大跨度结构的整体协同性分析

田 亮，李 伟

(1.北京市建筑设计研究院有限公司，北京100045;2河北联合大学，河北唐山063009)

1 工程概况及结构体系

本剧院的平面由4个圆心确定的四段圆弧拟合而成，整体呈椭圆形，设有东西南北四个出入口，为了满足使用功能的要求，结构内部形成了多个空腔，属于抗震设计中的平面不规则结构，同时剧场内部错层位置较多，使得结构各部分之间的联系相对较弱。

为改善结构抗震性能，选用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。在结构设计上，整个影剧院采用了外环框架和内环观众厅及舞台区域布置剪力墙(其中观众厅位置为两道环状布置的剪力墙)组成的框架剪力墙结构。框架部分主要布置在观众厅和舞台以外的外环，有利于提供灵活宽敞的空间布局，剪力墙主要布置在内环的观众厅和舞台区域以及东西两侧的楼梯间区域，上下贯通布置。有效的增强了结构的抗侧刚度，尽可能减小了结构侧移。

屋顶设计较为复杂，基本上由两部分组成:(1)观众厅和舞台区域及北侧部分区域为现浇混凝土屋盖; (2)其他区域为复杂曲线构成的屋顶，采用钢网架结构(图1)。为正放四角锥焊接球节点网架，局部为空间倒放三角形桁架，采用上弦和下弦的多点支承。支座节点，内环支座采用固定球铰支座，外环支座采用可滑动球铰支座。网架结构整体为环形，平面南高北低，高端高度为35 m，低端高度为21.310 m。

图1 首层结构平面布置及剖面图

2 结构的设计计算

由于剧场内部有较多的空旷区域，楼板标高较多，且有如看台之类的斜板，层的概念比较模糊，选用以建研科技股份有限公司编制的PMSAP软件为主进行计算，然后用北京迈达斯技术有限公司编制的MIDAS/ Gen V7.8.0中文版结构分析与设计软件进行计算校核。主要计算结果见表1。

表1 主要计算结果对比

3 工程的重点难点分析

3.1 南入口大厅挑空位置与主体的协同工作

南入口大厅大空间部分挑空高度32 m左右，入口处6根柱子直接伸至屋顶，为加强其可靠性和稳定性，采取将6根柱子全部做成直径1200mm的钢管混凝土柱，通过计算分析发现，此处的6根柱子总是处于局部阵型，无法和主体共同振动，而且第一周期总是处于扭转为主的周期。通过对建筑专业吊顶方案的分析，发现此区域建筑专业在21.5 m处有吊顶，利用吊顶的空间我们设置了6组型钢水平交叉支承，使6个柱子与主体结构21.5 m处楼板相连，并在6根柱子之间设置水平环梁，保证其与主体形成一个可靠的整体，避免产生扭转变形。水平交叉支撑的位置见图2。

图2 水平交叉支撑三维图

3.2 长悬挑部位的处理

观众厅二层看台为长悬挑结构，最远点悬挑梁悬挑长度达到9 m，由于悬挑长度非常大，设计中充分利用了建筑层高上的优势，设置了10根500×2000的预应力悬挑大梁，目的在于尽量减小每根梁上的荷载从属面积，最密处梁间距为2.4 m，并在悬挑端部设置3道环梁增强整个看台结构的整体性，使得10根大梁能够共同工作，同时充分利用挑梁根部的两道剪力墙之间的空间将悬挑梁延伸进去，并通过变截面为400× 1000延伸至外侧相应的框架结构上，以满足悬挑梁的锚固和抗倾覆要求。同时在计算时对该部位进行中震弹性计算以提高其抗震性能，保证结构安全。

3.3 网架与摇摆柱

屋顶的结构设计采用了空间网架为主的结构形式，针对南侧入口处悬挑长度14.1 m，北侧入口处支承条件略差的不利情况，设计中在这两个部位的网架内部部设10榀径向桁架(南侧6榀，北侧4榀)及3道环向桁架(南侧)，悬挑受力的径向桁架杆件为通长钢管，网架杆件与之连接的节点采用相贯焊接节点，保证悬挑部分的传力的直接性和连续性(图3)。

图3 桁架结构三维图

另外，在南侧入口悬挑较大区域，有效利用玻璃幕墙的主龙骨，设置14根摇摆柱，摇摆柱采用900×300 ×18×24的箱型钢柱，与网架顶通过特殊的铰接支座相连，使得摇摆柱只承受网架传来的竖向荷载，在网架结构受到较大外部作用、发生较大变形时，起到支承作用，形成一种“双控”的模式，更好的保证屋盖的安全。在设计过程中，建立了有摇摆柱和无摇摆柱两种模型(图4、图5)，对比两种结果发现，未设置摇摆柱时，端部最大位移为0.065 m，设置摇摆柱后，端部最大位移为0.007 m，有效减小了网架部分的位移。同时相应位置的腹杆应力比也得到明显的减小。

图4 ①轴桁架-带摇摆柱应力比计算

图5 ①轴桁架-无摇摆柱应力比计算

3.4 后浇带解决墙体受力问题

观众厅屋盖处采用的井字梁结构跨度达到35 m，屋面荷载较大，同时作为观众厅的上空在重要性上比较重要，因为梁的配筋量很大，为了给予钢筋充分的锚固，并为大梁提供良好的支撑条件，设计中将梁向外延伸一跨至外环剪力墙，但这样的做法同时带来另一个问题，就是由于两道墙体之间的距离很近，仅有2 m;井字梁根部所产生的巨大弯矩，对外环的墙体将产生很大的向上的力，通过计算模型的分析结果，发现局部墙体会出现拉力，为了解决这种情况，设计时又建立了一个梁不延伸至外环墙体的模型，计算结果显示这种情况下外环墙体不再出现拉力;综合这两个模型的结果，设计中采取了仍然将梁延伸至外环墙体，在配筋时按两种情况的包络值进行配筋，同时在施工中采取沿观众厅环向设置一圈后浇带，这样的做法可以使的整个屋盖先在内环剪力墙上进行卸载，待整体稳定后再浇筑后浇带。目前该部分施工已经完成，后浇带已经封闭，效果良好。

4 结论

本结构的设计过程中，通过合理设置水平支撑，协同了内外环结构构件的协同工作，保证了整体刚度与抗震要求。对于二层看台长悬挑位置，通过采用加密悬挑梁间距，减小单根梁的荷载，并在梁内施加预应力，满足了承载力的要求;同时，利用幕墙的主龙骨而设置的14根摇摆柱，对网架长悬挑位置起到有效支撑，有效减小此部分网架的挠度和应力比，满足挠度及抗裂的要求。合理设置的后浇带，让整个屋盖先在内环剪力墙上进行卸载，待整体稳定后再浇筑后浇带，解决了外环墙体受拉力的问题。

［1］ 范钦珊，王波，殷雅俊编著材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［2］ 刘昭培，张韫美编著结构力学［M］.天津:天津大学出版社，1989.

［3］ 周建龙，包联进，陈建兴.世博文化中心钢屋盖结构设计［J］.建筑结构学报2010(05).

［4］ 中华人民共和国住建部.GB50011-2010，建筑抗震设计规范［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.