李 堅

廣東建筑藝術設計院有限公司 廣東 廣州 510655

1 引言

冠睿文化裝備智能化集成制造產業(yè)園，設計理念是為了構建一處專業(yè)文化劇場的樣板工程，營造一處秩序合理、宜人舒適的辦公生活空間，打造一處既能融入環(huán)境又能獨自表達的地標建筑。其發(fā)展業(yè)態(tài)包括：1500座席標準文化藝術劇場（室內）、大型室外露天演藝劇場、辦公樓、配套宿舍及其他輔助空間等。其中文化藝術劇場池座與樓座共設1500個坐席，廳內擁有對稱的構造、線型的墻體和特殊的凹槽，便于音響效果的發(fā)揮。劇場內部可由舞臺機械實現舞臺和觀眾廳形式的改變，臺下設置了升降臺，可短時間內改變舞臺形式。可以隨著舞臺形式的變換改變觀眾座椅的排布方式。為實現其功能及效果，并追求藝術性和疏散功能要求，在弧形劇場內設置大跨度弧形劇場斜臥頂撐看臺結構，在看臺后區(qū)設置藝術旋轉鋼樓梯結構。螺旋樓梯形狀美觀，造型輕盈，廣泛應用于中庭和大堂等開敞空間中作為垂直交通和人員疏散的主要通道，深受建筑師的青睞。作為空間結構，螺旋樓梯為彎剪扭和軸力共同作用的空間受力體系，不僅受力復雜，而且由于鋼結構自重較輕，在人行荷載下，鋼梯的舒適度有可能存在問題[1]。

2 工程概述

本工程位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)民營科技園核心區(qū)，項目總用地面積為28077m2，總建筑面積為84527m2。結構的設計基準期為50年，建筑結構設計工作年限為50年，建筑結構安全等級為二級，結構重要性系數為1.1，抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為II類，抗震設防分類為標準設防類(乙類)。結構/構件撓度及位移控制標準：鋼桁架撓度限值1/250。

表1 長細比限值

以上數值適用于Q235B，對于非受拉Q355B構件尚應乘以0.825。風荷載取值根據《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 5009-2012）按50年一遇標準取值為0.50KN/㎡，結構體形系數取值為1.3?？缍然⌒蝿鲂迸P頂撐看臺結構采用框架結構體系，標準柱距為6.0×12m，最大跨度為30.6m柱距。大跨度弧形劇場斜臥頂撐看臺結構附加恒載2.0 kN/m2（樓板自重程序自動考慮）；藝術旋轉鋼樓梯結構活載3.5 kN/m2。旋轉樓梯附加荷載1.5 kN/m2；活載3.5 kN/m2。采用MIDAS GEN軟件進行分析與設計。

3 結構體系設計

3.1 參照規(guī)范

《建筑工程設計文件編制深度規(guī)定》（住建部2008年11月）；《工程建設標準強制性條文》（房屋建筑部分2013年版）；《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》（GB 50068-2018）；《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）；《建筑抗震設防分類標準》（GB 50223-2008）；《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010(2016年修訂版)）；《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010-2010(2015年修訂版)）；《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）；《組合結構設計規(guī)范》（JGJ 138-2016）；《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》（GB/T 50476-2008）；廣東省標準《鋼結構設計規(guī)程》（DBJ 15-102-2014）；廣東省標準《建筑結構荷載規(guī)范》（DBJ 15-101-2014）。

3.2 主要工況描述

按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）及《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010(2016年修訂版)）進行荷載組合?；窘M合[2]：1.3恒載+1.5活載；1.3恒載+1.5活載+0.84風荷載（0°、90°、180°、270°）；1.3恒載+0.98活載+1.5風荷載（0°、90°、180°、270°）；1.2恒載+0.98活載+0.84風荷載（0°、90°、180°、270°）+1.4升溫/降溫；1.3恒載+1.5活載+0.84風荷載（0°、90°、180°、270°）+1.4升溫/降溫；1.3恒載+0.98活載+1.5風荷載（0°、90°、180°、270°）+0.84升溫/降溫；1.35恒載+0.98活載+0.84風荷載（0°、90°、180°、270°）+0.84升溫/降溫；1.0恒載+1.4活載+0.84風荷載（0°、90°、180°、270°）+0.84升溫/降溫；1.0恒載+0.98活載+1.4風荷載（0°、90°、180°、270°）+0.84升溫/降溫；1.0恒載+0.98活載+0.84風荷載（0°、90°、180°、270°）+0.84升溫/降溫。標準組合[4]：1.0恒載+1.0活載；1.0恒載+1.0活載+0.6風荷載（0°、90°、180°、270°）+0.60升溫/降溫。抗震組合[3]：1.2×（1.0恒載+0.5活載）±1.3地震（0°、90°）±0.5豎向地震荷載+0.28風荷載（0°、90°、180°、270°）；1.2×（1.0恒載+0.5活載）+1.3豎向地震荷載+0.5地震（0°、90°）+0.28風荷載（0°、90°、180°、270°）；1.2×（1.0恒載+0.5活載）+1.3地震（0°、90°）+0.28升溫/降溫。溫度組合：1.3恒載+1.5活載+0.84升溫/降溫；1.2恒載+0.98活載+1.4升溫/降溫；1.35恒載+0.98活載+0.84升溫/降溫。

3.3 大跨度弧形劇場斜臥頂撐看臺結構

看臺結構跨度30.6m，且因為建筑舞臺功能和移動看臺功能需求，劇場池座看臺設置兩層看臺，均為無柱空間及弧形走向，彎弧半徑50m至65m不等。一般傳統(tǒng)看臺都在下部設置支撐柱，減小結構跨度，若為無柱空間，則習慣直接在根部設置三角懸挑結構支撐看臺。

對于本項目來說，設置三角懸挑結構，懸挑長度過大且影響建筑視線。因此結構設計采用一種斜臥頂撐看臺，沿每個看臺布級設置弧形看臺，同時，沿看臺徑向設置徑向次梁。從受力流分析，弧形梁主要承受重力荷載，斜向徑向次梁主要承受弧形看臺面外分量，整個結構形成一種斜臥頂撐受力體系，在滿足建筑功能需求的情況下，巧妙地利用結構力流傳遞布置結構構件。所有弧形鋼梁材質均為Q355B，截面均為B800×200箱型梁，壁厚根據實際受力不等。

上層看臺及下層看臺鋼結構平面布置圖如圖1～2。

圖1 上層看臺鋼結構平面布置圖

圖2 下層看臺鋼結構平面布置圖

3.4 藝術旋轉鋼樓梯結構

為滿足受力邏輯與建筑效果有機結合，采用Q355鋼結構旋轉樓梯，鉸接連接主體結構2層與3層，縱跨三層，旋轉角度為900°，總高度13.5m，內環(huán)半徑2.0m，外環(huán)半徑4.0m，每間隔4個梯段設置一道水平次梁。主梁采用焊接箱型梁，B700×300×25×25；水平次梁采用焊接箱型梁，B400×400×22×22。藝術旋轉鋼樓梯軸測圖與剖面圖，如圖3～4。

圖3 藝術旋轉鋼樓梯軸測圖

圖4 藝術旋轉鋼樓梯剖面圖

4 結構分析過程

4.1 大跨度弧形劇場斜臥頂撐看臺結構

對斜臥看臺進行精準化力流分析，確保斜臥看臺結構力傳遞的準確性，根據受力分析，主受力斜臥支撐和弧梁在重力荷載下均承受壓力，埋件均以承受壓力為主，結構整體受力性能良好。看臺斜梁和弧梁加強與主體結構的連接，同時，確保看臺結構的使用舒適性能，經計算，看臺豎向振動頻率為4.15HZ＞3HZ，滿足豎向舒適度要求[5]。同時，本結構為整體受力結構，設計說明強調須待結構整體成型之后才能去除支撐胎架。下層看臺和上層看臺最大撓度分別為220mm和120mm；設計圖紙要求環(huán)向鋼梁進行預起拱滿足變形要求。

圖5 下層看臺MY彎矩包絡設計值（單位KN.m)

圖6 上層看臺MY彎矩包絡設計值（單位KN.m)

圖7 下層看臺恒載+活載作用下?lián)隙戎?/p>

圖8 上層看臺恒載+活載作用下?lián)隙戎?/p>

圖9 下層看臺主鋼架應力比（最大應力比0.83）

圖10 上層看臺主鋼架應力比（最大應力比0.79）

圖11 第一振型模態(tài)f=4.15Hz＞3Hz

4.2 藝術旋轉樓梯結構

螺旋樓梯在自重和外荷載作用下，為了便于理論分析可理想簡化為受集中力作用的圓柱形螺旋彈簧，其幾何參數如圖所示，彈簧的中心直徑為D，螺距為H，有效匝數為n。在豎向集中荷載作用下，圓柱螺旋彈簧將會發(fā)生扭轉變形和剪切變形的組合變形，利用能量方法的卡氏定理，其普遍形式為：

在螺旋彈簧任意位置處取隔離體，均有剪力：V（x）=F，扭矩：T（x）=FD/2。以上兩者均為常量，不隨位置x變化。將以上兩者代入公式（1）中，并沿螺旋彈簧軸線進行換元積分L=nπD/cosα；其中旋轉升角α=tan-1(H/πD)。則得：

當取F為單位力，假定d＜D，剪切分量即變?yōu)楦唠A微量，豎向柔度可簡化為以扭轉分量為主的下式：

從受力而言，豎向構件主要在首層地面承擔，其上各層樓面主要承擔水平荷載。常規(guī)設計而言，旋轉樓梯與建筑外觀的配合以及豎向舒適度是其設計難點。本項目在滿足建筑效果的基礎上每隔3m左右設置一水平支撐，使得整體旋轉樓梯類似旋轉水平桁架結構，并協(xié)調內弦和外弦受力。旋轉樓梯縱跨三層，總高度為13.5m，內環(huán)半徑2m，外環(huán)半徑4m。每隔4個梯段做一個連接次梁。樓梯與主結構均為鉸接連接，鋼結構截面如圖所示。鋼結構材質均為Q355B?？磁_上方均鋪設5mm厚花紋鋼板。

圖12 恒載+活載作用下?lián)隙戎?/p>

圖13 主鋼架應力比（最大應力比0.70）

圖14 第一振型模態(tài)f=2.27Hz

5 結束語

本項目結構達到了在合理的范圍內解決了建筑功能和業(yè)主對于舒適度需求的目的，同時盡量降低施工難度，提高現場的可實施性。大跨度弧形劇場斜臥頂撐看臺結構，在滿足無柱空間的同時，控制截面高度，提高建筑凈高；受力路徑佳，埋件節(jié)點基本上以壓力為主，提高結構可靠性；盡量控制單構件重量，降低室內鋼結構施工難度；相比傳統(tǒng)的混凝土看臺或者三角架看臺，本結構采用一種全新斜臥支撐受力體系，充分滿足受力要求和建筑效果。藝術旋轉樓梯結構選型輕巧，受力邏輯與建筑效果有機結合。