灞水之上绽明珠：西安领事馆区丝路国际文化艺术中心剧院结构设计解析

本文来源：建筑结构（ID：buildingstructure）

西安领事馆区丝路国际文化艺术中心
剧院结构设计

西安领事馆区丝路国际文化艺术中心建筑群(图1)位于陕西省西安市浐灞生态区浐灞大道、金茂一路,由剧院、美术博物馆、政务中心和多功能厅四部分组成。剧院属于建筑群中的重要组成部分。其中剧院室外实景图见图2、3。

剧院观众厅可容纳1504人,为特大型剧院(其中池座998人,2层楼座313人,3层楼座193人)。剧院建筑高度39.65m,地上7层(含局部3夹层),地下2层,局部地下4层。建筑总面积约为32509m ² 。主体结构长119.3m、宽81.4m。地下部分主要为主舞台、设备用房,主舞台基坑底标高为-20.0m;地上主要功能为1500座的大剧院、商业、会议、排练厅及附属服务。

观众厅大屋面结构标高为19.150m,主舞台结构顶标高为29.0m。主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,最外侧采用空间钢结构形成玻璃采光顶与石材幕墙协调统一的建筑外罩。该剧院典型剖面见图4,剧院室内看台及大厅实景图见图5~7。

本工程抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2g,地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类,特征周期为0.4s。50年一遇的基本风压为0.35kN/m ² ,基本雪压为0.25kN/m ² 。建筑物按抗震重要性类别,划分为重点设防类建筑。

结构体系分为两个部分,主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,台口处转换构件、舞台顶采用钢结构,观众厅顶板采用网架结构，外罩前厅采光顶及两侧部分由于跨度较大,采用异形空间钢结构。

外罩后台部分采用普通石材龙骨。观众厅、主舞台、后台出现许多空腔(图8),造成很多楼层楼板开大洞。观众厅及后台之间以及2、3层形成楼板错层。建筑平面造型为层层退台,各层平面外围出现竖向构件局部不连续,整个结构属于不规则的高层建筑。主体结构主要构件截面及材料见表１。

不规则项有以下两项:1)楼板不连续:局部有效宽度不大于50%,开洞面积大于30%,见图9;2)局部不规则:局部穿层柱、斜柱、夹层个别构件错层或转换,个别楼层位移比略大于1.2。

3.1关键问题

(1) 1层楼板开大洞,结构无法嵌固端到1层顶板。

(2) 2层楼座最长悬挑7.6m;3层南北两侧排练厅跨度较大,最大跨度21m。

(3) 结构平面尺寸为81.4m×119.3m,需要考虑温度作用对梁板配筋的影响。

(4) 台口框架跨度较大,水平抗侧刚度较弱。

(5) 支撑屋面钢结构外壳的竖向构件有较高的抗震性能需求。

(6) 台口框架东侧有一榀大跨转换钢桁架,对竖向地震作用比较敏感,需要进行详细分析。

3.2解决方案

(1) 楼板不连续:地上楼板采用弹性膜假定,大开洞周边一跨内按中震不屈服进行配筋。

(2) 局部不规则:将穿层柱及与之相连的框架梁、斜柱及扭转位移比大于1.2的框架柱定义为关键构件。对于由夹层、错层产生的短柱,柱内增设型钢;错层处框架梁设竖向加腋。

(3) 嵌固端:计算时将嵌固端分别取到地下1层顶板与地下2层顶板,二者构件承载力取包络值。

(4) 2层长悬挑楼座、3层大跨排练厅采用预应力混凝土梁,并进行楼盖竖向振动舒适度计算。

(5) 构件配筋考虑温度作用组合,温差取为±25℃,混凝土徐变应力松弛系数取为0.35。

(6) 将台口框架、支撑屋面钢结构外壳的竖向构件定义为关键构件。

(7) 对于大跨转换钢桁架进行竖向地震系数法与反应谱法的对比分析,承载力取包络值。

为研究钢结构与混凝土结构共同工作状况,建立了3个计算模型进行对比分析。模型S:钢结构外罩模型。模型C:主体钢筋混凝土结构模型,将钢结构外罩作为荷载计入。模型CS:钢结构外罩与主体钢筋混凝土结构组合模型。模型CS、模型S中钢结构与支座、主体结构均铰接。

经过典型模态以及基底剪力对比分析可知,钢结构外罩对主体结构楼层剪力分布的影响不可忽略,因此在主体承载力验算时需要取模型C与模型CS的包络值。对比钢结构外罩在模型S与模型CS模态中振动形态发现,外罩在两个模型中的的自振特性基本一致,因此在进行设计时,可以采用模型S。

对2层楼座长悬挑、3层北侧排练厅大跨处进行频率分析和竖向振动加速度复核，结果(图10~12）表明结构竖向振动自振频率均大于3Hz,曲线未呈现类似喇叭口形状,激励并未引起楼盖共振,2层楼座最大竖向振动加速度峰值为0.075m/s ² ,小于限值0.15m/s ² ,3层北侧排练厅最大竖向振动加速度峰值为0.36m/s ² ,小于限值0.5m/s ² ,满足舒适度设计要求。

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分别采用振型分解反应谱法和规范系数法进行竖向地震作用取值计算。小震时设防烈度8度(0.2g)竖向地震作用规范系数法取值为10%。根据桁架的受力特点,选取支座处上下弦杆和腹杆以及跨中上下弦杆进行研究,如图13所示,分别提取构件轴力进行比较。反应谱法所得支座竖向地震作用产生的轴力小于重力荷载代表值作用产生轴力的10%,跨中大于10%,因此承载力计算时采用两种方法包络值。

温度作用下楼板应力云图见图14。大部分区域的混凝土楼板主拉应力不大于C40混凝土轴心抗拉强度标准值2.39MPa,表明在温度作用下楼板并不会开裂。虽然楼面面积较大,但是有较大开洞,温度应力积累面积并不大。

因此温度应力不大,而且都集中在约束较强的剪力墙附近。整体温升工况下,各层结构构件内力均有变化。由于平面逐层内收,竖向构件逐层递减,温升对竖向构件(框架柱和剪力墙)内力的影响规律性不强,内力增长不超过10%。混凝土梁轴力变化明显,特别是框架梁与连梁,轴力增加数倍,设计时需要按照偏心受压构件进行配筋,并适当增加纵筋拉通率。

地震作用下,2层楼板轴力分布见图15。楼板配筋时,假定楼板为轴拉构件,地震作用下轴力全部由拉通筋承担。

大震作用下,楼板剪力分布如图16所示。可见绝大部分区域楼板剪力小于抗剪承载力。

业主： 西安浐灞城市投资建设有限公司

建设地点： 西安市浐灞生态区浐灞大道、金茂一路

设计单位： 中国建筑西北设计研究院有限公司都市与建筑设计研究中心

建筑设计团队： 赵元超、杜钊、李彬、张颢辰、高令奇、  汪思涵、牛鹏飞等

结构设计团队： 王洪臣、卢骥、张涛、王磊、尹龙星、武红姣、周文兵等

给排水设计团队： 赵凤霞、贺鹏鹏、靳娜等

暖通设计团队： 薛洁、王凡等

电气设计团队： 蔡红、王继文等

总建筑面积： 约15万m ²

项目状态： 2021年6月已建成投入使用

设计时间： 2017年8月-2019年8月