莆田市青少年宮結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄒煥苗

(華通設(shè)計顧問工程有限公司，北京 100034)

1 工程概況

莆田青少年宮工程位于福建省莆田市玉湖片區(qū)南側(cè)半島上，總建筑面積2.8萬m2，西側(cè)為劇場部分，地上1層局部夾層，無地下室，包括一個725座的劇場，觀眾廳屋面高度12.5 m;東側(cè)為少年宮活動用房及辦公用房，地上4層，地下1層，回字形結(jié)構(gòu)布置。中庭通高無柱雙螺旋樓梯，外立面效果圖見圖1。

圖1 青少年宮效果圖

工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，安全等級二級，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.1g?？拐鹪O(shè)防類別為乙類，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，框架抗震等級三級，剪力墻抗震等級二級?；撅L(fēng)壓0.7 kN/m2，地面粗糙度B類。

基礎(chǔ)采用樁基+防水板，基礎(chǔ)埋深－5 m，采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁端持力層為中風(fēng)化巖石，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 200 kPa，單樁抗拔承載力特征值為700 kN，單樁水平承載力特征值50 kN。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)方案

工程結(jié)構(gòu)體系為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，西側(cè)為劇場，劇場部分建筑單層空曠，局部含夾層;東側(cè)為少年宮功能用房，平面為回字形布置(見圖2)，地上4層。劇場舞臺嵌入東側(cè)回字形平面內(nèi)，舞臺頂與主體4層頂屋面平齊。本工程劇場與周邊采用不設(shè)永久縫設(shè)計，為達到建筑聲學(xué)要求，部分樓板采用浮筑樓板隔聲系統(tǒng)來減少樓板因撞擊產(chǎn)生的固體傳聲。

舞臺與觀眾廳周圍設(shè)置了600 mm厚剪力墻，增加劇場空曠結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，東側(cè)平面在四周樓梯間設(shè)置剪力墻，形成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

觀眾廳屋面作為室外景觀平臺，觀眾廳及舞臺頂部有通風(fēng)管道，由于層高限制，且因建筑聲學(xué)要求，屋面必須為混凝土樓板，通風(fēng)管道標(biāo)高盡量貼近屋面板，通過比較，最終設(shè)計采用H型鋼梁組合樓蓋，H型鋼梁腹板開洞，其中觀眾廳和舞臺屋頂鋼梁跨度分別為25 m和19 m，截面分別為H1 600×400×20×40和H1 200×400×16×32的焊接型鋼，腹板開洞尺寸滿足開洞直徑不大于鋼梁腹板高度/2，且洞口四周采用加勁肋加強措施。

2.2 結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)計

結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，劇場單層空曠，局部含夾層，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計算以SATWE為主，盈建科軟件對比分析，兩種軟件計算結(jié)果基本接近。結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、基底剪力、剪重比及周期、位移等計算指標(biāo)詳見表1～表3。

表1 SATWE和盈建科(YJKS)

表2 SATWE和盈建科(YJKS)計算周期

表3 SATWE和盈建科(YJKS)計算樓層最大位移

2.3 抗震性能設(shè)計

本工程屬于乙類建筑，結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，比較復(fù)雜。雖然本工程不屬于超限建筑，由于工程重要性及特點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中將薄弱部位及重要構(gòu)件提高抗震性能［1］，對螺旋樓梯周邊框架柱、看臺周邊框架柱及臺口柱等采用中震彈性設(shè)計，臺口梁、柱抗震等級提高至一級。

二，四層回字形平面靠近舞臺側(cè)樓板形成細(xì)腰樓板，在水平地震作用下，細(xì)腰樓板平面內(nèi)剛度較弱，形成薄弱部位，對細(xì)腰樓板詳細(xì)分析［2］，采用midas gen軟件進行有限元分析計算，小震作用下細(xì)腰樓板絕大部分樓板最大應(yīng)力小于1.10 N/mm2，低于混凝土抗拉強度設(shè)計值(C30)。中震作用下細(xì)腰樓板除剪力墻根部應(yīng)力集中，大部分樓板應(yīng)力小于2.0 N/mm2，低于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(C30)。

2.4 中庭螺旋樓梯設(shè)計

結(jié)構(gòu)布置:中庭螺旋樓梯自首層樓板起步，內(nèi)徑6.5 m，外徑9.8 m，根據(jù)建筑方案要求，中庭要盡量通透，不能設(shè)置梯柱，螺旋樓梯通過二層～四層懸挑箱型鋼梁平臺與各層連接，螺旋樓梯采用三根螺旋箱型主鋼梁，主梁間采用間距2 m箱型次梁剛性連接，提高主螺旋鋼梁整體穩(wěn)定性，踏步板采用螺紋鋼板。螺旋樓梯樓層平臺處懸挑箱型鋼梁最大懸挑跨度4 m，箱梁截面800×400×40，設(shè)計活荷載取3.5 kN/m2，結(jié)構(gòu)計算模型見圖3。螺旋樓梯設(shè)計采用單獨模型計算，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時將螺旋樓梯按荷載形式輸入分析計算。

圖2 典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置（四層）

圖3 中庭螺旋樓梯結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)計算，鋼梯梯梁最大應(yīng)力比為0.58，鋼梯梯梁最大豎向位移約39.6 mm(1.0 恒 +0.5 活)，撓度為 39.6/25 000=1/630，均滿足設(shè)計要求。

2.5 觀眾廳屋面舒適度設(shè)計

觀眾廳屋面為建筑景觀平臺，因其建筑功能特殊性，設(shè)計需要考慮滿足聲學(xué)要求及舒適度要求。屋面混凝土樓板上設(shè)置浮筑樓板隔聲，減小因樓板振動產(chǎn)生的固體傳聲。對H型鋼組合樓蓋進行舒適度驗算，包括撓度、自振頻率、加速度。

2.5.1 撓度驗算

鋼梁跨度L=25.2 m，鋼梁采用Q345B級鋼，H1 600×400×20 ×40 截面，E=2.06 ×105N/mm2，I=2.532 61 ×1010mm4，按一端固支、一端簡支計算，滿足要求。

2.5.2 自振頻率驗算

1)SATWE模型計算:樓板振動周期T=0.302 4 s，頻率F=1/T=3.307 Hz＞3 Hz，滿足要求。

2.5.3 加速度驗算

按照高規(guī)［3］附錄A計算:

樓蓋豎向振動加速度限值為:αmax=0.057 m/s2，αp＜ αmax，滿足要求。

2.6 室外樓梯滑動支座寬度取值

室外樓梯與主體相連，為簡化受力形式，在主體梁上采用牛腿上設(shè)置滑動支座，支座應(yīng)按“大震不倒”要求設(shè)置寬度。計算寬度按方法一、二兩者取大值。

方法一(節(jié)點位移Δ按照PKPM計算結(jié)果查詢):

2號室外臺階搭在主樓第二標(biāo)準(zhǔn)層節(jié)點9，12上。

PKPM結(jié)果，節(jié)點處小震反應(yīng)譜彈性水平位移為:Δx=0.370 mm，Δy=0.101 mm。

節(jié)點處大震彈塑性水平位移為:Δx大=2β大Δx=2×6.25×0.370=4.625 mm。

方法二(節(jié)點位移Δ按照樓層高度的H/1 200計算):

節(jié)點處小震反應(yīng)譜彈性水平位移為:

滑動支承最小支承長度:b≥WC+bc=100+350=450 mm。

3 結(jié)語

1)針對平面不規(guī)則等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，宜采用兩種軟件復(fù)核計算。2)對薄弱、重要構(gòu)件提高性能要求，增強其抗震性能。3)對形成弱連接樓板，宜進行水平地震力作用下的應(yīng)力分析計算，并對薄弱樓板進行配筋計算。4)復(fù)雜中庭鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯設(shè)計，采用單獨模型為主，主體結(jié)構(gòu)計算時將與主體連接處按荷載形式輸入計算模型。5)滑動支座應(yīng)按大震不倒要求設(shè)置寬度。

［1］ GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 扶長生，劉春明.高層建筑薄弱連接混凝土樓板應(yīng)力分析及抗震設(shè)計［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008(3):2－5.

［3］ JGJ 3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.