神農(nóng)大劇院結構設計

王 偉

(中國中元國際工程公司，北京 100089)

1 工程概況

神農(nóng)大劇院項目位于湖南省株洲市，本建筑為甲等劇場建筑，神農(nóng)大劇院由一個1400座規(guī)模大劇場、一個400座規(guī)模小劇場及公共區(qū)域、后勤輔助用房組成。大劇場、小劇場各自獨立，公共區(qū)域(共享大廳)為單層高大空間，由鋼結構外殼封閉而成，空間關系見圖1;大劇場由臺倉、舞臺、觀眾廳以及后臺用房等組成;舞臺包括1個主舞臺、2個側舞臺、1個后舞臺;觀眾廳包括兩層看臺和兩層包廂;后臺用房包括光控室、追光室、耳光室等;主要平面關系見圖2，圖3。

圖1 神農(nóng)大劇院剖面圖

圖2 大劇場平面圖（一）

圖3 大劇場平面圖（二）

2 結構體系選擇與布置

本工程建筑外殼、大劇場及小劇場+6.000 m標高以上相互獨立，+6.000 m標高以下為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構。大劇場內(nèi)部為一相對封閉空間，考慮隔聲要求、舞臺機械連接要求、高低錯落的樓板搭設要求及大跨度屋面梁對支座的要求，周圈采用鋼筋混凝土墻體，而大劇場內(nèi)部要求為大空間，采用框架結構便于建筑功能的實現(xiàn);小劇場采用鋼筋混凝土剪力墻結構。結合建筑蝸牛殼造型的特點，建筑外殼主體結構采用空間鋼桁架結構體系，由控制基點沿徑向旋轉(zhuǎn)布置變高度的徑向桁架，根據(jù)建筑分格沿環(huán)向布置一定數(shù)量的環(huán)向桁架，形成空間結構體系，建筑外殼主體結構在柱腳處與下部混凝土柱連接。

本工程主要是采用現(xiàn)澆混凝土梁板結構體系，大劇場屋頂為18 m～34 m的大跨度空間，采用鋼梁加組合樓板的結構體系。

3 基本參數(shù)及結構計算模型

本工程設計使用年限為50年，結構耐久性為100年，結構安全等級為一級，乙類建筑，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風壓0.40 kN/m2，基本雪壓0.70 kN/m2;根據(jù)當?shù)貧庀笥^測資料，控制合龍溫度在15℃～25℃之間，冬季室內(nèi)溫度不低于0℃，溫度效應考慮升溫25℃及降溫25℃，溫度效應組合值系數(shù)取0.6。

為了系統(tǒng)的分析鋼結構與混凝土結構的相互影響，建立了混凝土結構計算模型、鋼結構計算模型和結構整體模型?；炷两Y構采用了通用結構分析與設計軟件SAP2000 V14和PKPM分別進行計算;鋼結構采用通用結構分析與設計軟件SAP2000 V14進行結構的分析計算，并采用通用結構分析軟件ANSYS12.0進行了計算校核和整體穩(wěn)定分析。

整體結構采用通用結構分析與設計軟件SAP2000 V14進行計算，建模時梁柱采用框架單元進行模擬，墻和樓板采用殼單元進行模擬。

4 下部混凝土結構與上部鋼結構相互影響

通過混凝土結構、鋼結構外殼單獨模型和混凝土結構與鋼結構外殼整體模型進行分析，得出如下結論:

1)溫度作用下，由于鋼結構與混凝土結構的剛心位置不同，上部鋼結構與下部混凝土結構將發(fā)生相對差異變形，構件及節(jié)點處產(chǎn)生了較大的局部溫度應力。

2)采用整體模型計算，與鋼結構支座柱子相連處第一跨的混凝土梁板應力增加較多，鋼柱的支座反力較上部鋼結構單獨計算時變小，上部鋼結構桿件應力增加。

3)采用整體模型計算，鋼結構的地震作用響應較單體結構時增加較明顯，吸收水平力較多的桿件(如支撐、系桿等)應力水平提高較多。

4)采用整體模型計算上部鋼結構的振動形態(tài)與單獨的鋼結構分析模型的振動形態(tài)十分吻合，下部混凝土結構的振動形態(tài)及周期與單獨分析也基本一致。

5 下部混凝土部分計算結果

本工程抗震設防烈度為6度，下部混凝土部分被鋼結構外殼籠罩，因此水平位移較小，可以忽略不計，以豎向變形為主，主要計算結果見表1。

6 主要構件設計

6.1 基礎及臺倉外墻

6.1.1 基礎

本工程基底標高變化較大，采用了多種基礎形式。大劇院觀眾廳、小劇場、公共空間以及后勤用房部分均只有一層地下室，基礎底部土層變化較大，此部分基礎采用人工挖孔灌注樁，一柱一樁，樁徑1000 m，樁長約為6 m～15 m，樁端持力層為④層中風化泥質(zhì)粉砂巖，樁端阻力特征值為3500 MPa;承臺之間設置連系梁，連系梁截面400×800，防水板300 mm。大劇場臺倉底部(－13.80 m標高)完全處于中風化泥質(zhì)粉砂巖上，天然地基承載力特征值800 kPa，地基基礎采用墻下條形基礎、柱下獨立基礎加防水板的形式;大劇院后舞臺底部(－2.35 m)和側舞臺底部(0.25 m)位置只有局部范圍處于強風化泥質(zhì)粉砂巖上，其余均處在中風化泥質(zhì)粉砂巖上，故此位置地基基礎仍然采用墻下條形基礎加防水板的形式，局部處于強風化泥質(zhì)粉砂巖部位，挖除掉此層至中風化層，并采用素混凝土填至設計標高。本項目抗浮設計水位標高 －1 m，大劇場基礎處于 －13.80 m，－8.00 m，－3.50 m，－2.35 m標高的基礎自重不能滿足抗浮要求，－13.80 m，－8.00 m，－3.50 m處基礎底板采用抗浮錨桿，－2.35 m標高基礎底板通過增加基礎底板厚度方式平衡浮力。

表1 主要計算結果

6.1.2 臺倉外墻

大劇場臺倉外墻擋土高度近13 m，而受舞臺機械要求，13 m高度內(nèi)只有與其垂直的梁作為支撐點，臺倉平面剖面見圖4，如果靠外墻自身抵擋水土壓力，外墻厚需1 m，過厚的外墻將產(chǎn)生較大的溫度應力，加大了外墻開裂漏水的可能性，因此本項目采用了永久性支護擋墻平衡水土壓力，外墻厚度500 mm，并將支護擋墻的變形作為外墻的變形計算其內(nèi)力，KL1按豎向及水平向受力計算配筋。

圖4 臺倉平面圖

6.2 看臺及包廂設計

大劇場有兩層看臺，兩層包廂，通過框架結構加局部轉(zhuǎn)換實現(xiàn)其搭建。首層看臺框架梁最大跨度10 m，選用400×800截面;框架柱截面600×600，看臺與基礎底板之間距離隨看臺坡度變化，較低處形成短柱，短柱進行全高加密;看臺樓板上在每個座位下有通風孔，而看臺座位沿圓弧形布置，因此要求孔洞必須預留，不得后開，否則板鋼筋將大量被截斷。二層看臺低端懸挑梁加懸挑板總懸挑長度4.5 m，且低端與下層靜壓箱間相交于一根封邊梁，如圖5，圖6所示。

圖5 二層看臺平面圖

圖6 KL1（1A）與 KL2（1A）剖面圖

KL1(1A)與KL2(1A)相交于一點，通過SAP 2000軟件可以較真實的模擬其受力狀況，KL1(1A)懸挑端處于受拉狀態(tài)，而KL2(1A)懸挑端則處于受壓狀態(tài)，由于KL1(1A)與KL2(1A)之間的三角形區(qū)域較難施工，將KL1(1A)與KL2(1A)的懸挑端合并，并僅在合并后的梁頂部及底部配置縱向受力鋼筋。

包廂與包廂之間、包廂與看臺之間，以及包廂與樓梯之間，空間關系復雜，必須通過放樣及建模的方式，確定梁高及梁標高。

6.3 屋面設計

跨度34 m屋面采用H2000×550×14×34鋼梁，如圖7所示，跨度24 m屋面采用H1200×450×14×32鋼梁，跨度18 m屋面采用H1200×350×14×24鋼梁，鋼梁間距均為3 m，所有大跨度鋼梁腹板均設置圓洞，梁端截面高度漸變至1 m高，鋼梁與混凝土墻鉸接，為保證鋼梁施工時穩(wěn)定性，梁頂垂直主梁方向設置H400×200×8×12次梁，間距6 m。屋面板采用組合樓板，壓型鋼板采用閉口槽形鍍鋁鋅壓型鋼板，并且要考慮聲學要求，混凝土板厚150 mm。

圖7 鋼梁側立面

7 結語

1)劇院類建筑結構選型，除考慮受力要求外，尚應考慮看臺、包廂、舞臺機械搭建的便利性及隔聲要求。

2)劇院類建筑，空間關系復雜，且有大量長懸挑及大跨度構件，應采用多種計算軟件進行分析。

3)整體分析能夠得到上下部結構在荷載、溫度、地震等等各種作用下較合理可靠的效應。實際工程設計時分別進行下部混凝土結構和上部鋼結構分析后，再進行整體分析，才能得出一個比較真實的分析模型以及合理的計算結果，對結構安全提供有力保證。

4)受舞臺機械的制約，地下室外墻通高無側向支撐，為避免地下室外墻過厚而導致開裂，可采用永久支護平衡水土壓力，外墻僅承受永久支護變形所傳來的力。

［1］GB 50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［2］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［3］GB 50009-2001，建筑結構荷載規(guī)范［S］.

［4］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.

［5］JGJ 7-2010，空間網(wǎng)格結構技術規(guī)范［S］.