白银市文化艺术中心结构设计

张卫东 黄跃斌 肖信文 王皆欣

(北京市建筑设计研究院有限公司第二建筑设计院，北京 100045)

白银市文化艺术中心结构设计

张卫东 黄跃斌 肖信文 王皆欣

(北京市建筑设计研究院有限公司第二建筑设计院，北京 100045)

结合白银市文化艺术中心项目的特点，介绍了该项目地基与基础设计方法，对项目的结构体系作了研究，着重计算分析了屋顶网架、中庭桁架、剧院主入口桁架等构件的结构设计技巧，使结构设计满足经济、安全、科学的要求。

结构，单元，钢桁架，设计，计算

1 工程概况

白银市文化艺术中心位于甘肃省白银市，总建筑面积约9万m2，建成后将成为白银市的标志性建筑。图1为建筑整体效果图。平面布置上以白银大剧院为主体，档案馆、图书馆、博物馆等为辅助，形成并列式建筑体。剧院与各馆用通高中庭连接，各馆既整体统一，又相对独立。项目地下室为局部1层，地上建筑1层～4层，大部分结构最大高度均为23.5 m，大剧院局部舞台屋顶高为35.35 m，首层建筑轮廓尺寸约为160 m×170 m，典型柱网尺寸为8.1 m×8.1 m。

工程抗震设防类别为乙类，设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.15g;建筑场地类别为Ⅱ类。结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。楼层荷载根据建筑功能按GB 50009—2012建筑结构荷载规范确定。

2 地基与基础设计

2.1 地质情况

根据勘察报告，拟建场地原始地貌为低山丘陵地带，地势呈北高南低之势，最大高差为11.34 m。场地及附近无活动性断裂等构造体通过，处于相对稳定地段。场地土地层从上到下依次为：杂填土、粉砂、细砂、强风化岩、中风化岩。勘探深度范围内无地下水赋存，故不考虑地基液化问题及基础抗浮问题。

2.2 基础设计

由于场地北高南低，勘探点高程变化大，同时建筑自身基底标高不同，故依据勘探实际情况采用不同的基础形式，基础持力层以⑤层中风化砂岩作为主要基础持力层。剧院主舞台台仓及静压箱等区因地下室较深采用筏板基础；剧院大堂部分因地势高差较大且持力层埋藏较深，该区域采用人工挖孔灌注桩基础，桩长有8 m，15 m两种类型，桩径分别为800 mm及900 mm。共享中庭、档案馆、图书馆及博物馆部分基础埋藏较浅，基底接近中风化岩持力层，且无地下水，该部分采用独立柱基形式。

3 结构体系

1)结构单元。结构形式为全现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构，工程框架的抗震等级为三级，剪力墙的抗震等级为二级；根据建筑功能的需要结构分为四个单元，分别为剧场、档案馆、图书馆、博物馆四个部分。2)剧场单元。采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构。剧场舞台及看台屋面采用钢结构网架，剧场入口大堂屋面采用空间钢桁架屋面，外挑10 m平面钢桁架，入口主桁架跨度为56.7 m跨矩形钢桁架，下部为双向拉索玻璃幕。3)档案馆、图书馆及博物馆单元。三馆采用框架—剪力墙结构。三馆顶部局部采用玻璃采光顶，用钢梁支撑在两侧框架梁及框架柱上。4)各结构单元间的连接。剧院和三馆间为四层同高通廊连接，顶部为玻璃采光顶，采用平面钢桁架支承在剧场侧框架柱及框架梁上。

4 单元结构计算

4.1 剧场单元

单元计算采用PKPM-SATWE(2010版)，将结构嵌固端设置在地下1层顶进行计算。在整体分析时，将剧场及舞台顶网架钢屋面、剧场入口处及通廊等钢结构一起按整体模型输入计算，钢结构与钢筋混凝土连接采用固定铰支座，单向滑动支座及双向滑动支座连接。剧场楼板开大洞较多，平面不规则，通过调整抗震剪力墙的布局及墙体厚度来解决结构扭转的问题。工程竖向平面规则，刚度比较均匀，第一扭转周期比为0.88，小于0.90。Y方向最大平面位移比为1.34，小于1.5，说明结构的整体抗震性能较好。

4.2 档案馆、图书馆及博物馆单元

档案馆、图书馆及博物馆各结构单元平面及竖向较为规则且只有4层，因此结构抗震验算采用空间建模，计算采用PKPM-SATWE(2010版)，表1为各馆计算结果。各馆的计算结果表明，在设防地震作用下结构的位移比、周期比和剪重比等均能满足抗震规范的要求，同时多塔整体模型计算和单塔计算的结果有较好的一致性，这说明地下连通的大底盘而地上多塔的结构各塔间的互相影响比较小。

5 钢结构计算

5.1 剧场顶部网架屋盖设计

剧场池座和舞台顶屋面因建筑隔音要求为重屋面，屋面恒载为4 kN/m2，屋面为非上人屋面，屋面活荷载为0.54 kN/m2。池座顶网架吊顶恒载为1.3 kN/m2，马道恒载为1.0 kN/m2，马道活载为0.7 kN/m2。舞台顶网架吊顶恒载为8.0 kN/m2，马道恒载为2.0 kN/m2，马道活载为1.4 kN/m2。网架采用空间网架结构设计软件MST2012进行满应力分析设计。经计算池座顶网架满载最大挠度为81 mm，舞台顶网架满载最大挠度为28 mm。经计算钢构件强度应力比不大于0.85。网架制作安装时务必反向起拱，起拱值为L/600，其中,L为短向跨度。图2为池座顶网架剖面。

表1 档案馆、图书馆、博物馆主要计算结果

5.2 中庭钢桁架设计

中庭宽24.3 m，长145.8 m，顶部为玻璃顶采光，两端为玻璃幕墙，中间单元楼座间采用玻璃幕墙。结构设计上，玻璃幕墙顶采用三角空间桁架，24.3 m跨间采用平面钢桁架，结构计算软件采用MIDAS/GEN800。桁架主杆件包络强度设计应力比最大值0.80，不大于0.85；最大挠度值为29 mm，考虑起拱因素后，桁架最大挠度控制在1/400以下。图3为中庭钢桁架计算应力图。

5.3 剧场大堂钢桁架设计

剧场主入口为4层通高大堂，入口处为跨度56.7 m的拉索网幕墙，檐口外挑10 m，钢结构计算模型如图4所示。大堂顶为重屋面，采用空间钢桁架，外挑部分依据建筑造型采用平面桁架，因入口拉锁幕墙跨度较大，入口上部采用2.7 m×4.0 m的矩形空间桁架。设计计算中考虑的荷载工况包括恒载、活载、风载、温度作用、水平及竖向地震作用等，计算软件采用MIDAS/GEN800。桁架构件强度包络设计应力比最大值0.82；最大挠度130 mm，考虑起拱因素后，桁架最大挠度控制在1/400以下。大堂矩形钢桁架计算应力如图5所示。

6 结语

本工程为复杂空间的公共建筑，楼板开大洞较多，且为平面不规则的结构，结构设计过程中通过合理调整建筑物内部混凝土墙体的刚度及加强楼板厚度来解决结构扭转的问题，从而提高结构抗震能力，使得结构各项计算结果都能够满足抗震规范要求。局部大跨空间钢结构设计时采用MTS2012，MIDAS/GEN等软件专门研究及细化计算对比分析，获得准确、安全、经济、合理的整体及局部设计计算结果。

[1] GB 50011—2010，抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3—2010，高层混凝土结构技术规程[S].

Structural design of Baiyin cultural arts center

Zhang Weidong Huang Yuebin Xiao Xinwen Wang Jiexin

(The2ndBuildingDesignInstitute,BeijingBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Beijing100045,China)

Combining with Baiyin cultural arts center project features, the paper introduces the project foundation and basic design methods, studies the project structure system, and mainly calculates and analyzes structural design techniques of roof grid, central hall truss, and major theater entrance truss and other components, so as to make the structural design meet economic, safe and scientific demands.

structure, unit, steel truss, design, calculation

2015-01-27

张卫东(1977- )，男，硕士，工程师； 黄跃斌(1981- )，男，工程师； 肖信文(1979- )，男，工程师； 王皆欣(1981- )，男，工程师

1009-6825(2015)10-0040-03

TU318

A