济南文化艺术中心大剧院工程钢结构楼座设计

济南文化艺术中心大剧院工程钢结构楼座设计

1观众建筑结构的配置济南省会文化艺术中心（大剧院）项目位于山东省济南市西站区中心，占地面积约7万平方米。如图1所示，由剧院（1780座）、丧葬礼堂（1500座）、丧葬大厅（500座）和辅助建筑组成。典型平面如图2和图2。地下1层,局部有夹层,地上3～6层。连同后期的三栋高层建筑建成后将是济南西部开发区的地标性建筑集群,同时也是济南市标志性建筑和文化亮点。大剧院项目建设须满足承办2013年第10届中国艺术节的需要,并使济南市具备承办国际国内顶级艺术盛会和大型文化活动的条件。由于剧场的特殊使用功能要求(空旷的大空间大跨度结构,且隔声要求较高),歌剧院、音乐厅、多功能厅在舞台、观众厅、多功能厅周边布置了混凝土墙体,墙体厚度300～500,结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。三剧场自基础底板以上采用防震缝分成三个独立的结构单元。歌剧院和音乐厅的下部混凝土结构与屋面钢结构之间为共享大厅,受力相对独立,其结构剖面见图4～6。歌剧院的屋面为单层网壳,以12.600m标高混凝土框架柱和主舞台顶部四角的四根摇摆柱(双向转动)为支点,最大跨度56m。音乐厅屋面单层网壳以12.600m标高混凝土框架柱为支点,最大跨度55m。歌剧院和音乐厅屋面网壳钢柱从12.600m标高处插入下部混凝土柱内。钢柱与下部混凝土柱交接范围从0.000至12.600m。多功能厅的异型屋面使用荷载较大,采用混凝土斜柱斜梁组成,仅中部玻璃屋面部分采用钢梁与两边混凝土边梁连接。工程除歌剧院台仓部分用桩基础之外,其余部分均采用CFG桩复合地基之上的平板式筏形基础。2结构体系设计工程抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值0.05g,场地类别Ⅲ类,设计地震分组第三组,场地特征周期0.65s,水平地震影响系数最大值0.04。建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1。结构设计基准期(可靠度)为50年,结构设计使用年限50年,混凝土结构的耐久年限取100年。地基基础设计等级为甲级,结构重要性系数为1.1。抗震设防类别为乙类,抗震措施按7度要求。根据工程场地地震安全性评价报告,场地水平地震影响系数最大值为0.063,高于规范取值,但场地特征周期Tg=0.40s,小于规范值。经过计算对比,采用安评报告地震参数计算产生的地震剪力大于采用规范地震参数计算产生的地震剪力,因此,小震计算均采用安评报告规定的地震参数。剪力墙抗震等级为二级,框架的抗震等级为三级。剪力墙底部加强部位为基础至二层。局部地下一层的抗震等级同首层。型钢混凝土剪力墙和型钢混凝土框架的抗震等级与普通混凝土剪力墙和框架抗震等级相同。由于自基础底板以上设置隔声缝,使得嵌固位置只能设在地下一层底板。阻尼比取值,在混凝土结构计算中取0.05,钢结构计算中取0.02,混凝土结构和钢结构整体模型计算中取0.03。风荷载按重现期100年取值,为0.50kN/m2;风荷载体型系数和风振系数依据荷载规范、数值风洞试验报告、风致振动分析报告按包络取值。雪荷载按重现期100年取值,为0.35kN/m2。温度荷载,混凝土结构部分按±15℃,钢结构中的金属屋面部分按±20℃,玻璃屋面部分为±30℃。3计算结构的方法3.1艺术院3.1.1混凝土结构计算混凝土结构部分通过对ETABS整体计算模型(见图7)和SATWE计算模型中相关信息的对比,除了屋面钢结构与下部混凝土结构相交位置需进行局部核算之外,整体计算信息相近。混凝土部分的计算结果以SATWE计算结果为准,其主振型见表1。在歌剧院混凝土SATWE计算模型中,针对设计重点及难点进行了详细建模分析,如主舞台、侧舞台、后舞台顶部大跨混凝土梁,观众厅顶大跨预应力梁,钢结构楼座,钢结构耳光柱,池座静压箱,舞台机械预留条件,中庭钢楼梯等等。3.1.2特殊工况下的补充计算屋面钢结构部分以ETABS计算模型为准,计算充分考虑了地震荷载、风荷载、温度荷载的影响。针对重要构件提高了其抗震性能目标,并根据初步设计专家论证会意见进行了特殊工况下的补充计算。钢结构的主振型见表2。3.2大厅3.2.1混凝土结构与面钢结构的匹配混凝土结构部分通过对ETABS整体计算模型(见图8)和SATWE计算模型中相关信息的对比,除了屋面钢结构与下部混凝土结构相交位置需进行局部核算之外,整体计算信息相近,见表3。混凝土部分的计算结果以SATWE计算结果为准。音乐厅混凝土SATWE计算模型中,针对设计重点及难点进行了详细建模分析,如观众厅顶部钢骨混凝土梁施工阶段和使用阶段分析,观众厅楼座及楼座静压箱分析,管风琴条件预留等等。3.2.2特殊工况下的补充计算钢结构部分以ETABS计算模型为准,在计算中充分考虑了地震荷载、风荷载、温度荷载的影响,针对重要构件提高了其抗震性能目标,并根据初步设计专家论证会意见进行了特殊工况下的补充计算。结构的主振型见表4。3.3异形屋面组成多功能厅由于从建筑功能上无法将异型屋面与内部混凝土结构分开,且使用荷载较大,因此采用混凝土斜柱斜梁组成异型屋面,仅中部玻璃屋面部分采用钢梁与两边混凝土边梁连接,见图9。多功能厅计算以SATWE计算结果为准,针对斜柱斜梁的受力特点采用计算和构造的方法予以解决。4钢结构设计与计算4.1构件结构体系中的荷载工况音乐厅屋面钢结构(见图10)单层网壳长91m,宽55m,以12.600m标高混凝土框架柱为支点,最大跨度55m。中部玻璃屋面范围布置单向ϕ500×16的钢管梁,跨度13m。玻璃区域两侧设置长向主拱,截面为ϕ900×35。主拱两侧为金属屋面部分,设置放射状短向次拱,截面为H700×300×20×35,次拱之间设置水平拉杆(ϕ203×8)和斜撑(ϕ159×8)。长向主拱与部分短向次拱从12.600m标高处插入下部混凝土柱内。钢柱与下部混凝土柱的交接范围从0.000至12.600m。无法插入下部混凝土柱的部分短向次拱和斜撑支撑在12.600m标高的混凝土梁上。在ETABS计算中,屋面钢结构除了考虑屋面恒载、屋面活载之外,充分考虑了地震荷载、风荷载、温度荷载的影响。地震荷载计算中,除通常的地震工况之外,还考虑了地震偏心工况、双向地震工况、竖向地震工况及竖向地震为主的工况。另外,根据不同的抗震性能目标,设置了小震工况、中震工况及中震不屈服工况。风荷载是屋面钢结构计算中的一个重要荷载,风荷载体型系数、风振系数等计算参数依据荷载规范、数值风洞试验报告、风致振动分析报告按包络进行取值,并根据结构受力特点确定了顺风向和侧风向两个风荷载加载方向。在计算中除根据屋面材料确定温度荷载之外(金属屋面区域±20℃,玻璃屋面区域±30℃),还考虑了以温度荷载为主的荷载工况。部分关键构件的控制工况为温度荷载工况,如长向主拱柱脚位置,为提高其承载能力,采用了在主拱钢管中灌注一定高度混凝土的方法进行解决。在上述荷载工况的设定下,在计算中共考虑非地震工况137组,小震工况248组,中震工况88组,中震不屈服工况62组。通过计算,构件的主要控制工况包括以温度荷载为主的工况和中震工况。网壳结构尤其是单层网壳,整体稳定性验算是结构设计中的关键问题。网壳结构作为缺陷敏感性结构,当结构的初始缺陷模态与失稳模态接近时,结构的稳定承载力将急剧下降。由于实际的网壳结构不可避免地具有各种初始缺陷,包括杆件的初弯曲、对节点的初偏心、节点的位置偏差和残余应力等,因此在整体稳定性验算中需考虑初始缺陷的影响。设计用SAP2000对网壳结构进行了荷载-位移全过程分析,考虑几何非线性与初始缺陷的影响。初始缺陷采用结构第一阶整体屈曲模态,最大初始缺陷值按跨度55m的1/300,即185mm取值。音乐厅屋面钢结构网壳整体稳定性验算,荷载工况为恒载+全跨活载,其荷载-位移曲线如图11所示,当荷载因子达到22时,结构发生屈曲,竖向最大位移1000mm,整体稳定性满足要求。4.2屋顶钢结构总体稳定性验算歌剧院屋面钢结构(见图12)单层网壳长为115m,宽为88m,以12.600m标高混凝土框架柱和主舞台顶部四角的四根摇摆柱(双向转动)为支点,最大跨度45m。屋面中部玻璃屋面范围布置单向ϕ700×20的钢管梁,跨度23m。玻璃区域两侧设置长向主拱,截面为ϕ1000×35。主拱两侧为金属屋面部分,设置放射状短向次拱,截面为H900×300×20×35,次拱之间设置水平拉杆(ϕ203×8)和斜撑(ϕ159×8,ϕ203×8)。长向主拱与部分短向次拱从12.600标高处插入下部混凝土柱内。钢柱与下部混凝土柱交接范围从0.000至12.600m。无法插入下部混凝土柱的部分短向次拱和斜撑支撑在12.600m标高的混凝土梁上。顶部支撑屋面钢结构的四根摇摆柱长度为4100～4700,采用成品铰支座与上部钢结构主拱和下部混凝土柱顶埋件相连,双向转动,承担竖向荷载和水平荷载下的拉力。歌剧院屋面钢结构计算的原则与音乐厅屋面钢结构相同。歌剧院屋面钢结构网壳的整体稳定性验算,采用了SAP2000对网壳结构进行了荷载-位移全过程分析,考虑几何非线性与初始缺陷的影响。初始缺陷采用结构第一阶整体屈曲模态,最大初始缺陷值按跨度45m的1/300,即150mm取值。歌剧院屋面钢结构整体稳定性验算的荷载工况为恒载+全跨活载,其荷载-位移曲线如图13所示,荷载因子达到12时,结构发生屈曲,竖向最大位移380mm,整体稳定性满足要求。由于网壳中部设置了四根摇摆柱,其受力特性与普通网壳的受力特性相差较大,从荷载-位移曲线可以看出,变形到达一定程度之后结构出现了一定程度强化的趋势。4.3钢结构楼座结构布置方案比选歌剧院观众厅楼座由层1混凝土池座和层2、层3钢结构楼座组成,见图14,15。层2,3钢结构楼座在平面布置上有如下两个特点,同时是结构设计中的两个难点:第一,建筑在楼座布置上采取了将楼座与周边混凝土墙体脱开的方式进行布置,通过灯光、装饰等方法达到一种楼座处于漂浮状态的效果;第二,楼座平面不是采取通常的对称布置方式,而是层2楼座向平面下方进行偏转,层3楼座向平面上方进行偏转,造成了人员视线控制、吊顶净高控制方面难度极大。针对上述设计难点,结合两层钢结构楼座的各自特点采取了不同的结构布置方案。层2楼座在其下部的舞台声光控制室四周设置了4根钢柱,有效地减小了结构跨度,主受力构件与周边混凝土墙体仅在六条人员通道位置进行连接,结构最大跨度11.300m,最大悬挑长度6.5m,构件最大截面H1000×300×20×30。层3楼座完全采取梁式布置,首先在楼座中部沿座位走向设置了两根通长的弧形箱形梁,这两根梁将承担主要楼座荷载。12.150标高的箱形梁截面为⌷1200×800×30×30,13.360标高的箱形梁截面为⌷1450×950×30×30,这两根梁直线净跨32.6m,弧线跨度34.3m。其余部分以两根箱形钢梁和六条人行通道位置墙体为支点进行布置,最大跨度8.3m,最大悬挑长度5.4m,构件最大截面为⌷800×300×30×30。在结构布置确定之后,为保证人员视线和吊顶净高,在Rhino和CATIA两个软件环境下,建立了池座和楼座的全专业模型,然后根据座位和走道的不同要求对人员视线和吊顶净高进行控制,采取移动钢梁位置、采用变截面梁等方法以满足建筑要求。歌剧院层2,3钢结构楼座跨度较大,人员舒适度要求较高,因此楼座舒适度验算十分重要。工程根据工程使用特点确定楼盖竖向自振频率需大于等于6Hz。在楼座舒适度验算时,人员活荷载取1kN/m2,混凝土和钢材的弹性模量考虑1.2的放大系数。经验算,层2钢结构楼座T1=0.1399s,f1=7.15Hz,层3钢结构楼座T1=0.1620s,f1=6.17Hz,满足设计要求。5舞台设计5.1工艺设计预留舞台工艺包括舞台机械、灯光和音响,均由专业设计院进行设计。结构专业配合舞台工艺设计主要分为舞台机械荷载预留和施工图条件预留两个部分。其中施工图条件预留包括埋件预留、舞台机械洞口预留、灯光洞口预留和音响洞口预留。由于预留洞口数量多,所以在结构图中应分别表明洞口所属舞台专业类型,方便查找核对、施工安装。5.2剧作家的舞台设计歌剧院舞台钢结构设计内容主要包括:主舞台和后舞台栅顶钢结构、主舞台后天桥钢结构和主舞台钢码头以及音乐厅前区钢结构设计。5.2.1格栅层坐标系根据舞台机械提供的图纸,主舞台栅顶钢结构主要分为两层,滑轮梁的梁底标高为34.500m,格栅层的标高为30.400m,如图16所示。格栅层钢结构与钢吊柱铰接,钢吊柱直接与混凝土梁下埋件连接,或悬挂在混凝土梁之间的钢梁下。钢吊柱位置应与舞台机械协商避开滑轮和单点吊机位置。格栅层钢结构采用SATWE的计算结果。5.2.2下挂钢柱间,钢桁架间主舞台后天桥从格栅层下挂,在主舞台后方连接两侧的混凝土天桥,与之围成环路,方便人员行走和进行检修。为增加后天桥刚度,下挂钢柱间以角钢连接,形成钢桁架,钢桁架间以水平钢梁连接。每层混凝土天桥板边缘预埋埋件,后天桥与之连接(见图17)。5.2.3混凝土构造桥桥主舞台假台口钢码头从格栅层下挂,荷载传到格栅层钢梁上,与主舞台台口两侧的混凝土天桥铰接(见图18)。计算时简化为平面桁架,杆件承受轴向力。6基础设计6.1基础地基变形控制工程±0.000=28.600m(绝对标高)。工程重要性等级为一级。基础底板的底标高为-8.500,-3.000m,歌剧院台仓底板底标高为-16.850m,歌剧院后舞台底板底标高为-5.550m。底板下地基土层为:层③粉土或层④粉质黏土。考虑《声学设计报告》要求,基础采用平板式筏形基础。基础计算采用PKPM系列之JCCAD中“桩筏、筏板有限元计算”。计算结果表明:由于上部结构分布不均匀,导致基底反力不均匀,局部剪力墙下和柱下反力较大,剧场内部基底反力较小。整个基础平均反力不大。局部基底反力较小处不能满足规范的抗浮要求。根据勘察报告和工程实际,大剧院地基处理全部采用CFG桩复合地基方案。基础布桩时,基底反力大的地方,采取高面积置换率布桩,其他部分适当减小面积置换率布桩。歌剧院台仓部分抗浮水头较高,采用抗拔桩抵抗浮力。6.2cpg堆栈设计(1)cfg桩的施工根据基坑标高变化,共设置3种桩型,桩径均为ϕ400mm,有效桩长均为14.0m。桩身混凝土强度等级C20,采用商品混凝土浇筑。单桩竖向承载力特征值的设计取值均为550KN。大剧院CFG桩的施工工艺为长螺旋钻孔灌注成桩。施工现场反映局部长螺旋钻孔到层⑤1中砂时很难钻进达到设计桩长的要求。对此进行了实地钻孔取样,发现有些地区局部夹层⑤2砂岩,呈泥钙质胶结,钻头很难钻进。根据实际施工情况,经与业主方和勘察测绘研究院协商确定,CFG桩长可以采用“双控”控制,即:1)以14m控制桩长,最小有效桩长不得小于12m;2)CFG桩桩长达不到14m时,桩端进入层⑤1中砂应不小于600mm。(2)缺陷cfg桩对音乐厅、多功能厅CFG桩进行低应变检测,发现部分Ⅲ,Ⅳ类桩,其中36根在桩顶附近出现明显缺陷反射,其余20根在桩顶下1.3～12.3m之间。通过揭露调查分析,现场检测Ⅲ,Ⅳ类桩缺陷信号反射处在砂砾层,由于混凝土浇灌时形成串孔、充盈扩径等造成桩体部分段面截面突变,形成差异信号波,查《地勘报告》,缺陷反射位置与地质勘察相应土层存在一定对应关系。根据CFG桩桩头处开挖揭示的结果,要求:1)有缺陷的CFG桩均应进行开挖至桩顶下缺陷位置,若发现断桩,清理断茬,采用C25混凝土进行接桩处理,若无断桩,采用C15素混凝土回填桩周肥槽至设计标高;2)在缺陷CFG桩处理过程中,应对每根桩进行记录,现场由甲方、设计、监理共同检查;3)对于深层缺陷反射,因不便全揭露调查,取典型桩位进行复合地基承载力检测。6.3后注浆桩位设计舞台和观众厅净跨为25.75至34.50m。主舞台、侧舞台、后舞台及观众厅之间采用厚500mm的混凝土剪力墙分隔。主舞台台仓的水浮力为136.5kN/m2,仅靠结构自重不能抵抗水浮力。从图3所示,歌剧院舞台台口结构尺寸为16.550至20.300m,舞台上部荷载主要通过舞台台口间的剪力墙传到基础,也就是说舞台台口间的剪力墙下的基底反力较大。因此,针对不同荷载区域设计了不同的筏板厚度,主舞台和后舞台台口间剪力墙下筏板厚度为1800mm,其余剪力墙下筏板厚度为1500mm,台仓中部筏板厚度为1200mm。为满足承载力和抗浮要求,台仓下采用后注浆钻孔灌注桩。桩基结构安全等级为一级。设计中采用了两种桩型,桩Z1桩径ϕ600mm,有效桩长24m,主要布置在荷载较小的剪力墙下及台仓中部,配筋上即满足抗压要求又满足抗拔要求;桩Z2桩径ϕ600mm,有效桩长33m,布置在荷载较大