白鲸海象表演馆结构设计实例分析与应用

翁齐敬

(福建省建盟工程设计集团有限公司 福建福州 350000)



白鲸海象表演馆结构设计实例分析与应用

翁齐敬

(福建省建盟工程设计集团有限公司 福建福州 350000)

根据工程实例，以某旅游项目白鲸海象表演馆为例，对该建筑大跨度、大空间、楼板大开洞、桩侧摩阻力计算与分析、屋面钢网架与钢筋混凝土主体结构协同作用分析等，对结构设计过程中的一些重难点问题进行简要介绍。

钢网架；楼板大开洞；桩侧摩阻力

0 引言

随着我国经济的快速发展，人民生活水平的提高，人们对物质水平得到极大的满足，同时对精神需求也与日俱增，随之各种大型的剧院、体育场馆及娱乐项目等迅速在各地兴起。以海洋为主题的项目受到越来越多人的欢迎，白鲸海象表演馆作为主题公园的一个重要组成部分，发挥着极其重要的作用。但是大型公共建筑在设计和施工，受到诸多因素的影响，如大跨度、大空间、楼板大开洞、夹层及错层多等特点，使其设计过程中难度较高。因此作为专业技术人员在设计过程中可能出现的一些问题，通过综合考虑各种因素，提出相对合理解决方案。本文将通过分析某旅游项目白鲸海象表演馆工程实例设计，为公共建筑的结构设计提供一些经验和思路。

1 工程概况

该工程为白鲸海象表演馆，建筑面积14 171.14m3(其中地上建筑面积12 214.80m2，地下室面积1956.34m2)，地面共2层，其中地下室1层为设备区。一层主要为白鲸海象表演参观及生活区、浮潜体验区以及运行设备安放区，如图1所示；夹层(即3.5m标高层)主要为暖通设备用房及各类工艺运行设备区；屋面层(即7.0m标高层)主要为暖通设备用房及配套办公区；12.1m标高层为音响灯光设备用房；白鲸表演剧场区上空屋面为钢网架屋面，因此剧场区域一层以上楼层楼板大开洞，如图2所示。

图1 白鲸海象表演馆鸟瞰图

图2 白鲸海象表演馆剖面图

该工程建筑物的总长为74.7m，宽度为64.4m，室外地面至屋面檐口高度为21.650m，主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，白鲸表演剧场区上空屋面采用空间钢网架结构。建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类)，结构安全等级为一级，设计使用年限为50年[2]。所在地区的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。50年一遇的基本风压0.80kPa，地面粗糙度为B类，风载体型系数：1.30[2]。场地类别为Ⅲ类，建筑类别调整后用于结构抗震验算的烈度为6度，用于确定抗震等级的烈度为7度，框架抗震等级为三级。

2 结构设计要点解析

2.1 电算分析与总结

该项目为满足白鲸、海象的生活及表演，在有限的建筑空间内就必须构建出多样的使用功能，使得建筑平面布置上较为复杂，楼面标高变化较大，存在多处的夹层及错层、楼板大开洞。且建筑内部为满足白鲸、海象的生活及表演，必须设置各种生活池、表演池。这些多样的使用功能也给结构建模上带来不小的难度，在建模及电算过程中所遇见的问题主要有以下3点。

(1)白鲸表演剧场区及看台位置上空，由于使用功能上需要对楼板大开洞，形成跃层结构，对结构整体的刚度有极大的削弱。

(2)白鲸生活池周边以及看台区下方设置较多的夹层板，以满足不同的使用功能，这样也造成不同标高的楼板分布在平面的不同区域，并且楼板彼此之间不连续，对于传递水平力极为不利。

(3)建筑物内部的白鲸生活池、表演池、浮潜池等水池侧壁是按深梁构件假定计算还是按剪力墙构件假定计算，哪一种计算更能反应工程实际，在设计之初还未有所定论。初步计算模型，是根据水池侧壁按深梁假定如图3所示，所得到的周期、位移比等重要计算指标如表1所示。

针对建模及电算分析过程中出现的以上问题，采取以下应对策略：

(1)跃层看台板按同一标高平面建模以避免结构侧向刚度进一步削弱，且看台下方消防水池侧壁也均按剪力墙建模，以增强结构的侧向刚度。

(2)各夹层及错层交接处楼板定义为弹性膜，将平面楼板分成几块独立的楼板，避免交接处的应力集中，并适当加大交接处楼板板厚，采用双层双向拉通的钢筋。

(3)白鲸生活池、表演、浮潜池等水池侧壁按剪力墙假定，如图4所示，所得的周期、位移比等重要计算指标。

通过以上措施调整后计算模型结构指标如表1所示。

表1 各计算模型结构指标对比

图3 计算模型一(按深梁假定)

图4 计算模型二(按剪力墙假定)

2.2 屋面钢网架与钢筋混凝土主体结构协同作用分析

白鲸表演剧场区上空屋面采用扇形的空间钢网架结构，属于大跨度屋盖结构，《建筑抗震设计规范》10.2.7条[1]要求：计算模型应考虑屋盖结构与下部结构的协同作用。但是按传统做法难以处理这种空间复杂结构，通常是把空间屋盖结构按照虚梁或者一般梁近似的模拟，难以达到设计要求[2]。该工程屋面大跨度钢网架结构与钢筋混凝土主体结构共同构成一个整体，在计算模型内考虑两种结构之间的协同作用，以充分考虑整个结构的各种不利因素，并达到对实际工程较为真实的模拟计算，保证计算结果准确。在计算结果中找出不利的影响因素，有利设计过程中制定有效的措施，保证结构的整体安全。

该工程通过结构计算软件接口将钢结构专业已建好的钢网架模型导入盈建科结构计算软件[3]空间结构模块下与原有的钢筋混凝土进行拼装，两者协同共同计算时注意以下两点：

(1)钢网架屋盖和下部主体结构之间拼接时，直接将钢网架放置在下层柱上，并且在拼接的柱节点处设置弹性支座。考虑其实际存在的支座滑动情况，避免由于没有设置弹性支座，出现钢网架和下部支承结构连接关系混乱，造成下部结构计算配筋异常。

图5 计算模型三(考虑钢网架协同作用)

(2)由于空间层体型多变复杂，软件尚无法自动计算这层的风荷载，因此该层的风荷载必须人工补充输入。计算软件通过在空间钢网架的外表面生成蒙皮，在蒙皮上施加风荷载并进行蒙皮的导荷，人工输入作用蒙皮的风压或者体系系数，由软件自动导算出空间钢网架的风荷载。通常大跨度屋盖结构在工程中占有相当大一部分，其在风荷载工况下的受荷面积较大，结构整体分析时考虑风荷载是十分有必要的。通过屋面钢网架与钢筋混凝土主体结构协同作用的计算模型，如图5所示，调整后的结构指标如表1所示。通过二次优化计算模型，结构的周期、有效质量系数及扭转系数等指标均满足规范要求，只有X向风荷载作用下局部楼层的最大层间位移角与平均层间位移比值1.94，超过高层建筑混凝土结构技术规范[4]而该规范只对考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下的位移比有要求。经过多次的对比计算结果，并对计算后指标进一步分析与电算优化，从而得到相对合理的计算模型， 并能符合工程实际要求。

2.3 桩侧负摩阻力计算与分析

拟建筑物基础型式采用桩基础，根据静载所确定的单桩承载力特征值为2600kN，根据地勘报告所在场地存在19.5m～21.9m厚的淤泥层。桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时[4]，计算基桩单桩承载力时应考虑桩侧负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响。

桩侧摩阻力的计算过程中特别注意以下两点：

(1)根据《建筑桩基技术规范》中5.4.4条[4]所给的桩侧负摩阻力标准值计算公式，所得负摩阻力标准值应与土的极限侧摩阻力值比较。当所求得负摩阻力标准值大于土的极限侧摩阻力值应取土的极限侧摩阻力值进行计算，该点在计算桩侧负摩阻力值过程中容易出错，直接按土的侧摩阻力标准值来取值。

(2)中性点深度ln的确定受诸如桩持力层的刚度、桩与桩侧土的相对位移，以及桩类型及沉桩工艺因素的影响，因此要精确地计算中性点十分困难，现阶段确定中性点深度ln则根据《建筑桩基技术规范》提供经验值来确定。具体计算结果如表2所示。

表2 桩基负摩擦力计算

注:①参考《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)5.4.4； ②地下水以下采用浮容重； ③当负摩阻力计算值大于正摩阻力标准值时，取正摩阻力标准值进行设计。

因此，在布桩过程中所取的单桩承载力特征值应为Ra=2600+(-514.92)=2085.08kN，取Ra=2100kN。

扣除负摩阻力影响后单桩承载力特征值，才可以真正发挥作用。

在工程实践过程中，特别在沿海地区及软土地区，桩侧负摩阻力计算逐渐成为重要的问题。如果在桩基设计过程中不考虑和未充分考虑桩负摩阻力，对桩基可能造成一定的安全隐患，可能造成桩端地基的屈服于破坏、桩身由于失稳及不均匀沉降引起上部结构的开裂等问题，需花费更大精力、物力及财力补强加固或者拆除。同样，对负摩阻力的概念的理解不清晰而过分强调安全，在桩基设计过程中容易造成不必要的浪费。因此，正确理解桩侧负摩阻力的概念对桩基设计起到至关重要影响，保证桩基安全可靠的使用。

3 结语

本文是以某旅游项目的白鲸海象表演馆为例，对其中的设计流程介绍以及设计过程中遇见重难点问题进行解析，并提出个人对这真的些问题的解决方案。

(1)由于建筑多样的使用功能使得建筑平面内大开洞，错层及夹层，由此造成的结构平面及竖向的不规则，对此，主要通过加强洞口周边楼板厚度及配筋来加强；建筑内部各处的各类的水池，造成整体结构侧向刚度的削弱，则主要通过水池侧壁按剪力墙来考虑，以更合理地反映结构内部的刚度。

(2)屋面钢网架与混凝土主体结构采取协同作用来分析，能准确导算屋面钢网架的风荷载，考虑风荷载对混凝土主体结构的影响。

(3)桩侧负摩阻力的准确计算，对于存在较厚的软土地区来说极为必要。设计过程中若未能充分考虑桩侧负摩阻力影响，则将使建筑的桩基础存在一定的安全隐患，应充分认识到桩侧负摩阻力对桩基设计起到作用。

[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 陈岱林，高航.结构软件计算条件及常见问题详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 北京盈建科软件股份有限公司.盈建科建筑结构设计计算软件用户手册及技术条件-V2.0[Z].2014.

[4] JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

Analysis and Application on Design Instance of the White Whale Walrus Performance Hall

WENGQijing

(Fujian Jianmeng Engineering Design Group Co., Ltd, Fuzhou 350000)

This paper taked a white whale walrus performance hall of a tourism project as a case, according to the real engineering example, analyzes the building of large span, large space, flat slab with opening, friction of pile calculation and analysis, conjunction analysis between roofing steel truss and the major structure of reinforced concrete, and introduced briefly some difficulties in structural design process.

Steel frame; Flat slab with opening; Friction of pile

翁齐敬(1987.5- ),男，工程师。

E-mail:471024057@qq.com

2017-04-05

TU318

A

1004-6135(2017)08-0038-04