前滩信德文化中心大剧院结构分析与设计

孙 璐

（宜家（中国）投资有限公司，上海 200235）

0 引言

本文介绍了前滩信德文化中心大剧院的结构分析与设计。与普通建筑物相比大剧院建筑平面布置复杂、内部空旷 、局部楼板大开洞，属于特别不规则的高层建筑结构。本文针对以上难点对大剧院的结构体系选定进行了论述，同时对重点部位的结构分析设计给予介绍，并根据上海市地方规定的要求对建筑单体预制率计算进行阐述，可为其他类似项目作为参考。

1 项目概述

本项目文化中心位于上海浦东新区前滩地区。地块项目为商业综合体，包含办公楼、酒店、商业及大剧院。大剧院建筑面积约 18 900 m2，拥有观众席约 2 500 座，地上建筑 6 层，地下建筑 3 层，包含大礼堂、展览厅、多功能演艺厅等多种使用功能。

地面总高约 43 m，屋盖结构跨度约 40 m，采用大跨钢桁架组成的大型钢屋盖体系，建筑效果图如图 1 所示；工程平面选型复杂、内部空旷、局部楼板大开洞、扭转不规则及其他不规则，属于特别不规则的高层建筑结构。为了贯彻《上海市住房和城乡建设管理委员会关于本市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则（试行）的通知》（沪建建材〔2016〕601 号）文，剧院主体采用钢框架-剪力墙加钢斜撑的混合结构，这种体系既满足不同建筑功能的要求，也提供相当大的抗侧刚度，同时满足预制率的要求。

图1 剧院建筑效果图

大剧院设计基准期 50 年，设计使用年限 50 年，建筑安全等级为二级。根据 GB 50223－2008《建筑工程抗震设防分类标准》［1］，第 6.0.3 条条文说明，该剧院座位约 2 500 座，＞1 200 座，属于大型剧院，抗震设防类别判断为乙类建筑。结构抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值 0.10 g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别 Ⅳ 类。

2 结构体系

为了贯彻《上海市住房和城乡建设管理委员会关于本市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则（试行）的通知》（沪建建材〔2016〕601 号）文对建筑预制率不低于 40 % 的要求，大剧院在方案选型阶段考虑了纯钢框架、钢框架-混凝土剪力墙以及钢框架-混凝土剪力墙-钢支撑的不同方案试算。PC 装配式混凝土结构也是目前常见的预制结构形式，但由于大剧院建筑布置复杂，层层均不一致，采用混凝土预制件无法统一模数，对项目造价及工期有较大影响，故不考虑此方案。由于建筑布置复杂，采用钢框架结构能灵活放置，但局部框架无法直上直下需做转换，舞台及观众厅的大开洞又使得结构水平向较为薄弱，钢框架结构的抗侧能力较弱，无法满足结构变形需求。同时由于建筑声学功能与造型需要，观众厅及舞台周边需设置混凝土实心墙作为隔音措施［2］，在这个条件下可利用这些混凝土墙体作为结构剪力墙承担侧向力，地震作用和风荷载通过楼面和周边框架梁传递至框架柱和剪力墙，由框架与剪力墙组成的整体抗侧体系共同承担。由于前厅建筑造型影响，前厅区域的 Y 向剪力墙停于 L2 夹层就无法再向上层延伸，因此为了增强高区结构抗侧刚度，在前厅部分 Y 向建筑隔墙内设置了转换斜撑，以此减小结构变形。最终剧院主体采用钢框架-混凝土剪力墙-钢支撑的混合结构，这种体系在满足不同的建筑功能需求的前提下，还能提供相当大的抗侧刚度。

该剧院观众厅及舞台周边剪力墙内侧因楼座区域大开洞形成楼板不连续，在全楼分析时楼座结构仅承担竖向荷载作用，剪力墙外侧楼板连续，可提供楼板约束，全层楼板采用钢筋桁架楼承板。屋盖结构采用大跨钢桁架支撑。地下室顶板作为嵌固层设计，其因升降乐池及升降座椅影响，有约 30 m×33 m 范围的局部 1.5 m 深降板；在降板高差处采用梁加腋形式传递水平力，使地下室顶板基本保持连续。地下室顶板以上楼层存在错层，首层结构高度按照真实建筑标高（前厅范围 3.9 m，后勤区域 6.5 m）来计算楼层等效剪切刚度。经复核最不利方向，B1 层等效剪切刚度约 2.23×108kN/m，L1 层等效剪切刚度约 1.06×108kN/m，嵌固比约 0.49 满足首层嵌固要求。同时根据嵌固层楼板地震应力分析结果，加强首层降板区域周边配筋，确保嵌固层楼板在多遇地震下不开裂，设防地震下钢筋不屈服。大剧院主体结构模型如图 2 所示，典型楼层平面的结构布置如图 3 所示，剖面结构示意图如图 4 所示，主要构件尺寸和材料如表 1 所示。

图2 剧院主要结构受力体系示意图

图3 剧院典型楼层平面布置示意图

图4 剧院剖面结构示意图

表1 剧院嵌固层以上主要构件截面尺寸和材料等级

3 建筑单体预制率计算

按照上海市地方规定，本项目应满足建筑单体预制率不应低于 40 % 或单体装配率不低于 60 % 的要求。建筑单体预制率是指混凝土结构、钢结构、钢-混凝土混合结构、木结构等结构类型的装配式建筑在 ±0.000 以上主体结构和围护结构中预制构件部分的材料用量占对应构件材料总用量的比率；单体装配率是指装配式建筑中预制构件、建筑部品的数量（或面积）占同类构件或部品总数量（或面积）的比率［3］。建筑单体预制率=Σ（构件权重×修正系数×预制构件比例）×100 %。大剧院的预制构件包括以下类型：预制方钢管柱、预制钢梁、钢筋桁架楼承板、预制钢楼梯，详细计算详如表 2 所示。

通过计算，钢框架-混凝土剪力墙-钢支撑的结构形式可满足单体预制率不低于 40 % 的要求。

4 超限类别、抗震性能目标及整体指标

4.1 超限类别

本工程属于体系复杂的空间结构，由于建筑内部功能的要求，多处楼板不连续，存在大面积开洞和较大错层，平面和竖向均有不规则。其中一般不规则项：扭转不规则，局部楼层最大位移比 1.47；楼板不连续，局部楼层大开洞，开洞面积大于本层面积 50 %；构件间断，支撑不连续；其他不规则，存在夹层、错层，个别构件转换。

4.2 抗震性能目标

该剧院平面不规整，结构体系复杂，经专家评审，选用 C 级性能目标。各构件抗震性能目标如表 3 所示。

4.3 整体指标

该剧院采用 YJK 为主要计算分析软件，同时在总体设计阶段采用 ETABS 软件，建立独立的模型来检验分析结果。考虑大剧院在 L1～L6 层均设有楼板大开洞，因此在结构计算模型中楼板采用弹性膜单元进行分析，错层处楼板采用刚性板单元分析。结构底层框架倾覆力矩＞10 %，＜20 %，按框架剪力墙结构进行设计。剧院主体结构部分整体指标如表 4 所示。结构第一扭转周期（T3）与第一平动周期（T1）之比为 0.77，地震荷载组合工况为控制工况。

5 结构设计重点及难点

5.1 转换斜撑设计

由于建筑布置影响，前厅部分 Y 向剪力墙停在 L2 夹层标高，导致高区 Y 向结构刚度削弱，且刚度分布不均。为控制高区 Y 向扭转及变形，经过方案研究且在不影响建筑布局的前提下，从 L2m 标高至屋顶，在前厅部分建筑隔墙内增设 Y 向转换斜撑。斜撑位置示意图如图 5 所示。通过比较设斜撑方案及不设斜撑方案下的 Y 向地震楼层位移角（见图 6）可见，不设斜撑方案高区结构变形过大，位移角已超出规范限值，加设斜撑可有效减小高区结构位移。分析显示，斜撑底部 Y 向地震剪力约 900 kN，仅为同向基底剪力的 4.5 %。可见，大部分地震剪力仍由剪力墙及框架柱承担，确保了结构多道防线的安全。

表2 大剧院单体预制率

表4 结构整体指标

斜撑由于建筑效果影响无法落地，需通过转换结构将荷载传递至基础。斜撑与柱相连处铰接，地震力通过斜撑传递至斜撑转换梁柱上，并通过水平传力支撑将水平力传递至剪力墙上，从而将力传递至基础，传力示意如图 7 所示。斜撑转换梁柱及水平传力支撑按照小震弹性、中震不屈服的性能目标设计，且不考虑楼板刚度作用。

5.2 观众席长悬挑看台设计

图5 转换斜撑位置示意

图6 设斜撑与不设斜撑对 Y 向地震作用下楼层位移角的对比

该剧院共有 4 层看台，看台结构采用钢结构，其中位于 L3～L4 之间的第 3 层看台悬挑长度最大，约为 10 m，如图 8 所示。在建模分析时，按照真实斜度建模，并不考虑楼板的刚度贡献。长悬挑钢梁及其相连的型钢柱作为重要关键构件，其抗震等级提高一级，性能目标定为中震弹性、大震不屈服。其中 L4 看台最长悬挑梁跨约 10 m，根部截面尺寸为 1 400 mm×300 mm×40 mm×40 mm，端部减腋至 500 mm 高。由于悬挑跨度较大，为控制结构挠度及舒适度，在与柱相连的悬挑梁下方设置了一道支撑，并通过后胯梁将力传递，避免支撑悬挑柱剪力突变。

图7 斜撑传力示意图（单位：mm）

图8 悬挑看台模型示意图

对 L4 层悬挑看台进行楼板舒适度分析。分析时采用结构阻尼比 2 %，行人质量 70 kg，楼板单元划分为四节点单元，局部为三节点单元，板厚 160 mm，考虑到动力影响，壳单元的弹性模量增大为 38 GPa［4］。经过模态分析结果，L4 看台悬挑结构第一模态 8.264 Hz＞3 Hz，可保证结构具有适宜的舒适度，避免行人行走时周边人群的不舒适感。由于 JGJ 3－2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中并未明确看台结构的楼盖竖向振动加速度，考虑到本项目悬挑看台对振动较为敏感，选用比商场更为严格的办公水准 a≤0.05 m/s2，来进行设计控制。分析结果显示，本层悬挑看台端部最大加速度约 0.037 m/s2，小于办公限值，如图 9 所示。

图9 L4 层悬挑看台加速度云图

L4 看台长悬挑梁在中震下最大应力比约 0.29，由竖向地震荷载工况控制，满足中震弹性要求。根据 GB 50017－2003《钢结构设计规范》悬挑梁挠度限值为 l0/400（恒载+活载）和 l0/500（活载），l0为两倍悬挑跨度，并考虑楼板刚度贡献。恒载下最大挠度 20 mm，活载下约 10 mm，满足挠度限值。可见悬挑结构由舒适度及刚度控制，并有可靠的安全冗余度。

6 结论

经过分析及校核可判断本项目大剧院采用钢框架-混凝土剪力墙-斜撑结构体系是合理的。根据结构底层框架倾覆力矩判断，该剧院按框架剪力墙结构进行设计，斜撑仅为控制结构变形所设。地震作用为结构设计主要控制因素，由于体系复杂，结构扭转效应明显，相应增强外圈框架抵抗结构扭转。线弹性分析结果表明，结构具有合适的刚度，能够满足各种工况下计算要求。大剧院中庭洞口周边楼板适当加强钢筋，以提高结构整体性。对悬挑看台，考虑了强度、刚度、舒适度的全面分析，确保在其正常使用状态的舒适性和承载力极限状态的安全性。