鄭 聰

(福建天正建筑工程施工圖審查事務(wù)有限公司 福建福州 350001)

1 建筑項(xiàng)目概況

該工程位于集美區(qū)后溪鎮(zhèn)海翔大道與廈安高速連接線交叉口西側(cè)，為一個(gè)兩層的大型室內(nèi)民俗文化表演項(xiàng)目，其一層為觀眾集散大廳、相應(yīng)配套的設(shè)備用房及演員化妝間等，二層為表演及看臺(tái)部分，單體總建筑面積約為32 000m2。

該劇場(chǎng)與眾不同的地方就是其表演舞臺(tái)均設(shè)置在場(chǎng)館內(nèi)的外邊緣，共有六幕表演節(jié)目，場(chǎng)館的中間為水池，水池上有艘船。該船為可移動(dòng)的觀眾席，可360°觀看演出。如圖1～圖3所示，建筑物檐口高度14.10m，上部球形屋面矢高31m，其平面投影近似橢圓，其長軸跨度為150m，短軸跨度為120m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

該工程設(shè)計(jì)條件：使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地面粗糙度為B類，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.95kN/m2(百年一遇)，網(wǎng)架下弦吊掛荷載1.5kN/m2(局部舞臺(tái)上空為2.5kN/m2),抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為II類，特征周期0.40s。

結(jié)構(gòu)形式：屋蓋結(jié)構(gòu)跨度為120m大跨屋面且外觀曲面近似球面。按照建筑外形及內(nèi)部空間要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，大跨屋面采用剛度較大、變形較小、穩(wěn)定性較好的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，其網(wǎng)殼厚度取4m；下部結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其中網(wǎng)殼的支承框架柱及支承梁內(nèi)設(shè)鋼骨加強(qiáng)。房屋高度大于24m且房蓋跨度超過《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ7-2010)[2]規(guī)定的屋蓋最大適用跨度，屬于超限大跨空間結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)形式：網(wǎng)殼支承豎向構(gòu)件基礎(chǔ)采用沖、鉆孔灌注樁，其余豎向構(gòu)件采用管樁，持力層為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

圖1 效果圖

圖2 二層平面圖

圖3 剖面圖

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

大跨屋面及其支承結(jié)構(gòu)材料不同，且大跨屋面對(duì)主體產(chǎn)生較大水平推力，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面加以控制：

(1)關(guān)鍵構(gòu)件(支承屋蓋的框架柱、剪力墻及框架環(huán)梁；屋蓋支座)性能化設(shè)計(jì)。

(2)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析應(yīng)考慮不同阻尼比的影響，屋頂網(wǎng)殼的阻尼比取0.02，下部支承混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。

(3)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用整體計(jì)算模型與分開單獨(dú)模型分別計(jì)算并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(4)應(yīng)考慮豎向地震為主的地震作用效應(yīng)組合。

(5)上部結(jié)構(gòu)環(huán)梁、短軸方向中間三榀二層框架梁和底層基礎(chǔ)梁計(jì)算需采用網(wǎng)殼獨(dú)立計(jì)算的推力。

(6)每榀邊框墻需按單榀結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核，其所取推力采用單獨(dú)網(wǎng)殼計(jì)算推力，其頂點(diǎn)位移不能超過整體分析時(shí)的柱頂位移。

(7)雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力比需控制在0.8。

(8)溫度作用分別考慮施工、合攏和使用3個(gè)不同時(shí)期各自的不同溫差來確定。查集美地區(qū)的氣候資料可知，1月份最冷，平均最低氣溫為9.90℃；7月最熱，平均最高氣溫為32.30℃。計(jì)算時(shí)網(wǎng)殼的溫差取正負(fù)250，在荷載組合中考慮恒+活+風(fēng)+溫度作用組合。

3.1 分析程序與建模

網(wǎng)殼單獨(dú)計(jì)算，采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S計(jì)算；整體計(jì)算，采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件YJK，并與3D3S計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；網(wǎng)殼支座節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析采用有限元分析軟件ALGOR(Autodesk Simulation)。

YJK整體建模時(shí)，勁性梁柱均直接輸入，以考慮其對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)。網(wǎng)殼作為空間層輸入，其與支承結(jié)構(gòu)的連接，通過釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束來實(shí)現(xiàn)。為考慮平直段邊框墻水平力對(duì)二層梁板的影響，建模時(shí)二層樓板按彈性板計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)復(fù)核梁板配筋。

3.2 抗震性能設(shè)計(jì)

綜合考慮設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、震后損失和修復(fù)難易程度等多種因素，確定該工程抗震性能目標(biāo)[1]為D級(jí)(表1)。

3.3 整體分析主要計(jì)算結(jié)果

常遇地震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性如表2所示。從計(jì)算結(jié)果來看，第一階和第二階模態(tài)分別為X、Y向平動(dòng)，扭轉(zhuǎn)模態(tài)為第五階，扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期的比值等于0.47，說明該建筑不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的建筑。

表1 抗震性能目標(biāo)

表2 常遇地震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

小震及中震作用下計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移結(jié)果列于表3?？梢钥闯?，中震下層間位移角及剪重比合理，位移比雖大于1.4，但在合理的范圍內(nèi)。

表3 小震及中震作用下結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

支承屋蓋的邊框墻、框架環(huán)梁等關(guān)鍵構(gòu)件均配制鋼骨承擔(dān)推力產(chǎn)生的拉力，且按中震彈性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng)。由圖4可知，關(guān)鍵部位墻柱在中震下受拉，但拉應(yīng)力絕大部分處于較小范圍內(nèi)，可以滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

圖4 墻柱的應(yīng)力云圖

3.4 單體網(wǎng)殼主要計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)殼撓度1/634，滿足JGJ7-2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2]中規(guī)定的1/250的要求。結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮了水平地震及豎向地震作用，考慮了半跨活荷載等不利荷載布置。計(jì)算模型中桿件從D75.5×3.75到D219×14共8種規(guī)格，全部采用螺栓球連接，最大螺栓球直徑380mm。

按ALGOR軟件分析，網(wǎng)殼支座最大應(yīng)力位于豎向桿根部，最大應(yīng)力值為222MPa，小于屈服強(qiáng)度，支座結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位于支座后背筋板處，如圖5所示。支座球整體應(yīng)力小于40MPa，豎向桿件應(yīng)力約130MPa，斜向桿件應(yīng)力約100MPa，水平桿件應(yīng)力較小，應(yīng)力值約50MPa，支座最大變形為1.1mm。

圖5 支座應(yīng)力云圖

根據(jù)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，單層網(wǎng)殼及跨度/厚度超過50的需要穩(wěn)定分析，該項(xiàng)目雖跨度/厚度僅為30，也補(bǔ)充了極限承載力下穩(wěn)定分析和抗連續(xù)倒塌分析，但未考慮砼徐變等材料非線性分析。

屋蓋結(jié)構(gòu)同下部混凝土結(jié)構(gòu)采用盈建科軟件進(jìn)行整體計(jì)算，對(duì)屋蓋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何非線性穩(wěn)定分析，結(jié)果顯示，安全系數(shù)K=19.5，滿足規(guī)范要求，如圖6所示。

圖6 時(shí)程結(jié)果顯示

抗連續(xù)性倒塌的目標(biāo)，在于結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞后,整個(gè)結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生大規(guī)模破壞或倒塌,局部破壞發(fā)生后不應(yīng)引起與其相鄰的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。該工程采取拆除構(gòu)件法，以發(fā)生局部破壞為前提，通過假定結(jié)構(gòu)中任一桿件失效，分析剩余結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌行為。經(jīng)對(duì)不同的缺陷模型，如去掉直段拱一個(gè)支座、長軸外環(huán)向一個(gè)支座或去掉殼體一個(gè)斜腹桿等進(jìn)行分析，僅周邊個(gè)別桿件出現(xiàn)超應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小，且結(jié)構(gòu)撓度無變化，不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)倒塌。

3.5 兩種模型的誤差分析

對(duì)網(wǎng)殼采用3D3S進(jìn)行單體分析,同時(shí)運(yùn)用盈建科軟件對(duì)下部砼結(jié)構(gòu)及上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模型分析,對(duì)模型主要結(jié)果進(jìn)行比較。通過比較兩種模型，單體模型是按照完全固定鉸支座，實(shí)際上混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)梁和柱有向外微小位移，即支座有向外微小移動(dòng)(大約有4mm變形)，因此導(dǎo)致網(wǎng)架的支座環(huán)梁方向的相關(guān)桿件內(nèi)力會(huì)有變大，以及中部圓柱面段網(wǎng)架的桿件內(nèi)力變大。另外，按整體計(jì)算得到柱頂剪力小于按單體固定鉸支座計(jì)算的支座剪力。

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

4.1 結(jié)構(gòu)體系存在的主要問題

雙層網(wǎng)殼是由徑向和環(huán)向桿件組成的一個(gè)空間桿件體系，上下弦桿和腹桿組成了受力體系良好的空間四角錐結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)殼

在網(wǎng)殼受到豎向荷載時(shí)，主壓力從拱頂開始沿徑向桿件或沿空間正交桿件向下傳到支座體系，并進(jìn)而傳至網(wǎng)殼下部的支承結(jié)構(gòu)。在水平荷載和溫度梯度作用下，網(wǎng)殼中桿件的內(nèi)力比較復(fù)雜，需通過最不利荷載組合來確定支座反力。支座反力由3個(gè)方向的力組成，其中以水平推力對(duì)結(jié)構(gòu)最不利。

考慮到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)支座的可靠性，該工程要解決的主要問題如下：

(1)雙層網(wǎng)殼支座設(shè)計(jì)，采用固定鉸支座還是彈性鉸支座。

(2)網(wǎng)殼支承結(jié)構(gòu)如何可靠傳遞網(wǎng)殼產(chǎn)生的水平推力。

(3)二層混凝土部分長度近170m,嚴(yán)重超長。

4.2 采取的主要構(gòu)造措施

(1)考慮到網(wǎng)殼跨度大，且實(shí)際施工時(shí)固定鉸支座可靠性較強(qiáng)、性能較為穩(wěn)定，施工質(zhì)量易于控制，最終選擇了固定鉸支座。網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)通過成品抗拉球型鉸支座與下部混凝土結(jié)構(gòu)相連接，此種抗拉球型鉸支座能夠承受較大壓力(拉力)及剪力，并能實(shí)現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖8所示。

圖8 抗拉球型鉸支座

(2)由于網(wǎng)殼支座產(chǎn)生的法向推力，使網(wǎng)殼下部的支承環(huán)梁產(chǎn)生了很大的拉力。而環(huán)梁的變形對(duì)網(wǎng)殼的內(nèi)力有很大影響。為解決環(huán)梁的環(huán)向剛度問題，設(shè)計(jì)上采用混凝土梁內(nèi)部加環(huán)向鋼梁[3]的方法，并對(duì)支座間環(huán)箍桿件人為加大，保證屋蓋結(jié)構(gòu)自身在支座處的環(huán)向約束力，如圖9所示。支承框架柱亦內(nèi)置型鋼，且兩根框架柱之間設(shè)置剪力墻，形成完整的邊框墻抗水平力[3]。

圖9 網(wǎng)殼支座環(huán)梁及受力簡(jiǎn)圖

在X向的中部存在30m平直段，上部為圓柱面網(wǎng)殼，此區(qū)域水平力較大，且無法轉(zhuǎn)化為環(huán)梁拉力，對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)要求較高。此區(qū)域二層樓面梁、地梁盡可能拉通，構(gòu)造上盡可能使水平力轉(zhuǎn)化成拉梁軸拉力。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮網(wǎng)殼的水平力由支承邊框墻的基礎(chǔ)獨(dú)立承擔(dān)，以加強(qiáng)基礎(chǔ)的抗水平承載力。

(3)由于建筑二層樓面中部為人工水池，結(jié)構(gòu)難以設(shè)縫斷開，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮溫差對(duì)配筋的影響。由于二層大部分位于室內(nèi)，使用階段溫差較小，構(gòu)造上主要需解決的是施工階段水化熱產(chǎn)生的收縮裂縫。

由于工期緊張且后澆帶易引起水池在后澆帶處滲水，結(jié)構(gòu)按一定間距設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶，樓層中部設(shè)置后澆式膨脹加強(qiáng)帶(即兩側(cè)先澆筑，待達(dá)到強(qiáng)度后直接澆筑帶內(nèi)混凝土)，同時(shí)加強(qiáng)板厚及配筋。

5 結(jié)論

該場(chǎng)館采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)支承的屋面雙層網(wǎng)殼，結(jié)構(gòu)體系可行，結(jié)構(gòu)布置基本合理。作為大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼對(duì)下部主體產(chǎn)生較大的水平推力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)建筑弧形和平直段的不同造型，通過弧形部位環(huán)梁和平直段的拉梁，在構(gòu)造上巧妙地把水平力轉(zhuǎn)化成了梁的拉力，減少了水平力對(duì)豎向構(gòu)件的不利影響。結(jié)構(gòu)通過單體網(wǎng)殼和整體建模的包絡(luò)設(shè)計(jì)，以及對(duì)薄弱部位關(guān)鍵構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)，保證了大跨網(wǎng)殼及其支承結(jié)構(gòu)在其生命周期內(nèi)具有良好的可靠性。

目前該工程已投入使用，其網(wǎng)殼及支承結(jié)構(gòu)的變形皆在允許范圍內(nèi)。