华北理工大学会堂结构设计与分析

孟范辉，张金海 （天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 300073）

1 工程概况

华北理工大学新校园选址于唐山湾生态城北部，唐山港曹妃甸港区和京唐港区之间，与曹妃甸工业区毗邻。会堂位于校园的北岛之上，东北西三面为湖水环绕，是学校的标志性建筑之一。校园总体效果图如图1所示。项目总建筑面积11187m2。总座位数是1411个。其主要功能为剧场、演出用。结构主体高度23.50m，地上三层。一、二层层高为4.5m，三层层高为5.3m。会堂效果图如图2所示。

图1 华北理工大学新校区总体效果图

图2 会堂全景效果图

会堂采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，楼层采用现浇钢筋混凝土梁板结构。屋面采用钢网架轻钢屋面结构。根据建筑功能及效果要求，入口正面幕墙要求通透、倾斜。幕墙龙骨结合主体钢结构整体设计，结构采用钢梁和圆钢管柱。会堂正立面效果图如图3。建筑平立剖面如图4，5。

图4 建筑平面图

图5 建筑剖面图

根据工程地质勘查报告，本工程所在场地为Ⅲ类建筑场地。基础采用预应力管桩基础形式，桩径为500mm，桩长24m，单桩竖向承载力特征值Ra=1000kN。基础采用柱下独立承台，墙下采用条形承台，承台厚度1.0m～1.5m。

2 工程结构设计及分析

2.1 设计参数

设计室内地坪±0.000m相对于国家85高程4.911m，结构的设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，建筑地基基础设计等级均为丙级。建筑耐火等级为二级。

本地区抗震设防基本烈度为7度0.15g，根据唐山市抗震设防管理中心出具的《关于唐山湾生态城河北联合大学新校园建设工程的抗震设防要求审批意见书》（唐抗震审[2014]10号）文件，（河北联合大学后更名为华北理工大学），针对华北理工大学校园抗震设计标准按照8度0.2g进行抗震设计，按8度0.2g采取抗震措施和抗震构造措施。设计地震分组为第二组。根据建筑使用功能的重要性分类，本工程的抗震设防类别为重点设防类[1]。

2.2 基础设计

本工程为框架-剪力墙结构，按照8度0.2g进行抗震设计，高烈度地震作用下柱底易出现拉力，尤其剪力墙下极易出现拉力。本工程考虑经济性仍采用预应力管桩基础，根据计算在出现拔力的墙柱下采用管桩灌芯抗拔桩精确布桩，桩拔力分布情况如图6，阴影范围为桩出现拔力的分布范围区域，管桩管芯长度和钢筋计算参照文献[2][3]。

图6 桩拔力范围分布图

会堂通风系统采用在看台下面静压箱设计，看台下面局部地下室，需采取抗浮措施设计采用15m长的预应力抗拔管桩间距3m正方形均匀布置来抵抗水浮力。

舞台表演区无地下室，对场地回填土沉降要求相对严格，为确保回填土质量，设计采用240mm厚页岩实心砖分仓回填夯实，分仓尺寸不大于3.5mx3.5m，回填土采用2:8灰土回填，压实系数不小于0.94，并设置200mm厚钢筋混凝土刚性地面，配置双层双向通长钢筋网片。

2.3 结构设计

2.3.1 结构设计特点

建筑方案效果为椭圆形结构，屋顶为整体钢网架，结构典型长轴总长度100m左右，短轴总长度77m左右，结构的特殊性无法使用结构缝断开，设计时应考虑温度影响。

由于会堂使用功能的特殊性，空间性为主，看台，舞台等都不在同一结构标高，造成结构楼板多处不连续，层的联系性不强。为保证结构的整体刚度，选用框架-剪力墙结构，主要在楼梯间交通盒处布置剪力墙，保证各连续楼板局部区域的刚度均匀，形成多个筒体，从而达到增强整体结构刚度。南侧主入口外围是通透幕墙效果，结构结合幕墙龙骨设计成钢框架结构，采用型钢梁、圆钢管柱。墙柱布置及结构平面布置图如图7～图10。

图7 墙柱平面图

图8 标高4.450处平面图

图9 标高8.950处平面图

图10 标高14.300处平面图

会堂主入口外圈是14m通高的幕墙，且向外倾斜，倾斜角度为9°。结合幕墙的通透效果，采用钢结构斜柱、弧梁与幕墙龙骨结合一体设计，与混凝土主体结构整体建模分析，协调受力。分析模型如图11。

图11 斜柱、弧梁模型图

2.3.2 整体结构分析

本工程采用PMSAP和YJK两种软件对结构进行分析。结构的整体模型如图12所示。结构的整体计算指标对比如表1。

结构整体计算指标对比 表1

图12 结构整体计算模型

从表1中可以看出，主楼整体结构采用两个程序计算的主要指标是基本吻合的，且各项指标均满足规范[3]要求。

为避免因为楼层侧向刚度的不均匀，可能会出现“鞭梢效应”，影响结构的安全，采用弹性时程分析法对该结构进行多遇地震作用下的抗震性能补充分析。选取1条人工波和2条天然波，时程曲线选用满足规范要求[4][5]。分析结果取包络值。分析结果见表2。

时程分析法和CQC法层间剪力分析结果对比 表2

由上表可知：时程分析法的层间剪力均小于CQC法，故反应谱分析是安全的。

2.3.3 结构关键部位分析

本工程多处楼板不连续，对于楼板薄弱部位应应进行详细分析，设计时将楼板定义为弹性板，使计算模型更加符合楼板平面内的实际受力，通过增加板厚、根据详细分析结果设置双层双向拉通筋，增强楼板的整体传力性。楼板的详细分析应力如图13。

图13 楼板应力分析图

二层看台挑出跨度为7m，结构利用阶梯形看台在框架处挑出三角桁架，整体建模计算，并对三角桁架单独详细分析，根据应力分布及详细配筋分析进行设计，保证结构的安全性。看台的应力分析如图13。从分析图(a)中知最大恒载下变形为5mm，远小于规范限值；图(b)看出三角桁架下弦梁上部受压，根部受拉，拉压应力均小于混凝土强度；图（c）、（d）看出三角桁架上弦斜杆受拉弯，下弦杆受压弯，上弦杆故应全长配置通筋，且应满足裂缝配筋，看台的施工详图如图14。

图14 看台详细分析图

图15 看台施工详图

3 结语

①主体结构采用框架剪力墙结构，保证各连续楼板局部区域的刚度均匀，形成多个筒体，从而增强整体结构刚度。

图16 施工过程中照片

②外圈幕墙通透效果，且向外倾斜，设计采用钢结构斜柱、弧梁与幕墙龙骨结合一体设计，与混凝土主体结构整体建模分析，协调受力。

③对关键部位楼板和看台桁架详细分析，根据分析结果进行设计，保证结构安全。