某大跨室内演艺剧场结构设计研究

郑 聪

(福建天正建筑工程施工图审查事务有限公司 福建福州 350001)

1 建筑项目概况

该工程位于集美区后溪镇海翔大道与厦安高速连接线交叉口西侧，为一个两层的大型室内民俗文化表演项目，其一层为观众集散大厅、相应配套的设备用房及演员化妆间等，二层为表演及看台部分，单体总建筑面积约为32 000m2。

该剧场与众不同的地方就是其表演舞台均设置在场馆内的外边缘，共有六幕表演节目，场馆的中间为水池，水池上有艘船。该船为可移动的观众席，可360°观看演出。如图1～图3所示，建筑物檐口高度14.10m，上部球形屋面矢高31m，其平面投影近似椭圆，其长轴跨度为150m，短轴跨度为120m。

2 结构设计概况

该工程设计条件：使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，地面粗糙度为B类，设计基本风压为0.95kN/m2(百年一遇)，网架下弦吊挂荷载1.5kN/m2(局部舞台上空为2.5kN/m2),抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.15g，设计分组为第二组，建筑场地类别为II类，特征周期0.40s。

结构形式：屋盖结构跨度为120m大跨屋面且外观曲面近似球面。按照建筑外形及内部空间要求，结合经济性考虑，大跨屋面采用刚度较大、变形较小、稳定性较好的双层网壳结构体系，其网壳厚度取4m；下部结构采用框架剪力墙结构体系，其中网壳的支承框架柱及支承梁内设钢骨加强。房屋高度大于24m且房盖跨度超过《空间网格结构技术规程》(JGJ7-2010)[2]规定的屋盖最大适用跨度，属于超限大跨空间结构。

基础形式：网壳支承竖向构件基础采用冲、钻孔灌注桩，其余竖向构件采用管桩，持力层为砂砾状强风化花岗岩。

图1 效果图

图2 二层平面图

图3 剖面图

3 结构计算与分析

大跨屋面及其支承结构材料不同，且大跨屋面对主体产生较大水平推力，结构计算分析时重点从以下几个方面加以控制：

(1)关键构件(支承屋盖的框架柱、剪力墙及框架环梁；屋盖支座)性能化设计。

(2)结构整体计算分析应考虑不同阻尼比的影响，屋顶网壳的阻尼比取0.02，下部支承混凝土结构的阻尼比取0.05。

(3)网壳结构应采用整体计算模型与分开单独模型分别计算并进行包络设计。

(4)应考虑竖向地震为主的地震作用效应组合。

(5)上部结构环梁、短轴方向中间三榀二层框架梁和底层基础梁计算需采用网壳独立计算的推力。

(6)每榀边框墙需按单榀结构计算复核，其所取推力采用单独网壳计算推力，其顶点位移不能超过整体分析时的柱顶位移。

(7)双层网壳结构的构件应力比需控制在0.8。

(8)温度作用分别考虑施工、合拢和使用3个不同时期各自的不同温差来确定。查集美地区的气候资料可知，1月份最冷，平均最低气温为9.90℃；7月最热，平均最高气温为32.30℃。计算时网壳的温差取正负250，在荷载组合中考虑恒+活+风+温度作用组合。

3.1 分析程序与建模

网壳单独计算，采用空间结构设计软件3D3S计算；整体计算，采用盈建科建筑结构计算软件YJK，并与3D3S计算结果进行包络设计；网壳支座节点应力分析采用有限元分析软件ALGOR(Autodesk Simulation)。

YJK整体建模时，劲性梁柱均直接输入，以考虑其对整体结构刚度的贡献。网壳作为空间层输入，其与支承结构的连接，通过释放转动约束来实现。为考虑平直段边框墙水平力对二层梁板的影响，建模时二层楼板按弹性板计算结果进行包络复核梁板配筋。

3.2 抗震性能设计

综合考虑设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、震后损失和修复难易程度等多种因素，确定该工程抗震性能目标[1]为D级(表1)。

3.3 整体分析主要计算结果

常遇地震结构动力特性如表2所示。从计算结果来看，第一阶和第二阶模态分别为X、Y向平动，扭转模态为第五阶，扭转周期与平动周期的比值等于0.47，说明该建筑不属于扭转不规则的建筑。

表1 抗震性能目标

表2 常遇地震结构动力特性

小震及中震作用下计算得到的结构最大响应位移结果列于表3。可以看出，中震下层间位移角及剪重比合理，位移比虽大于1.4，但在合理的范围内。

表3 小震及中震作用下结构最大响应计算结果

支承屋盖的边框墙、框架环梁等关键构件均配制钢骨承担推力产生的拉力，且按中震弹性的计算结果进行加强。由图4可知，关键部位墙柱在中震下受拉，但拉应力绝大部分处于较小范围内，可以满足设定的抗震性能目标。

图4 墙柱的应力云图

3.4 单体网壳主要计算结果

计算结果，网壳挠度1/634，满足JGJ7-2010空间网格结构技术规程[2]中规定的1/250的要求。结构计算考虑了水平地震及竖向地震作用，考虑了半跨活荷载等不利荷载布置。计算模型中杆件从D75.5×3.75到D219×14共8种规格，全部采用螺栓球连接，最大螺栓球直径380mm。

按ALGOR软件分析，网壳支座最大应力位于竖向杆根部，最大应力值为222MPa，小于屈服强度，支座结构最大应力位于支座后背筋板处，如图5所示。支座球整体应力小于40MPa，竖向杆件应力约130MPa，斜向杆件应力约100MPa，水平杆件应力较小，应力值约50MPa，支座最大变形为1.1mm。

图5 支座应力云图

根据空间网格结构技术规程，单层网壳及跨度/厚度超过50的需要稳定分析，该项目虽跨度/厚度仅为30，也补充了极限承载力下稳定分析和抗连续倒塌分析，但未考虑砼徐变等材料非线性分析。

屋盖结构同下部混凝土结构采用盈建科软件进行整体计算，对屋盖网壳结构进行了几何非线性稳定分析，结果显示，安全系数K=19.5，满足规范要求，如图6所示。

图6 时程结果显示

抗连续性倒塌的目标，在于结构发生局部破坏后,整个结构不应发生大规模破坏或倒塌,局部破坏发生后不应引起与其相邻的结构发生破坏。该工程采取拆除构件法，以发生局部破坏为前提，通过假定结构中任一杆件失效，分析剩余结构的抗连续倒塌行为。经对不同的缺陷模型，如去掉直段拱一个支座、长轴外环向一个支座或去掉壳体一个斜腹杆等进行分析，仅周边个别杆件出现超应力，对结构影响很小，且结构挠度无变化，不会出现连续倒塌。

3.5 两种模型的误差分析

对网壳采用3D3S进行单体分析,同时运用盈建科软件对下部砼结构及上部钢结构进行整体模型分析,对模型主要结果进行比较。通过比较两种模型，单体模型是按照完全固定铰支座，实际上混凝土结构的环梁和柱有向外微小位移，即支座有向外微小移动(大约有4mm变形)，因此导致网架的支座环梁方向的相关杆件内力会有变大，以及中部圆柱面段网架的杆件内力变大。另外，按整体计算得到柱顶剪力小于按单体固定铰支座计算的支座剪力。

4 结构构造措施

4.1 结构体系存在的主要问题

双层网壳是由径向和环向杆件组成的一个空间杆件体系，上下弦杆和腹杆组成了受力体系良好的空间四角锥结构，如图7所示。

图7 网壳

在网壳受到竖向荷载时，主压力从拱顶开始沿径向杆件或沿空间正交杆件向下传到支座体系，并进而传至网壳下部的支承结构。在水平荷载和温度梯度作用下，网壳中杆件的内力比较复杂，需通过最不利荷载组合来确定支座反力。支座反力由3个方向的力组成，其中以水平推力对结构最不利。

考虑到网壳结构支座的可靠性，该工程要解决的主要问题如下：

(1)双层网壳支座设计，采用固定铰支座还是弹性铰支座。

(2)网壳支承结构如何可靠传递网壳产生的水平推力。

(3)二层混凝土部分长度近170m,严重超长。

4.2 采取的主要构造措施

(1)考虑到网壳跨度大，且实际施工时固定铰支座可靠性较强、性能较为稳定，施工质量易于控制，最终选择了固定铰支座。网壳屋盖结构通过成品抗拉球型铰支座与下部混凝土结构相连接，此种抗拉球型铰支座能够承受较大压力(拉力)及剪力，并能实现一定程度的转动，如图8所示。

图8 抗拉球型铰支座

(2)由于网壳支座产生的法向推力，使网壳下部的支承环梁产生了很大的拉力。而环梁的变形对网壳的内力有很大影响。为解决环梁的环向刚度问题，设计上采用混凝土梁内部加环向钢梁[3]的方法，并对支座间环箍杆件人为加大，保证屋盖结构自身在支座处的环向约束力，如图9所示。支承框架柱亦内置型钢，且两根框架柱之间设置剪力墙，形成完整的边框墙抗水平力[3]。

图9 网壳支座环梁及受力简图

在X向的中部存在30m平直段，上部为圆柱面网壳，此区域水平力较大，且无法转化为环梁拉力，对下部支承结构要求较高。此区域二层楼面梁、地梁尽可能拉通，构造上尽可能使水平力转化成拉梁轴拉力。

基础设计时，考虑网壳的水平力由支承边框墙的基础独立承担，以加强基础的抗水平承载力。

(3)由于建筑二层楼面中部为人工水池，结构难以设缝断开，结构计算时考虑温差对配筋的影响。由于二层大部分位于室内，使用阶段温差较小，构造上主要需解决的是施工阶段水化热产生的收缩裂缝。

由于工期紧张且后浇带易引起水池在后浇带处渗水，结构按一定间距设置膨胀加强带，楼层中部设置后浇式膨胀加强带(即两侧先浇筑，待达到强度后直接浇筑带内混凝土)，同时加强板厚及配筋。

5 结论

该场馆采用框架剪力墙结构支承的屋面双层网壳，结构体系可行，结构布置基本合理。作为大跨网壳结构，网壳对下部主体产生较大的水平推力，结构设计针对建筑弧形和平直段的不同造型，通过弧形部位环梁和平直段的拉梁，在构造上巧妙地把水平力转化成了梁的拉力，减少了水平力对竖向构件的不利影响。结构通过单体网壳和整体建模的包络设计，以及对薄弱部位关键构件的性能设计，保证了大跨网壳及其支承结构在其生命周期内具有良好的可靠性。

目前该工程已投入使用，其网壳及支承结构的变形皆在允许范围内。