孟范輝,張金海 (天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院有限公司,天津 300073)
華北理工大學新校園選址于唐山灣生態(tài)城北部,唐山港曹妃甸港區(qū)和京唐港區(qū)之間,與曹妃甸工業(yè)區(qū)毗鄰。會堂位于校園的北島之上,東北西三面為湖水環(huán)繞,是學校的標志性建筑之一。校園總體效果圖如圖1所示。項目總建筑面積11187m2??傋粩?shù)是1411個。其主要功能為劇場、演出用。結(jié)構(gòu)主體高度23.50m,地上三層。一、二層層高為4.5m,三層層高為5.3m。會堂效果圖如圖2所示。
圖1 華北理工大學新校區(qū)總體效果圖
圖2 會堂全景效果圖
會堂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,樓層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。屋面采用鋼網(wǎng)架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑功能及效果要求,入口正面幕墻要求通透、傾斜。幕墻龍骨結(jié)合主體鋼結(jié)構(gòu)整體設計,結(jié)構(gòu)采用鋼梁和圓鋼管柱。會堂正立面效果圖如圖3。建筑平立剖面如圖4,5。
圖4 建筑平面圖
圖5 建筑剖面圖
根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告,本工程所在場地為Ⅲ類建筑場地。基礎采用預應力管樁基礎形式,樁徑為500mm,樁長24m,單樁豎向承載力特征值Ra=1000kN?;A采用柱下獨立承臺,墻下采用條形承臺,承臺厚度1.0m~1.5m。
設計室內(nèi)地坪±0.000m相對于國家85高程4.911m,結(jié)構(gòu)的設計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級,建筑地基基礎設計等級均為丙級。建筑耐火等級為二級。
本地區(qū)抗震設防基本烈度為7度0.15g,根據(jù)唐山市抗震設防管理中心出具的《關于唐山灣生態(tài)城河北聯(lián)合大學新校園建設工程的抗震設防要求審批意見書》(唐抗震審[2014]10號)文件,(河北聯(lián)合大學后更名為華北理工大學),針對華北理工大學校園抗震設計標準按照8度0.2g進行抗震設計,按8度0.2g采取抗震措施和抗震構(gòu)造措施。設計地震分組為第二組。根據(jù)建筑使用功能的重要性分類,本工程的抗震設防類別為重點設防類[1]。
本工程為框架-剪力墻結(jié)構(gòu),按照8度0.2g進行抗震設計,高烈度地震作用下柱底易出現(xiàn)拉力,尤其剪力墻下極易出現(xiàn)拉力。本工程考慮經(jīng)濟性仍采用預應力管樁基礎,根據(jù)計算在出現(xiàn)拔力的墻柱下采用管樁灌芯抗拔樁精確布樁,樁拔力分布情況如圖6,陰影范圍為樁出現(xiàn)拔力的分布范圍區(qū)域,管樁管芯長度和鋼筋計算參照文獻[2][3]。
圖6 樁拔力范圍分布圖
會堂通風系統(tǒng)采用在看臺下面靜壓箱設計,看臺下面局部地下室,需采取抗浮措施設計采用15m長的預應力抗拔管樁間距3m正方形均勻布置來抵抗水浮力。
舞臺表演區(qū)無地下室,對場地回填土沉降要求相對嚴格,為確保回填土質(zhì)量,設計采用240mm厚頁巖實心磚分倉回填夯實,分倉尺寸不大于3.5mx3.5m,回填土采用2:8灰土回填,壓實系數(shù)不小于0.94,并設置200mm厚鋼筋混凝土剛性地面,配置雙層雙向通長鋼筋網(wǎng)片。
2.3.1 結(jié)構(gòu)設計特點
建筑方案效果為橢圓形結(jié)構(gòu),屋頂為整體鋼網(wǎng)架,結(jié)構(gòu)典型長軸總長度100m左右,短軸總長度77m左右,結(jié)構(gòu)的特殊性無法使用結(jié)構(gòu)縫斷開,設計時應考慮溫度影響。
由于會堂使用功能的特殊性,空間性為主,看臺,舞臺等都不在同一結(jié)構(gòu)標高,造成結(jié)構(gòu)樓板多處不連續(xù),層的聯(lián)系性不強。為保證結(jié)構(gòu)的整體剛度,選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),主要在樓梯間交通盒處布置剪力墻,保證各連續(xù)樓板局部區(qū)域的剛度均勻,形成多個筒體,從而達到增強整體結(jié)構(gòu)剛度。南側(cè)主入口外圍是通透幕墻效果,結(jié)構(gòu)結(jié)合幕墻龍骨設計成鋼框架結(jié)構(gòu),采用型鋼梁、圓鋼管柱。墻柱布置及結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖7~圖10。
圖7 墻柱平面圖
圖8 標高4.450處平面圖
圖9 標高8.950處平面圖
圖10 標高14.300處平面圖
會堂主入口外圈是14m通高的幕墻,且向外傾斜,傾斜角度為9°。結(jié)合幕墻的通透效果,采用鋼結(jié)構(gòu)斜柱、弧梁與幕墻龍骨結(jié)合一體設計,與混凝土主體結(jié)構(gòu)整體建模分析,協(xié)調(diào)受力。分析模型如圖11。
圖11 斜柱、弧梁模型圖
2.3.2 整體結(jié)構(gòu)分析
本工程采用PMSAP和YJK兩種軟件對結(jié)構(gòu)進行分析。結(jié)構(gòu)的整體模型如圖12所示。結(jié)構(gòu)的整體計算指標對比如表1。
結(jié)構(gòu)整體計算指標對比 表1
圖12 結(jié)構(gòu)整體計算模型
從表1中可以看出,主樓整體結(jié)構(gòu)采用兩個程序計算的主要指標是基本吻合的,且各項指標均滿足規(guī)范[3]要求。
為避免因為樓層側(cè)向剛度的不均勻,可能會出現(xiàn)“鞭梢效應”,影響結(jié)構(gòu)的安全,采用彈性時程分析法對該結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的抗震性能補充分析。選取1條人工波和2條天然波,時程曲線選用滿足規(guī)范要求[4][5]。分析結(jié)果取包絡值。分析結(jié)果見表2。
時程分析法和CQC法層間剪力分析結(jié)果對比 表2
由上表可知:時程分析法的層間剪力均小于CQC法,故反應譜分析是安全的。
2.3.3 結(jié)構(gòu)關鍵部位分析
本工程多處樓板不連續(xù),對于樓板薄弱部位應應進行詳細分析,設計時將樓板定義為彈性板,使計算模型更加符合樓板平面內(nèi)的實際受力,通過增加板厚、根據(jù)詳細分析結(jié)果設置雙層雙向拉通筋,增強樓板的整體傳力性。樓板的詳細分析應力如圖13。
圖13 樓板應力分析圖
二層看臺挑出跨度為7m,結(jié)構(gòu)利用階梯形看臺在框架處挑出三角桁架,整體建模計算,并對三角桁架單獨詳細分析,根據(jù)應力分布及詳細配筋分析進行設計,保證結(jié)構(gòu)的安全性??磁_的應力分析如圖13。從分析圖(a)中知最大恒載下變形為5mm,遠小于規(guī)范限值;圖(b)看出三角桁架下弦梁上部受壓,根部受拉,拉壓應力均小于混凝土強度;圖(c)、(d)看出三角桁架上弦斜桿受拉彎,下弦桿受壓彎,上弦桿故應全長配置通筋,且應滿足裂縫配筋,看臺的施工詳圖如圖14。
圖14 看臺詳細分析圖
圖15 看臺施工詳圖
①主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu),保證各連續(xù)樓板局部區(qū)域的剛度均勻,形成多個筒體,從而增強整體結(jié)構(gòu)剛度。
圖16 施工過程中照片
②外圈幕墻通透效果,且向外傾斜,設計采用鋼結(jié)構(gòu)斜柱、弧梁與幕墻龍骨結(jié)合一體設計,與混凝土主體結(jié)構(gòu)整體建模分析,協(xié)調(diào)受力。
③對關鍵部位樓板和看臺桁架詳細分析,根據(jù)分析結(jié)果進行設計,保證結(jié)構(gòu)安全。