文体类建筑常见结构设计问题探讨——以“长泰文体中心”为例

陈跃辉

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004)

文体类建筑常见结构设计问题探讨
——以“长泰文体中心”为例

陈跃辉

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004)

文化体育类建筑由于人员密集、使用功能复杂，常常存在超长结构、空旷结构、楼板有效宽度不足、大跨度钢屋盖结构设计等问题，如何确定建筑抗震设防类别和结构抗震等级常常成为结构设计的难点。本文以长泰文体中心结构设计为例，探讨以上常见问题的设计方法，为类似工程的设计提供借鉴。

文体中心；超长结构；空旷结构；大跨度钢屋盖；抗震等级

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引 言

文化体育类建筑不同于常规的混凝土结构，由于功能复杂、人员密集、造型和空间的需要，常常会出现诸如超长结构、空旷结构、楼板有效宽度不足、大跨度钢结构屋盖等问题，需要通过设置合理的结构体系、构造措施、分析薄弱处楼板应力以及合理的计算假定等措施解决。另外如何确定此类建筑的抗震设防类别，确定结构的抗震等级，往往也成为此类结构设计的难点。本文以长泰文体中心结构设计为例，探讨以上结构问题的设计方法，希望能为类似工程设计提供借鉴。

1 工程概况

“长泰文体中心”位于漳州市长泰县，总建筑面积133729m2，包含了图书馆、博物馆、文化馆、展览馆、科技馆、综合体育馆、主体育场七个单体。主体结构层数均为4层，建筑总高度<24m。建筑总体鸟瞰详图1。

结构设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第二组，场地类别：II类；50年一遇的基本风压：0.55kN/m2，地面粗糙度：B类。

图1 总体鸟瞰图

2 抗震等级

钢筋混凝土结构房屋应根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级[1]。抗震设防的所有建筑应按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223确定其抗震设防类别及其抗震设防标准[1]。公共建筑，应根据其人员密集程度、使用功能、规模、地震破坏所造成的社会影响和直接经济损失的大小划分抗震设防类别[2]。本工程图书馆建筑面积9484m2,属中型图书馆；博物馆建筑面积9484m2,属中型博物馆；文化馆建筑面积9799 m2,属大型文化馆；展览馆建筑面积6578m2,属小型展览馆；科技馆建筑面积9636m2,属中型科技馆；综合体育馆建筑面积17251m2,其中游泳馆内观众席1000座，篮球馆内观众席4000座，属中型丙级体育馆；主体育场建筑面积20468m2,有观众席10000座，属小型体育场。根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)[2]第6.0.3条和6.0.4条，图书馆、展览馆、科技馆、主体育场抗震设防类别应划为标准设防类，博物馆、文化馆、综合体育馆抗震设防类别应划为重点设防类。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[1]第6.1.2条，图书馆、展览馆、科技馆、主体育场抗震等级为三级，博物馆、文化馆、综合体育馆抗震等级为二级。图书馆的报告厅屋面梁跨度21m，科技馆的电影院屋面跨度20.8m，均属跨度≥18m的大跨度框架，构件抗震等级取二级。主体育场二层室外平台为单跨结构，层高7.2m，为提高结构安全度，单跨结构柱抗震等级取二级，并按抗剪中震弹性、抗弯中震不屈服复核单跨框架柱的配筋。

3 超长结构

文体类建筑由于使用功能的需要，平面长度往往较长，过多的切缝既影响使用，对建筑立面也造成一定的破坏。以“长泰文体中心为例”，各馆平面长度均在65m～100m之间，超过了《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[3]第8.1.1条钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距55m的要求。为防止混凝土温差变化和混凝土收缩效应造成的开裂，本工程采取如下措施：

(1)加强屋面的保温隔热措施。

(2)减少混凝土的水灰比、混凝土的水灰比控制在0.4～0.5之间。加强混凝土的施工养护，混凝土初凝前多次压光及加强潮湿养护，确保混凝土不出现早期裂缝。混凝土初凝后，应采用如薄膜覆盖保水、覆盖两层麻袋、草帘保温等措施，并定期喷雾或喷淋养护，养护时间不得少于20d。

(3)主体结构中部层层设置后浇带，后浇带在主体结构封顶2个月后才能封闭，后浇带采用强度等级高一级的微膨胀混凝土。

(4)板面均附加Φ6@150×150双向拉通钢筋网片、屋面设置诱导缝，释放屋面温度变形产生的应力，诱导缝的做法详(图2)。

图2 屋面诱导缝做法

4 空旷结构

体育馆类建筑由于运动、观演的需要，常常采用大跨度空旷结构，此类建筑存在抗侧力构件减少，楼板不连续等问题。为提高空旷结构的抗震能力、增加结构的冗余度，根据《福建省建筑结构设计若干规定》(闽建科[2012]37号)第11条：“剧场、体育馆、会堂等大跨度、空旷的公共建筑不宜采用纯框架结构体系”。长泰文体中心综合体育馆为4层框架结构，为避免形成纯框架结构，在建筑四角及楼电梯间等适当位置布置少量剪力墙，形成少墙框架结构体系。剪力墙的设置既加强了结构的整体刚度，增加了结构抗连续倒塌的能力，同时边角剪力墙的存在，有效的控制了结构的扭转变形。

结构计算时位移比的控制：由于大空间和斜看台的存在，结构楼板不连续，此时位移比的计算如果再点取“强制刚性楼板假定”，结构分析严重失真，位移比也没有意义。空旷结构可以通过位移的“详细输出”或观察结构的变形示意图，来考察结构的扭转效应。

结构计算采用框架和框剪两种模型复核，计算结果对比详(表1)，从计算结果看，两种计算模型各项计算指标均满足规范要求。增设剪力墙后，结构的自振周期和层间位移角减少，对结构刚度有明显提高；结构的扭转位移比减少，剪力墙的设置控制了结构的扭转变形。为进一步考察剪力墙的设置对结构大震作用下弹塑性变形的影响，采用pushover软件分析结构在大震下变形反应。经计算，增设剪力墙后结构在罕遇地震作用下最不利层间位移角由1/220减少为1/258,剪力墙的设置提高了结构在罕遇地震作用下抗倒塌能力。结构在大震作用下弹塑性变形详见(图3)。对柱、剪力墙及竖向构件周边的框架梁按两种计算结果的大值包络配筋。

表1 综合体育馆两种计算模型计算结果对比表

图3 综合体育馆框剪模型大震作用下弹塑性变形曲线

综合体育馆斜看台对看台柱子有一水平推力,由于SATWE程序无法准确模拟看台梁水平推力对柱的影响,应抽取斜看台处典型框架用PK程序进行复核,对看台处梁,柱的配筋应取PK与SATWE程序两者计算的大值进行包络。PK计算简图详(图4)。

图4 综合体育馆13轴PK计算模型

5 楼板应力分析

因功能需要，文体类建筑常常出现楼板大开洞，导致楼板有效宽度远小于该层楼板典型宽度的50%，如文化馆3层平面X向楼板有效宽度仅17%左右，见图5阴影区。

为保证结构整体有效地共同工作，对楼板有效宽度小于50%处楼板进行应力分析。计算软件采用PKPM-PMSAP(2010版)，楼板计算模型采用弹性膜，计算工况采用中震作用，楼板薄弱处板厚取150mm，计算所得的楼板应力图如(图6、7)所示。

图5 文化馆3层平面楼板大开洞示意图

图6 X向地震工况下3层楼板拉应力等值线

图7 Y向地震工况下3层楼板压应力等值线

楼板混凝土强度等级为C30,根据《混凝土结构设计规范》(GB 20010-2010)[3],楼板混凝土抗压强度设计值fc=14.3 MPa，抗拉强度设计值ft=1.43 MPa。计算所得楼板薄弱处最大压应力382KPa,即0.382MPa，远小于楼板的混凝土抗压强度设计值fc=14.3 MPa。楼板薄弱处最大拉应力190KPa,即0.192MPa，也远小于混凝土抗拉强度设计值ft=1.43 MPa，故楼板薄弱处抗压抗拉承载力能够满足规范要求。为安全起见，楼板薄弱处板钢筋双层双向拉通。

6 大跨度钢屋盖设计

本工程综合体育馆屋盖采用正放四角锥钢网架屋面。网架最大跨度为66.3M，网架最大厚度为3.5M。体育馆网架结构布置如(图8)。 网架支承采用压力平板支座,螺栓球节点。 屋面采用夹芯板屋面。

图8 综合体育馆钢网架屋盖平面布置图

采用浙江大学MST2011设计软件进行电算。网架采用空间桁架位移法进行内力计算，节点采用铰接节点模型，网架计算考虑了屋面的恒荷载和活荷载、下部吊挂、马道的荷载和风荷载。考虑施工安装完毕时气温与当地常年最高或最低气温之差为±15°C。网架采用上弦多点支撑,支座均设在外围框架柱。分析结果支座的最大反力为680kN，网架最大挠度为L0/364, (L0为网架的计算跨度)满足规范≤L0/250的要求。

为加强结构的整体刚度，设计中有意加大柱顶圈梁，柱顶圈梁的断面为400×800mm，这样能较好发挥结构的整体空间作用，并加强对看台框架的约束作用。本工程采用PKPM系列的SATWE程序对结构主体进行电算,而目前SATWE程序无法直接输入钢结构屋面,若直接按普通钢筋混凝土屋面带入计算,将会使计算结果失真,故须对钢结构屋面进行合理的模拟。本工程采用如下处理：根据等刚度变形协调原则，钢结构屋面按宽700mm,高1500mm,腹板与翼缘厚度均为150mm的工字钢钢梁输入,于柱位上双向布置，梁端点铰接, 以保证钢梁不参与地震剪力分配。屋面板板厚设置为0,采用弹性楼板假定对结构进行空间整体分析,确保屋面板不传递水平地震力;钢结构屋面支座的反力以节点荷载的形式附加于框架柱。经验算,这样的处理既保证了钢结构屋面不参与地震剪力的分配,又能将屋面的荷载传递至主体结构,确保主体建筑的安全。

7 结论

(1)文化体育类建筑应根据使用功能、人员密集程度、规模确定抗震设防类别，并以确定结构的抗震等级；并对抗震薄弱部位适当提高构件的抗震等级。既满足主体结构抗震设防的要求，又确保关键构件的安全度。

(2)超长结构为避免混凝土温度变化和收缩应力造成楼板开裂，应采取加强施工养护、设置后浇带、设置板面构造钢筋，设置屋面诱导缝等综合措施。

(3)空旷结构不宜采用纯框架结构，应在适当位置布置剪力墙，提高结构的抗震能力，并对主要抗侧力构件采用框架和框剪两种计算模型包络配筋。同时抽取典型框架用PK程序复核，以准确模拟斜看台、连层柱对主体结构的影响。

(4)对楼板有效宽度不足50%的薄弱部位，应进行中震工况下的楼板应力分析，保证结构整体有效的工作。

(5)对钢结构屋面应采用铰接节点模型，使屋面不参与地震剪力的分配，并在主体计算中对钢屋面进行合理的模拟。加大柱顶圈梁的尺寸，提高结构的整体刚度。

致谢：论文撰写过程中，得到集团总工程师肖伟教授级高工的悉心指导，在此深表感谢。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].

[3]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

Research on common structural design problems of cultural and sports buildings——"Chang tai cultural and sports center" as an example restrained brace

CHENYuehui

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co, Ltd.,Xiamen 361004)

Because the crowded, complex function, cultural and sports buildings often exist the problems such as super-long structures, open structures, lack of effective width of slab, design of large span steel roof structure, how to determine the seismic fortification category and classes of seismic measure often become the difficulty in structural design. In this paper, taking Chang tai cultural and sports center design as an example, the common problems mentioned above were discussed, the reference for similar engineering design were provided.

Cultural and sports center; Super-long structures; Open structures; Large span steel roof；Classes of seismic measure

陈跃辉(1977.10- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师。

2015-05-18

TU318

A

1004-6135(2015)07-0042-04