福建漳州歌劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊松霖， 任慶英， 劉文珽， 張曉萌

(中國建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100044)

1 工程概況

漳州歌劇院位于福建省漳州市九龍江西溪南岸，與市區(qū)建成區(qū)隔江相望，是漳州市未來發(fā)展中心的標(biāo)志性建筑。漳州歌劇院形態(tài)意向取自漳州市花水仙，花朵式造型將平面分為8個花瓣單元，由內(nèi)向外沿每個花瓣的方向由下至上逐層平移擴(kuò)大，形成下小上大的開花式造型，花瓣造型中部圍合區(qū)域形成歌劇院大空間，歌劇院效果圖見圖1。

圖1 福建漳州歌劇院效果圖

歌劇院總建筑面積106 582m2，建筑總高度45.0m，外圍花瓣結(jié)構(gòu)高度最高點(diǎn)為34.5m，位于舞臺上方的局部升高樓層是結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)，其頂標(biāo)高為40.5m，整個建筑長向(X向)120m，短向(Y向)80m，沿劇院X向中間剖面主要功能分區(qū)如圖2所示。位于建筑中部的歌劇院觀眾廳頂部結(jié)構(gòu)Y向跨度28m，X向跨度30m，舞臺區(qū)域上空結(jié)構(gòu)Y向跨度18m，X向跨度30m，劇院座位數(shù)為1 017座，地上8層，地下1層。本工程建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，場地類別為Ⅲ類，按照第五代地震動區(qū)劃圖設(shè)計地震分組調(diào)整為第二組[1]。

圖2 建筑主要功能分區(qū)示意

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

漳州歌劇院的造型上大下小且具有沿多個方向伸展的花瓣造型，因此在整體分析中應(yīng)選取足夠多的結(jié)構(gòu)振型以考慮高階振型對反應(yīng)譜工況的影響，并且應(yīng)考慮不同方向抗側(cè)力構(gòu)件的多角度地震計算分析；另外在劇院中部的大空間區(qū)域，應(yīng)考慮荷載不均勻分布對基礎(chǔ)設(shè)計的影響，同時應(yīng)注意各層樓板開洞周邊的受力以及增強(qiáng)樓板受拉性能的設(shè)計。對于建筑周邊的傾斜柱以及分叉柱，由于結(jié)構(gòu)外傾產(chǎn)生水平拉力，應(yīng)進(jìn)行考慮軸向力的拉彎或壓彎構(gòu)件設(shè)計[2]。

3 結(jié)構(gòu)體系介紹

歌劇院上部結(jié)構(gòu)采用混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，利用劇院觀眾廳和舞臺大空間周邊的豎向交通核，布置混凝土剪力墻筒體作為整體結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，整體計算模型如圖3所示。

圖3 漳州歌劇院計算模型

歌劇院沿X向剖面如圖4所示，整個建筑沿X軸對稱，整體結(jié)構(gòu)外圍各層由傾斜柱支撐的框架結(jié)構(gòu)組成。觀眾廳分為兩層，下部樓座由下部框架柱支撐的斜框架支撐，高度方向跨越一層高差6.5m，上部樓座由四層支撐于分叉柱的框架梁懸挑形成，同時沿混凝土剪力墻方向伸出懸挑梁，使得懸挑樓座有雙向支撐效果，以增加結(jié)構(gòu)冗余度、提高安全性。樓面框架體系結(jié)合建筑平面逐層邊界外擴(kuò)的特點(diǎn)，沿傾斜方向設(shè)置斜向框架柱，經(jīng)外擴(kuò)方向的樓面框架梁與混凝土剪力墻筒體直接拉結(jié)傳遞外傾力，并在環(huán)向用垂直于外傾方向的框架梁進(jìn)行拉結(jié)，形成環(huán)箍效應(yīng)以抵抗由外傾產(chǎn)生的外推力，典型平面結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖4 建筑X向剖面結(jié)構(gòu)模型示意

圖5 典型平面結(jié)構(gòu)布置示意

沿建筑平面設(shè)置與外圍傾斜柱傾斜方向和角度相同的斜向框架柱形成逐層擴(kuò)大的樓層平面。如圖5所示，各層平面跨度沿箭頭方向向外側(cè)擴(kuò)大，但垂直于箭頭方向的柱間距不變。劇院外圍傾斜柱與豎直方向的夾角為23°。由于豎向構(gòu)件的傾斜導(dǎo)致樓面沿傾斜方向有較大拉力，這部分拉力應(yīng)有效傳遞到豎向抗側(cè)力構(gòu)件上，因此在柱傾斜方向，在樓面設(shè)置框架梁將傾斜柱與混凝土剪力墻筒體相連直接傳遞傾斜產(chǎn)生的拉力。在與傾斜方向垂直的環(huán)向由內(nèi)至外設(shè)置多道環(huán)箍，框架梁環(huán)箍在樓層閉合或者拉結(jié)至混凝土剪力墻筒體。在傾斜方向，柱跨度在底層與垂直混凝土墻體的間距約為7m，到頂層隨著柱向外側(cè)傾斜，傾斜柱距離混凝土墻體距離擴(kuò)大到11m，在垂直傾斜方向，柱間跨度為9m，不隨樓層變化。

舞臺區(qū)域隔音要求較高，需要在舞臺的前后臺口上方與樓面連接處設(shè)置較厚重的建筑隔音墻，考慮到臺口大梁與外側(cè)樓面結(jié)構(gòu)連接的便利性及建筑隔音墻需設(shè)置拉梁構(gòu)造柱的要求，采用梁間混凝土豎腹桿柱代替構(gòu)造柱連接臺口大梁形成四層通高的空腹桁架體系(圖6)，此空腹桁架也作為舞臺上部鋼桁架的可靠支座。混凝土空腹桁架豎腹桿柱沿水平方向間距4m，沿高度方向間距2.5m，沿梁跨度方向均勻設(shè)置水平梁，后期建筑隔音墻可直接砌筑而不需要設(shè)置圈梁構(gòu)造柱，從而降低后期施工難度，避免了后植筋等構(gòu)造柱施工對混凝土主結(jié)構(gòu)的損傷[3]。

圖6 舞臺頂四層混凝土空腹桁架示意

觀眾廳、舞臺頂部大跨度空間采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，如圖7所示。鋼桁架平面軸線位置與混凝土筒體的橫向墻體對齊，橫向墻體中順應(yīng)桁架上下弦桿及腹桿位置設(shè)置型鋼暗柱，以有效傳遞桁架支座位置的彎矩及剪力，同時結(jié)合觀眾廳頂部中間高兩側(cè)低的吊頂造型，對鋼桁架與混凝土墻肢相連處下弦進(jìn)行擴(kuò)腳放大，以提高桁架的剛度，改善鋼桁架受力性能。觀眾廳頂部三榀主桁架跨度介于26～28m之間，跨中結(jié)構(gòu)高度2.4m，桁架根部與墻連接擴(kuò)腳處桁架高度4.3m，桁架平面間距7.35m，在整體計算分析中，鋼桁架部分應(yīng)考慮豎向地震工況進(jìn)行組合設(shè)計。為保證桁架在平面外施工階段和使用階段的穩(wěn)定性，使用鋼拉桿將鋼桁架平面外與樓面混凝土結(jié)構(gòu)相連接保證桁架側(cè)向穩(wěn)定[4-5]。

圖7 觀眾廳、舞臺計算模型及鋼桁架示意

舞臺頂部空間有眾多重量較大的舞臺機(jī)械，同時也設(shè)置了冷卻塔設(shè)備機(jī)房，該區(qū)域荷載較大。該區(qū)域的結(jié)構(gòu)體系采用單向鋼桁架(圖7(c))，以舞臺前后臺口上空的混凝土空腹桁架作為支座，鋼桁架跨度17.7m，高度2.2m，水平方向間距4.5m，舞臺機(jī)械設(shè)備懸掛于桁架下部以為保證桁架側(cè)向穩(wěn)定提供有利條件，同時在桁架下弦垂直于跨度方向的桁架節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫向鋼梁，鋼梁梁端與混凝土側(cè)墻連接，將各榀桁架平面外相連，以保證舞臺上空桁架X向的穩(wěn)定性。桁架與混凝土結(jié)構(gòu)交接部位鋼桁架支座做法示意見圖8。

圖8 桁架與混凝土結(jié)構(gòu)交接部位鋼桁架支座做法示意

由于本工程大空間大跨度區(qū)域較多，柱下墻下荷載差異較大，同時考慮到建筑下部土層，因此采用柱下樁基承臺+防水板的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系。主樓部分采用600mm直徑預(yù)制抗壓管樁，采用殘積黏性土或全風(fēng)化花崗巖作為持力層，有效樁長約30m；純地下室部分采用500mm直徑預(yù)制抗拔管樁，采用粗砂或礫砂層作為持力層，有效樁長約15m。位于建筑中心位置的剪力墻筒體采用大面積樁基承臺來分散集中荷載，柱下墻下樁基礎(chǔ)承臺厚度介于1 500～2 200mm之間，防水板厚度500mm，如圖9所示。

圖9 樁基承臺結(jié)構(gòu)布置

4 超限工程判定

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》(建設(shè)部令第111號)[6]，本工程涉及到超限的類別有樓板開洞不連續(xù)、局部穿層柱、局部抽柱形成大空間，屬于超限工程，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7]確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)參照D級執(zhí)行。針對不同結(jié)構(gòu)部位的重要程度，對主要抗側(cè)力構(gòu)件以及傾斜構(gòu)件、大跨度構(gòu)件設(shè)定不同抗震性能要求，采用的抗震性能目標(biāo)見表1。

抗震性能目標(biāo) 表1

5 關(guān)鍵部位抗震性能化設(shè)計

5.1 結(jié)構(gòu)性能概述

由于漳州歌劇院下小上大的造型以及質(zhì)量分布使得結(jié)構(gòu)很容易在前幾階振型中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)為主的振型，因此需要調(diào)整豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度以達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度的目的[8]。本工程主要通過沿X向均勻布置框架柱、剪力墻以及調(diào)整混凝土墻門洞寬度及連梁高度來調(diào)整整體結(jié)構(gòu)的水平剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，調(diào)整后的結(jié)構(gòu)動力特性見表2，前三階振型模態(tài)見圖10，均滿足振型參與系數(shù)要求[9]。

圖10 前三階振型模態(tài)

結(jié)構(gòu)周期及平動、扭轉(zhuǎn)比例 表2

5.2 分叉柱及相連框架梁應(yīng)力校核

與分叉柱相連的框架梁(圖11)在重力荷載作用下會因豎向構(gòu)件的傾斜產(chǎn)生水平向的軸力，因此需考慮在自重工況下控制混凝土截面應(yīng)力水平來保證框架梁在正常使用情況下不發(fā)生全截面開裂。由弱化樓板計算模型得到自重工況下的框架梁全截面平均應(yīng)力如表3所示。在配筋設(shè)計中盡可能設(shè)置通長縱向鋼筋以保證軸向拉力有效地傳遞至混凝土核心筒等抗側(cè)力構(gòu)件。

圖11 分叉柱及與其相連框架深編號

5.3 墻肢拉力校核

由于本工程下小上大的建筑造型，樓層總重量隨高度的增加而增加，使得上部樓層的鞭梢效應(yīng)更為明顯，導(dǎo)致在地震工況下除了首層墻底有較大拉應(yīng)力以外，上部墻肢由于軸壓力減小以及較大的傾覆力矩，也容易出現(xiàn)較大拉力。圖12為未設(shè)置混凝土墻肢型鋼暗柱時，混凝土墻肢拉應(yīng)力隨樓層增加的變化趨勢?？梢钥闯?，在中震彈性工況下，位于外圈的墻肢拉應(yīng)力均達(dá)到0.8ftk(ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)以上，1層、2層及頂部6，7層A-1，C-1，D-1墻肢存在應(yīng)力超過2ftk的情況。結(jié)合觀眾廳頂部的鋼桁架，在桁架與墻體連接處設(shè)置延伸至基礎(chǔ)的鋼骨來抵抗拉力，同時減少一部分暗柱縱筋，降低鋼骨混凝土墻暗柱的施工難度，觀眾廳周邊墻體設(shè)置型鋼部位示意見圖13。

圖12 混凝土筒體墻肢截面中震彈性工況下拉應(yīng)力校核

自重工況下與分叉柱相連框架梁拉應(yīng)力校核表3

圖13 觀眾廳周邊墻體設(shè)置型鋼部位示意

5.4 大震彈塑性時程分析

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1]的原則和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號)[10]，本工程應(yīng)進(jìn)行第三水準(zhǔn)的大震彈塑性分析。由于地下室抗側(cè)剛度與首層抗側(cè)剛度比值大于2，因此彈塑性時程分析中不考慮地下室部分。用于大震彈塑性計算的結(jié)構(gòu)模型，框架梁、柱、剪力墻連梁采用纖維梁單元模擬，剪力墻采用殼單元與梁單元相結(jié)合的方式進(jìn)行模擬，其中暗柱采用纖維梁單元模擬，暗柱之間的墻體采用殼單元模擬。用于彈塑性分析的墻柱單元鋼筋均按相應(yīng)的抗震設(shè)防性能目標(biāo)工況下配筋結(jié)果設(shè)置。計算模型如圖14所示。

圖14 彈塑性時程分析有限元模型示意

選取三組人工波(Art Wave-RH4，Art Wave-RH2，Art Wave-RH1)、六組天然地震波(Morgan Hill，Cape Mendocino，Chi-Chi Taiwan，Superstition Hills-02，Big Bear-01，Hollister-04)，地震波與規(guī)范反應(yīng)譜對比結(jié)果見圖15。由表4可知所選的地震波基底剪力與反應(yīng)譜基底剪力的比值均滿足規(guī)范要求。

圖15 大震彈塑性分析用地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

大震彈塑性時程分析整體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表5所示。X向、Y向?qū)娱g位移角平均值分別為1/303，1/176，包絡(luò)值分別為1/233，1/119，均滿足規(guī)范限值1/100。由大震彈塑性與彈性時程分析工況下整體結(jié)構(gòu)基底剪力比值可以看出，整體結(jié)構(gòu)在X，Y向的基底剪力由于整體結(jié)構(gòu)的塑性耗能反應(yīng)，均有22.3%～27.7%的衰減，兩個方向的衰減程度相近，表明通過合理地設(shè)置耗能構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)在主方向上抗震耗能特性相近。

大震彈塑性分析地震波基底剪力與規(guī)范譜結(jié)果對比 表4

大震彈塑性時程分析整體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果 表5

圖16為大震彈性時程、彈塑性時程層間位移角對比曲線。可見在彈塑性工況下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出塑性變形增大的特征；另外，彈塑性時程的層間位移角從3層及以上均有較明顯的放大，表明本工程采用彈塑性時程分析可以反映出高階振型對結(jié)構(gòu)分析的不利影響，對于判斷結(jié)構(gòu)薄弱部位以及對應(yīng)地增強(qiáng)延性設(shè)計有指導(dǎo)意義。

圖16 大震彈性時程、彈塑性時程層間位移角對比

5.5 重要構(gòu)件抗震性能分析

在罕遇地震下對重要構(gòu)件進(jìn)行彈塑性時程分析，圖17為重要構(gòu)件位置示意圖，圖18為罕遇地震下，重要構(gòu)件混凝土損傷示意。由圖可知，在罕遇地震作用下，連梁塑性損傷較為嚴(yán)重，剪力墻混凝土受壓塑性損傷較大的區(qū)域主要集中在與連梁連接部位和底部邊角部位，其余大部分墻體混凝土未達(dá)到破壞損傷；剪力墻混凝土受拉損傷值較大，但剪力墻鋼筋大部分處于未損傷狀態(tài)，其在整個罕遇地震作用下?lián)p傷較輕微。傾斜柱及與其拉結(jié)的垂直剪力墻塑性損傷較小，與傾斜柱相連框架梁位置由于軸力較大，出現(xiàn)較明顯的塑性損傷，設(shè)計中采用設(shè)置通長鋼筋的方法重點(diǎn)加強(qiáng)該部位的延性設(shè)計以增加傾斜柱的安全度。支撐看臺的分叉柱在大震彈塑性時程分析中塑性損傷較小，基本處于彈性狀態(tài)，可保證看臺支撐結(jié)構(gòu)體系的安全性，與分叉柱相連框架梁端部出現(xiàn)一定的塑性損傷，但未達(dá)到破壞。

圖17 重要構(gòu)件位置示意

圖18 罕遇地震下重要構(gòu)件彈塑性損傷示意

6 結(jié)語

本工程造型復(fù)雜，屬于具有多項不規(guī)則的超限工程。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取了較為合理的結(jié)構(gòu)體系及布置，設(shè)定了相應(yīng)的性能目標(biāo)并采取了有效的抗震措施，從而減輕了超限所帶來的不利影響，使得結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，設(shè)計成果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。同時對于上大下小造型的建筑，設(shè)計時應(yīng)注意校核時程分析中高階振型對結(jié)構(gòu)上部樓層受力的不利影響，這對判斷結(jié)構(gòu)薄弱部位以及對應(yīng)地增強(qiáng)延性設(shè)計有指導(dǎo)意義。