61-射阳文化艺术中心结构设计-曹彦凯

第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文     2016年 射阳文化艺术中心结构设计曹彦凯，叶永毅(苏州设计研究院股份有限公司，苏州215021)摘要:射阳文化艺术中心为射阳县新城区市民广场标志性建筑。本工程上部结构关系复杂，具有大跨度、大悬挑、大开洞、较多错层等，平面及竖向均不规则，属特别不规则结构。介绍了工程的特点和结构设计情况，针对不同部位的特点及实际情况采取相应的构造及抗震措施，并采用MIDAS软件对受力复杂的剪力墙及超长楼板进行应力分析。经对结构进行多模型的弹性分析和时程分析，其工作状态和性能均能达到预期性能目标和规范要求。关键词:复杂结构；抗震措施；结构分析；型钢混凝土1工程概况射阳文化艺术中心位于江苏省射阳县新城区幸福大道以北，市民广场东侧，与射阳县新政府大楼毗邻，总建筑面积20229m2，建成后为射阳县新城区市民广场标志性建筑。图1为文化艺术中心效果图。建筑总体布局和功能分为两部分：文化馆功能块及剧场功能块。文化馆功能块为会议中心和活动类用房、展览大厅及办公室等，该区块地上四层，层高为4.20m及4.35m，建筑总高度22.05m；剧场功能块有1000人剧场、300人电影院、淮剧团、排练厅等，地下一层，舞台台仓部分地下二层，台仓深度8.50m，地上二层，局部三层，一层层高为7.26m，二层层高为7.10m，后台部分层高为4.2m，建筑总高度26.90m。本文着重介绍剧场功能块的结构设计。图2为一层平面图及剖面图。图1射阳文化艺术中心效果图图2一层平面及剖面图工程抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.10g，建筑场地类别为Ⅳ类，设计地震分组为第二组,g=0.75s。第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文     2016年 2结构概述2.1地基基础根据勘察报告，拟建场地地处苏北里下河平原，第四纪以来地壳运动以沉降为主，第四纪地层分布范围广、厚度大、形成广阔的平原地貌，本区地貌类型为滨海相沉积平原区。场地土地层从上到下依次为：素填土、粘质粉土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土、砂质粉土、粘质粉土、砂质粉土、粉砂、砂质粉土。拟建场地处于地震活动相对稳定区域，对地基稳定性无不良影响。根据本工程场地情况及本工程结构特点，采用预制桩基础：由于上部结构柱网跨度及荷载均有较大差异，为尽量减少柱间沉降差，设计时抗压桩采用桩身带肋的增强型预应力混凝土离心桩T-PHC-AB500-460(110)，并采用多种桩长相结合的布桩方式，桩长分为22m、34m和36m几种；抗拔桩采用预制钢筋混凝土方桩JAZHb-240，桩长26m。采用静压式沉桩工艺。舞台台仓地下室部分存在抗浮问题，桩基计算需满足两种工况：（1）正常使用情况下的承载力要求；（2）抗浮水位情况下按抗拔桩计算，满足承载力要求。由于舞台台仓深基坑部分与周边柱下承台距离较近，最近处约3.5m，而桩顶高差近8.0m，为了深基坑的顺利开挖和施工，并减少深基坑开挖对邻近柱下桩基的影响，深基坑采用采用钻孔灌注桩加止水帷幕的支护方式，且对支护侧位移进行严格控制。2.2上部结构本工程抗震设防类别为重点设防。本工程根据平面及功能分成2个抗震单元，采用框架-抗震墙结构，局部大跨度部分采用劲性混凝土框架，剧场看台及舞台区屋盖采用网架结构，外廊构架采用轻钢屋面。框架抗震等级二级，局部大跨度框架（影院屋面劲性框架及舞台台口上方劲性框架）抗震等级一级，抗震墙抗震等级一级。本工程上部结构关系比较复杂，具有大跨度（电影院屋顶及舞台台口梁，跨度分别为24m和19m）、大悬挑(剧场楼座看台，净悬挑6.1m)、大开洞(剧场看台、舞台及侧台上空均为大开洞，楼层开洞率30%)、较多错层等，平面及竖向均不规则，属特别不规则结构。结构设计时，在平面四角及剧场四角均设置少量剪力墙，作为主要抗侧力构件。图3为二层结构平面布置图。其中主要框架梁截面为350x700,主要框架柱截面为700x700和1000x1000，主要抗震墙厚度为350mm，柱、墙混凝土强度等级为C35～C30，其余构件为C30，型钢梁柱及钢构架的钢材为Q345B。图3二层结构平面布置图图4楼座看台结构详图剧场楼座看台净悬挑6.1m，结构设计时采用变截面型钢混凝土挑梁，图4为楼座看台结构详图。第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文     2016年 西、南、北三侧出入口外廊构架柱距8.0mx15.2m，柱高度19.65m,连廊顶构架采用轻钢屋面。由于构架柱较高，对稳定不利。为保证柱有足够的刚度和强度，并满足建筑对柱截面不宜过大等要求，设计时采用矩形劲性混凝土柱，在满足计算要求的同时并有足够余地供装修外包，能够满足结构性能及建筑美观要求。3上部结构设计3.1结构抗震设计的预期性能目标本工程体型复杂，平面及竖向均不规则，根据结构(构件)的重要性设定了不同的抗震设防目标：1)电影院屋面以及剧场舞台台口上方大跨度劲性混凝土框架、错层处框架柱及剪力墙在设防烈度地震（中震）作用下保持弹性状态；2)主体框架在设防烈度地震（中震）作用下不屈服。3.2采取主要的抗震措施（1）本工程结构体型复杂，多个大空间结构相连，且无法设抗震缝分开，扭转位移比大于1.2，属扭转不规则，设计时采取如下抗震措施：a)调整结构布置方式、抗侧刚度等以控制扭转位移比满足规范要求，并控制主体扭转周期与第一平动周期比值0.9。b)对于扭转位移比较大的一侧端部梁、柱加大截面，部分柱内部加入H型钢或十字形型钢形成劲性混凝土柱，同时加大梁、柱配筋，并且柱箍筋沿全高加密。（2）建筑高低错落、楼板大开洞，属楼板不连续，设计时采取以下措施：a)采用弹性楼板计算，并用两种不同力学模型的程序计算，计算时考虑了扭转影响的双向耦连作用；b)局部薄弱部位，加厚楼板，并加大配筋；c）对重要部位采用弹性板有限元分析，提高该处楼板的配筋率，并与整体分析结果进行包络设计。（3）本工程分别在标高1.770m、4.170m、5.170m、6.630m、8.370m及13.760m等多处形成错层，为减少错层对整体结构的不利影响，结构设计时采取以下措施：a)设计时对于较小面积的错层按荷载输入总模型计算分析并把每一个错层视为独立楼层进行计算分析后对两者进行包络设计；b)对错层两侧结构尽量设计成抗侧刚度及变形性能相近的结构体系；c）加强错层两侧楼面梁、板配筋构造；d）对于错层处的框架柱、剪力墙等构件，计算时按在设防烈度地震（中震）作用下保持弹性状态进行计算分析，同时加大错层处框架柱、剪力墙的配筋率或采用劲性混凝土结构、并对框架柱箍筋沿全高加密处理。3.3超长设计由于受平面功能及结构布置限制，本工程主体结构长度104.90m未设结构缝，为防止结构在施工和使用阶段由于温度作用产生裂缝，采取以下措施：（1）采用MIDAS软件进行超长结构温度应力计算分析并进行温度作用下楼屋盖结构设计。射阳县最高及最低月均气温分别为35℃，-7℃，季节温差42.0℃，按后浇带封闭时温度为10℃考虑，升温温差25℃、降温温差-20℃。（2）加大梁、板通长钢筋。局部楼板连接薄弱处加大楼板配筋，配筋率约为0.50%。（3）设置施工后浇带，设置了纵横4道贯通顶板、底板、侧壁的800mm宽施工后浇带，使得每个区块的最大尺寸控制在50m左右，而且使每一区块的形状大致规则。待后浇带两侧混凝土浇捣60d后再以高一级膨胀混凝土封闭，以释放施工阶段的混凝土收缩、徐变。（4）在混凝土中加入适宜的外加剂，以减少水泥用量，控制水灰比，并考虑利用混凝土的60d强度设计，同时加强混凝土施工及养护要求。4结构整体分析计算4.1结构弹性分析第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文     2016年 本工程上部结构关系比较复杂，设计时采用SATWE、PAMSAP及MIDAS对结构进行整体分析，同时对于平面及立面上不规则的几榀框架单独取出来用PK程序对梁、柱进行复核验算，并进行包络设计。由于平面开洞较多，部分剪力墙(如剧场耳光室剪力墙)两侧均为大开洞，无法使得水平力有效的传递至该部分剪力墙，使计算失真，计算时取消该部分无约束剪力墙后重新计算，并与原模型计算结果进行包络设计。图5MIDAS分析模型表1二种软件弹性计算结果对比软件SAWTEMIDAS作用方向XYXY地震作用总剪力/kN18200190641698818234最大层间位移角1/11041/13131/11441/1118最大位移比1.231.301.311.35剪重比4.80%5.04%4.48%4.82%风荷载总剪力/kN1580223015172169最大层间位移角1/86911/62521/88051/6675结构刚重比15.521.615.220.80表2三种软件结构自振周期及周期比软件T1(X)/sT2(Y)/sT3(扭)/s周期比T3/T1SAWTE0.77780.69570.65270.839PMSAP0.81080.71290.68220.841MIDAS0.79020.72330.67830.858表1、2为几种软件的分析结果对比，由表1，2可知，多模型的弹性分析结果基本一致，结构的底部总剪力、最大层间位移角、周期、周期比均满足规范要求，结构转换层上下结构等效侧向刚度比和结构整体稳定验算均符合规范的要求。位移比最大为1.35，结构的第一扭转周期比第一平动周期比小于0.84，可见结构整体抗扭转性能较好。4.2中震弹性分析水平地震影响系数按中震取amax=0.23（2.875倍小震），框架和抗震墙的抗震等级均取四级，采用SATWE和PMSAP进行分析计算。电影院屋面以及剧场舞台台口上方大跨度劲性混凝土框架、错层处框架柱及剪力墙的内力及配筋有所增大，设计时，该部分构件按中震弹性分析结果包络设计。4.3结构弹性时程分析第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文     2016年 为校核振型分解反应谱法的计算结果，采用PMSAP软件进行弹性时程分析。计算采用二条天然波（TH1TG075，TH2TG075）和一条人工波（RH1TG075），结构阻尼比为0.05，结果取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。图6，7为时程分析结果，与CQC法结果比较：各条时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%；三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于CQC法计算结果的80%；时程法计算结果的包络值小于阵型分解反应谱法计算结果，总剪力为CQC法的84%。[]内的数据为楼层位移/mm[]内的数据为楼层剪力/kN图6弹性时程分析X向楼层位移图7弹性时程分析X向楼层剪力5结论（1）对于建筑造型复杂的工程，在设计前应当建立较为精确的建筑结构模型，对于个别位置关系及受力复杂的构件应进行单独验算，并进行包络设计。（2）建立整体计算模型，采用SATWE及MIDAS等多模型进行分析设计，对结构按构件类型、受力复杂程度以及构件的重要性等提出抗震性能化设计目标。（3）对超长混凝土结构，结构设计中通过采用适当的应力分析软件对温度应力进行分析、设置后浇带、加强梁、板内通长及构造钢筋等措施，减少了温度作用和收缩变形对钢筋混凝土结构的不利影响,对温度应力可能集中的部位进行加强。（4）对于柱网跨度及荷载均有较大差异的结构，为有效控制沉降，可采用多种桩长相结合的布桩方式、选用对控制沉降有利的桩身带肋的增强型预应力混凝土离心桩等多种方式相结合。参考文献[1]GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.[2]GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.[3]JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.[4]王铁梦,工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.