前灘信德文化中心大劇院結構分析與設計

孫 璐

（宜家（中國）投資有限公司，上海 200235）

0 引言

本文介紹了前灘信德文化中心大劇院的結構分析與設計。與普通建筑物相比大劇院建筑平面布置復雜、內部空曠 、局部樓板大開洞，屬于特別不規則的高層建筑結構。本文針對以上難點對大劇院的結構體系選定進行了論述，同時對重點部位的結構分析設計給予介紹，并根據上海市地方規定的要求對建筑單體預制率計算進行闡述，可為其他類似項目作為參考。

1 項目概述

本項目文化中心位于上海浦東新區前灘地區。地塊項目為商業綜合體，包含辦公樓、酒店、商業及大劇院。大劇院建筑面積約 18 900 m2，擁有觀眾席約 2 500 座，地上建筑 6 層，地下建筑 3 層，包含大禮堂、展覽廳、多功能演藝廳等多種使用功能。

地面總高約 43 m，屋蓋結構跨度約 40 m，采用大跨鋼桁架組成的大型鋼屋蓋體系，建筑效果圖如圖 1 所示；工程平面選型復雜、內部空曠、局部樓板大開洞、扭轉不規則及其他不規則，屬于特別不規則的高層建筑結構。為了貫徹《上海市住房和城鄉建設管理委員會關于本市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則（試行）的通知》（滬建建材〔2016〕601 號）文，劇院主體采用鋼框架-剪力墻加鋼斜撐的混合結構，這種體系既滿足不同建筑功能的要求，也提供相當大的抗側剛度，同時滿足預制率的要求。

圖1 劇院建筑效果圖

大劇院設計基準期 50 年，設計使用年限 50 年，建筑安全等級為二級。根據 GB 50223－2008《建筑工程抗震設防分類標準》［1］，第 6.0.3 條條文說明，該劇院座位約 2 500 座，＞1 200 座，屬于大型劇院，抗震設防類別判斷為乙類建筑。結構抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值 0.10 g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別 Ⅳ 類。

2 結構體系

為了貫徹《上海市住房和城鄉建設管理委員會關于本市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則（試行）的通知》（滬建建材〔2016〕601 號）文對建筑預制率不低于 40 % 的要求，大劇院在方案選型階段考慮了純鋼框架、鋼框架-混凝土剪力墻以及鋼框架-混凝土剪力墻-鋼支撐的不同方案試算。PC 裝配式混凝土結構也是目前常見的預制結構形式，但由于大劇院建筑布置復雜，層層均不一致，采用混凝土預制件無法統一模數，對項目造價及工期有較大影響，故不考慮此方案。由于建筑布置復雜，采用鋼框架結構能靈活放置，但局部框架無法直上直下需做轉換，舞臺及觀眾廳的大開洞又使得結構水平向較為薄弱，鋼框架結構的抗側能力較弱，無法滿足結構變形需求。同時由于建筑聲學功能與造型需要，觀眾廳及舞臺周邊需設置混凝土實心墻作為隔音措施［2］，在這個條件下可利用這些混凝土墻體作為結構剪力墻承擔側向力，地震作用和風荷載通過樓面和周邊框架梁傳遞至框架柱和剪力墻，由框架與剪力墻組成的整體抗側體系共同承擔。由于前廳建筑造型影響，前廳區域的 Y 向剪力墻停于 L2 夾層就無法再向上層延伸，因此為了增強高區結構抗側剛度，在前廳部分 Y 向建筑隔墻內設置了轉換斜撐，以此減小結構變形。最終劇院主體采用鋼框架-混凝土剪力墻-鋼支撐的混合結構，這種體系在滿足不同的建筑功能需求的前提下，還能提供相當大的抗側剛度。

該劇院觀眾廳及舞臺周邊剪力墻內側因樓座區域大開洞形成樓板不連續，在全樓分析時樓座結構僅承擔豎向荷載作用，剪力墻外側樓板連續，可提供樓板約束，全層樓板采用鋼筋桁架樓承板。屋蓋結構采用大跨鋼桁架支撐。地下室頂板作為嵌固層設計，其因升降樂池及升降座椅影響，有約 30 m×33 m 范圍的局部 1.5 m 深降板；在降板高差處采用梁加腋形式傳遞水平力，使地下室頂板基本保持連續。地下室頂板以上樓層存在錯層，首層結構高度按照真實建筑標高（前廳范圍 3.9 m，后勤區域 6.5 m）來計算樓層等效剪切剛度。經復核最不利方向，B1 層等效剪切剛度約 2.23×108kN/m，L1 層等效剪切剛度約 1.06×108kN/m，嵌固比約 0.49 滿足首層嵌固要求。同時根據嵌固層樓板地震應力分析結果，加強首層降板區域周邊配筋，確保嵌固層樓板在多遇地震下不開裂，設防地震下鋼筋不屈服。大劇院主體結構模型如圖 2 所示，典型樓層平面的結構布置如圖 3 所示，剖面結構示意圖如圖 4 所示，主要構件尺寸和材料如表 1 所示。

圖2 劇院主要結構受力體系示意圖

圖3 劇院典型樓層平面布置示意圖

圖4 劇院剖面結構示意圖

表1 劇院嵌固層以上主要構件截面尺寸和材料等級

3 建筑單體預制率計算

按照上海市地方規定，本項目應滿足建筑單體預制率不應低于 40 % 或單體裝配率不低于 60 % 的要求。建筑單體預制率是指混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土混合結構、木結構等結構類型的裝配式建筑在 ±0.000 以上主體結構和圍護結構中預制構件部分的材料用量占對應構件材料總用量的比率；單體裝配率是指裝配式建筑中預制構件、建筑部品的數量（或面積）占同類構件或部品總數量（或面積）的比率［3］。建筑單體預制率=Σ（構件權重×修正系數×預制構件比例）×100 %。大劇院的預制構件包括以下類型：預制方鋼管柱、預制鋼梁、鋼筋桁架樓承板、預制鋼樓梯，詳細計算詳如表 2 所示。

通過計算，鋼框架-混凝土剪力墻-鋼支撐的結構形式可滿足單體預制率不低于 40 % 的要求。

4 超限類別、抗震性能目標及整體指標

4.1 超限類別

本工程屬于體系復雜的空間結構，由于建筑內部功能的要求，多處樓板不連續，存在大面積開洞和較大錯層，平面和豎向均有不規則。其中一般不規則項：扭轉不規則，局部樓層最大位移比 1.47；樓板不連續，局部樓層大開洞，開洞面積大于本層面積 50 %；構件間斷，支撐不連續；其他不規則，存在夾層、錯層，個別構件轉換。

4.2 抗震性能目標

該劇院平面不規整，結構體系復雜，經專家評審，選用 C 級性能目標。各構件抗震性能目標如表 3 所示。

4.3 整體指標

該劇院采用 YJK 為主要計算分析軟件，同時在總體設計階段采用 ETABS 軟件，建立獨立的模型來檢驗分析結果。考慮大劇院在 L1～L6 層均設有樓板大開洞，因此在結構計算模型中樓板采用彈性膜單元進行分析，錯層處樓板采用剛性板單元分析。結構底層框架傾覆力矩＞10 %，＜20 %，按框架剪力墻結構進行設計。劇院主體結構部分整體指標如表 4 所示。結構第一扭轉周期（T3）與第一平動周期（T1）之比為 0.77，地震荷載組合工況為控制工況。

5 結構設計重點及難點

5.1 轉換斜撐設計

由于建筑布置影響，前廳部分 Y 向剪力墻停在 L2 夾層標高，導致高區 Y 向結構剛度削弱，且剛度分布不均。為控制高區 Y 向扭轉及變形，經過方案研究且在不影響建筑布局的前提下，從 L2m 標高至屋頂，在前廳部分建筑隔墻內增設 Y 向轉換斜撐。斜撐位置示意圖如圖 5 所示。通過比較設斜撐方案及不設斜撐方案下的 Y 向地震樓層位移角（見圖 6）可見，不設斜撐方案高區結構變形過大，位移角已超出規范限值，加設斜撐可有效減小高區結構位移。分析顯示，斜撐底部 Y 向地震剪力約 900 kN，僅為同向基底剪力的 4.5 %。可見，大部分地震剪力仍由剪力墻及框架柱承擔，確保了結構多道防線的安全。

表2 大劇院單體預制率

表4 結構整體指標

斜撐由于建筑效果影響無法落地，需通過轉換結構將荷載傳遞至基礎。斜撐與柱相連處鉸接，地震力通過斜撐傳遞至斜撐轉換梁柱上，并通過水平傳力支撐將水平力傳遞至剪力墻上，從而將力傳遞至基礎，傳力示意如圖 7 所示。斜撐轉換梁柱及水平傳力支撐按照小震彈性、中震不屈服的性能目標設計，且不考慮樓板剛度作用。

5.2 觀眾席長懸挑看臺設計

圖5 轉換斜撐位置示意

圖6 設斜撐與不設斜撐對 Y 向地震作用下樓層位移角的對比

該劇院共有 4 層看臺，看臺結構采用鋼結構，其中位于 L3～L4 之間的第 3 層看臺懸挑長度最大，約為 10 m，如圖 8 所示。在建模分析時，按照真實斜度建模，并不考慮樓板的剛度貢獻。長懸挑鋼梁及其相連的型鋼柱作為重要關鍵構件，其抗震等級提高一級，性能目標定為中震彈性、大震不屈服。其中 L4 看臺最長懸挑梁跨約 10 m，根部截面尺寸為 1 400 mm×300 mm×40 mm×40 mm，端部減腋至 500 mm 高。由于懸挑跨度較大，為控制結構撓度及舒適度，在與柱相連的懸挑梁下方設置了一道支撐，并通過后胯梁將力傳遞，避免支撐懸挑柱剪力突變。

圖7 斜撐傳力示意圖（單位：mm）

圖8 懸挑看臺模型示意圖

對 L4 層懸挑看臺進行樓板舒適度分析。分析時采用結構阻尼比 2 %，行人質量 70 kg，樓板單元劃分為四節點單元，局部為三節點單元，板厚 160 mm，考慮到動力影響，殼單元的彈性模量增大為 38 GPa［4］。經過模態分析結果，L4 看臺懸挑結構第一模態 8.264 Hz＞3 Hz，可保證結構具有適宜的舒適度，避免行人行走時周邊人群的不舒適感。由于 JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中并未明確看臺結構的樓蓋豎向振動加速度，考慮到本項目懸挑看臺對振動較為敏感，選用比商場更為嚴格的辦公水準 a≤0.05 m/s2，來進行設計控制。分析結果顯示，本層懸挑看臺端部最大加速度約 0.037 m/s2，小于辦公限值，如圖 9 所示。

圖9 L4 層懸挑看臺加速度云圖

L4 看臺長懸挑梁在中震下最大應力比約 0.29，由豎向地震荷載工況控制，滿足中震彈性要求。根據 GB 50017－2003《鋼結構設計規范》懸挑梁撓度限值為 l0/400（恒載+活載）和 l0/500（活載），l0為兩倍懸挑跨度，并考慮樓板剛度貢獻。恒載下最大撓度 20 mm，活載下約 10 mm，滿足撓度限值。可見懸挑結構由舒適度及剛度控制，并有可靠的安全冗余度。

6 結論

經過分析及校核可判斷本項目大劇院采用鋼框架-混凝土剪力墻-斜撐結構體系是合理的。根據結構底層框架傾覆力矩判斷，該劇院按框架剪力墻結構進行設計，斜撐僅為控制結構變形所設。地震作用為結構設計主要控制因素，由于體系復雜，結構扭轉效應明顯，相應增強外圈框架抵抗結構扭轉。線彈性分析結果表明，結構具有合適的剛度，能夠滿足各種工況下計算要求。大劇院中庭洞口周邊樓板適當加強鋼筋，以提高結構整體性。對懸挑看臺，考慮了強度、剛度、舒適度的全面分析，確保在其正常使用狀態的舒適性和承載力極限狀態的安全性。