道端部悬挑钢桁架结构做法如图5所示。悬挑大空间区域悬挑长度13 m，两层桁架通高高度10.365 m，采用米字形双层桁架形式，桁架主梁高度700 mm，斜撑高度400 mm，采用箱形截面，桁架延伸进非悬挑区一跨进行加强；正交向楼面为箱形截面大跨度钢梁，最大跨度33.2 m，屋顶由于有覆土荷载作用设置为H型截面构件组成的小桁架，桁架高度1.5 m。

图5 螺旋坡道端部悬挑钢桁架Fig.5 Cantilevered steel truss at the end of spiral ramp

2.4.3 螺旋上升绿化坡道

由于立面造型需要，剧院两侧屋面呈螺旋上升状，与主结构形成了错层；在错层处加大柱子截面，在计算基础上加强框架柱箍筋配置，提高其抗剪承载力，根据需要，在局部设置梁板加腋等加强措施。并在计算中采用弹性楼板进行复核，保证结构设计满足受力要求；坡道梁和楼面梁交汇处理做法如图6所示，交汇区箍筋合并，并做好纵筋锚固搭接连接。

图6 坡道梁和楼面梁交汇Fig.6 Intersection of ramp beam and floor beam

2.4.4 屋盖大跨度

舞台、观众厅等上空净高要求较高，舞台顶屋面突出主屋面，为了形成稳定的支撑体系，采用平面桁架结构形式，建立稳定的屋面系统；大跨度屋盖钢桁架做法如图7所示。观众厅区域桁架最大跨度33.6 m，桁架高度为2.2 m、2.4 m，桁架主梁高度550 mm、600 mm，采用箱形截面；舞台区域桁架为顶部2%结构找坡，最大跨度21.8 m，由于舞台处设备承载重，桁架高度2.4～2.733 m，桁架主梁高度550 mm，采用箱形截面。

图7 大跨度屋盖钢桁架结构Fig.7 Large span roof steel truss structure

2.4.5 屋顶幕墙支撑钢桁架

屋顶幕墙支撑采用多圈螺旋递升式竖向长悬挑桁架，桁架形式为梯形平面管桁架，单榀桁架最高为17 m，超过10 m竖向桁架中部设置一道侧向钢梁，支撑在主舞台屋顶结构上，做法如图8（a）所示；桁架主管、支管均采用圆钢管，主管截面φ203×12，支管截面φ102×7，桁架底部宽度1 000 mm，采用变截面形式，桁架宽度最大1 400 mm，最宽处的高度随幕墙造型而变化。桁架底部支座采用刚性支座连接，包括与钢梁连接的刚性节点、与混凝土梁连接的刚性节点，做法如图8（b）、（c）所示。采用柱底周圈加劲肋的做法以保证刚性支座稳固，前者支承钢梁设置横向加劲肋加强，后者锚杆直径d=18 mm，锚固长度25d。

图8 幕墙支撑竖向长悬挑桁架结构Fig.8 Curtain wall supported vertical long cantilevered truss structure

3 整体性能分析

3.1 结构分析参数

分别采用PKPM和YJK进行结构分析和对照比较，结构分析参数如下：

（1）抗震计算时考虑平扭耦连计算结构的扭转效应，振型组合为CQC法；

（2）竖向荷载采用模拟施工加荷计算方式；

（3）所有楼板采用弹性楼板（膜单元），反映其平面内实际刚度（验算位移比时采用刚性楼板假设）。主体结构以地下室顶板作为嵌固端。

3.2 整体指标控制

结构模型的整体计算指标见表1，各项计算结果指标均控制在现行规范容许范围之内，构件基本无超配筋现象。结构构件设计时柱墙截面验算（含轴压比、最大配筋率等）满足规范所对应的限值要求，楼面梁截面验算（含最大配筋率、受压区高度、抗剪强度等）满足规范所对应的限值要求；钢构件满足强度刚度以及稳定性的要求。其中侧向刚度比、楼层位移比和剪重比变化曲线如图9所示。侧向刚度比均满足最小限值1.0要求，其中主屋面层（4层）由于存在多处大空间桁架屋盖区域，刚度相对下一层要大得多；楼层位移比均满足最小限值1.2要求；剪重比均满足最小限值0.16要求；因而结构竖向布置性能指标较好。

表1 结构模型整体性能指标Table 1 Overall performance indexs of the structural model

图9 整体性能指标Fig.9 Overall performance indicators

该项目为多层建筑，由于存在大开洞、竖向不连续等多个不规则项，第1振型为x向平动，第2振型为扭转，但周期比为0.867，小于0.9，因而结构平面布置性能指标较好。

4 结构体系创新及设计研发

该项目中的屋顶幕墙支撑结构、螺旋坡道端部的多层大空间悬挑结构设计是本项目两大设计亮点，采用了创新结构体系及设计研发。

4.1 螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构体系创新

1）技术构成

该体系构成包括竖向长悬挑桁架、环向连接钢梁、侧向支撑结构和底部刚性支座，如图10所示。竖向长悬挑桁架由若干个多圈螺旋布置的单榀竖向平面管桁架组成，顶部按螺旋递升渐变排列，构成抗侧力支撑结构；环向连接钢梁由位于所有悬挑桁架顶部和内圈悬挑桁架中部的两道环向连接钢梁组成，分别为螺旋递升连接、加强中部环向连接；侧向支撑结构位于竖向长悬挑桁架最内圈，为长悬挑桁架提供中部侧向支撑；底部刚性支座位于竖向长悬挑桁架底部，包括柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接柱脚或为砼梁的刚性柱脚锚栓，为幕墙建筑造型及功能提供支撑构架。单榀竖向长悬挑桁架具体结构形式和尺寸详见图8和第2.4.5节相关说明。

图10 螺旋递升式竖向长悬挑桁架Fig.10 Spiral ascending vertical long cantilever truss

2）技术创新及应用

该体系以竖向长悬挑桁架和环向连接钢梁结合为中心支撑构架，并通过超高桁架中部侧向支撑、刚性支座构成单悬挑竖向桁架形式，而构成整体受力模式，可实现屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑（≥10 m高）幕墙建筑造型及功能的钢结构构架支撑。应用于本项目的屋顶幕墙支撑部分为螺旋递升式竖向长悬挑桁架体系［9］。

竖向长悬挑桁架在传统幕墙支承结构中虽已有应用，但根据建筑幕墙造型，合理设置多圈螺旋递升式布置的竖向长悬挑桁架组合构成螺旋造型幕墙则是本文提出的创新性结构体系，同时通过调整变截面竖向桁架的最大宽度位置，使得幕墙与结构可直接连接，有效保障连接强度，实现了受力、造型和功能的三者平衡，具有较大优势和较好应用前景。

4.2 内嵌正交向小桁架的多层通高悬挑大空间结构体系创新

1）技术构成

该体系构成包括竖向支撑悬挑桁架、悬挑屋面正交向小桁架、悬挑楼面大跨钢梁和过渡区钢框架，如图11所示。竖向支撑悬挑桁架位于两侧端部，由2榀延伸至过渡区的穿层悬挑桁架组成，为竖向支撑和抗侧力核心结构；悬挑屋面正交向小桁架位于屋盖顶部，正交于悬挑桁架布置，由多榀大跨度小桁架组成，并共同构成中心支撑构架；悬挑楼面大跨钢梁位于楼面底部，正交于竖向支撑悬挑桁架布置，由多根大跨度钢梁组成，设置预起拱以保证变形控制要求；过渡区钢框架位于过渡区一跨，由局部落地支撑框柱、次大跨框梁和普通框梁所组成，用以实现竖向悬挑区至常规框架区的过渡转换。单榀多层通高悬挑大空间具体结构形式和尺寸详见图5和第2.4.2节相关说明。