黎巴嫩国家高等音乐学院项目结构设计

孟永杰，王富洋，李 明，崔国勇，张 速，张 勇

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

1 工程概况

黎巴嫩国家高等音乐学院项目位于黎巴嫩首都贝鲁特市大贝鲁特海岸区，总建筑面积约26 000m2，主要包括一个1 200座规模的大音乐厅、350座的小音乐厅和可容纳600名学生的音乐学院综合教学楼。本工程地下为1层，地上音乐学院为8层，大音乐厅为大跨空旷结构，三层通高。音乐学院屋面高度34.9m，大音乐厅屋面高度23.1m。建筑效果图如图1所示，结构平面布置图如图2所示。

图1 项目建筑效果图

图2 结构平面布置图

由于黎巴嫩当地结构设计以欧洲标准为依据，同时该项目属于中国政府援建项目，项目设计需由黎巴嫩及国内审查机构同时审查，要求设计同时满足中欧标准。本文重点以中国标准为基础对项目结构设计进行介绍，同时简单介绍中欧标准设计结果的对比。

按照中国标准GB 50011—2010(2016年版)[1]，项目主体结构设计使用年限为50年，结构安全等级一级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.25g。

对于地震加速度取值，当地100年设计基准期加速度值为0.3g，不同设计基准期的加速度值之间通过重要性系数γⅠ进行换算，50年与100年对应的重要性系数为：

式中：TLR为项目采用的设计基准期；TL为100年设计基准期；k为基于地震活动性的指数。

因此，100年超越概率10%地震加速度(0.3g)换算至50年超越概率10%地震加速值为0.3/1.26=0.238g。最终确定用于设计的加速度值取为0.25g(设计基准期为50年)。

按照欧洲标准EN 1990∶2002[2]和EN 1998-1∶2004[3]，设计使用年限为50年，可靠性等级为CC3，对应可靠性系数取1.1(对应中国标准GB 50011—2010(2016年版)重要性系数1.1)。按照中等延性结构设计，性能系数q取为3.6。设计基本地震加速度值同样取为0.25g。

场地基本风压0.7kN/m2。本项目场地局部存在轻微～严重液化土层，基础设计等级为乙级。

材料方面，本项目钢筋及钢材均从国内采购，相关标准采用中国标准GB 50011—2010(2016年版)。混凝土为当地供应，按欧洲标准EN 1990∶2002和EN 1998-1∶2004执行。

2 结构方案

本项目包含大音乐厅、小音乐厅及音乐学院三部分，建筑设计将三部分融为一整体。结构方案通过防震缝将其划分为两个结构单元。其中大音乐厅为一独立单元，小音乐厅和音乐学院为一独立单元，地下室作为整体不设缝。

大音乐厅抗侧体系采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，在大音乐厅观众厅周圈交通核部位布置钢筋混凝土剪力墙，形成较强的抗侧力体系；大音乐厅屋面为上人种植屋面，跨度最大36m，采用钢桁架+次梁+钢筋桁架楼承板方案；大音乐厅入口大厅屋面最大柱距19m，框架柱均为23m通高，屋面采用实腹组合钢梁，框架柱采用钢骨柱；大音乐厅楼座采用葡萄园式布置方案，楼座采用钢筋混凝土框架结构方案。

小音乐厅及音乐学院单元为高层建筑，抗侧体系采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，由于小音乐厅位于音乐学院底部，因此在小音乐厅顶部存在局部转换。结构整体计算模型如图3所示。

图3 项目结构计算模型

3 基础设计

本项目勘察工作由黎巴嫩和中国勘察单位合作实施，中黎双方按照各自标准出具相应地勘报告，相关土层划分及参数均按照各自标准执行，但基本设计指标一致。根据中国勘察单位的地勘报告，项目所处场地从上至下、由新至老地层依次为：①填土、②中粗砂、③细砂、④粉质黏土、⑤细砂、⑥灰岩及各层中的夹层等。土层分布及主要物理力学指标见表1。根据标贯试验结果，②中粗砂在地震作用下有发生液化的可能，液化等级从轻微～严重不等。

项目场地距地中海海岸100m左右，场地在竖直方向上地基土的工程性质差异大，在水平方向上各土层的厚度存在较大变化，下部灰岩埋深最小处不足20m，最深处钻孔钻至40m未见⑥灰岩层。因此，若采用桩基础桩长差异大，桩端持力层无法统一，沉降难以控制，施工不确定因素多，故本项目基础排除桩基方案。结合当地实际经验及本项目特点，最终采用振冲挤密法(不加填料)对②中粗砂层进行场地液化处理，同时采用CFA桩(长螺旋钻孔灌注桩)复合地基方案。

地基土主要物理力学性质指标 表1

振冲处理采用130kW振冲器，孔点布置采用正方形布孔，间距2m×2m，处理深度为②中粗砂层层底，同时进入下层50cm以上[4]。CFA桩根据上部结构平面采用桩径及间距不变、变桩长的原则进行布置，桩间距2m×2m，桩径600mm，桩长从20～30m不等，处理后复合地基承载力特征值不小于260kPa。通过调节桩长可达到控制基础变形的目的，基础最大位移不超过40mm(图4)，同时柱间沉降差满足规范GB 50007—2011[5]要求。

图4 基础变形云图/mm

基础采用筏板基础，筏板厚度600mm，核心筒及部分框架柱下局部加厚，加厚区域筏板最厚1 400mm。基础设计的重点是承载力及变形的控制，由于大音乐厅观众厅周边布置核心筒，楼屋面荷载主要通过核心筒传至基础，而观众厅区域上部结构仅为1层地下室和局部单层看台，荷载小，表现在基础变形上为筏板出现类似“锅底”的变形(图5)。分析基底压力，大音乐厅中厅区域实际基底压力(平均60kPa)大于按上部结构重量直接计算所得到的基底压力(平均50kPa)，表明，周圈核心筒下沉过程中将带动中厅区域筏板，使得中厅区域筏板负载增加，在基础分析过程中应考虑上部结构刚度，控制中厅区域与核心筒之间沉降差；其次在配筋设计时，应对中厅区域筏板的上铁钢筋以及周圈核心筒与中厅交界处的筏板下铁钢筋进行加强。

图5 筏板三维沉降示意图

4 大音乐厅结构设计

大音乐厅入口大厅三层通高，观众厅屋面为大跨度重屋面。虽为框架-剪力墙结构，但框架柱多为三层通高柱，抗侧能力有限，主要抗侧构件为布置在观众厅周圈的核心筒。采用YJK及ETABS对结构进行计算分析，主要结果对比见表2。可以看出，两种软件计算结果相近，主要指标均满足标准GB 50011—2010(2016年版)要求。

大音乐厅主要计算结果 表2

4.1 池座设计

大音乐厅池座效果图如图6所示，池座采用葡萄园式，围绕舞台周圈布置，每个单元交叉错落布置，标高从0到10m之间变化，所有单元均为弧形，且与轴网无对应关系。池座采用钢筋混凝土框架结构，通过三维放样，结合建筑平面对结构构件进行精确放样和定位，由于框架柱布置没有规律，无法直接下落至基础，故在首层进行转换，池座结构布置如图7所示。池座主梁截面为300×700，看台梁宽200mm，高度根据台阶高度确定。

图6 大音乐厅池座效果图

图7 大音乐厅池座结构布置图

由于池座看台框架梁高差变化大，在地震作用下会对结构有很强的斜撑作用，看台斜梁及相连框架柱将会吸收较多的地震能量，导致外围结构所分配地震力偏小，因此在外围结构设计时，采用考虑看台和不考虑看台两种模型进行包络设计[6]。

4.2 屋面结构设计

大音乐厅观众厅屋面尺寸44m×36m，入口大厅屋面最大跨度19m，两部分屋面连为整体。屋面结构布置图如图8所示。观众厅屋面沿短跨布置上弦支承平面钢桁架，桁架间距4m，由于屋面沿长跨方向通过结构进行找坡，屋面高差达到800mm，而下弦作为设备转换层，要求下弦平面在同一标高，故设计过程中通过调整桁架上弦支座高度来实现屋面坡度的变化，通过调整桁架高度使下弦标高一致。桁架高度3～3.3m，上弦主要截面□500×400×34×34，下弦主要截面□500×400×28×28，腹杆主要截面□300×300×12×12，材质均为Q355B钢。

图8 大音乐厅屋面结构平面布置图

入口大厅采用实腹组合钢梁，由于屋面为变坡度，采用变高度钢梁。钢梁最大截面H1 300×400×25×50，材质为Q355B钢。入口大厅23m通高幕墙下挂于悬挑屋面处，沿幕墙弧线布置次梁，次梁支承于悬挑梁上。由于幕墙为弧形布置，导致悬挑梁出挑长度不同，最大出挑4m，最小不到1m。而为保证玻璃幕墙的安全性，要求相邻幕墙立柱竖向位移差值不大于3mm。因此，在屋面结构布置时，通过调整悬挑梁间距及截面来控制悬挑部位的变形，计算时，将幕墙立柱作为结构构件与主体结构进行整体计算，同时考虑施工先后次序的影响，最终幕墙立柱的位移差控制在容许值内。

4.3 关键构件设计

大音乐厅主要抗侧力构件为布置于观众厅周圈的核心筒。而入口大厅部位的框架柱均为23m通高跃层柱，地震剪力基本由核心筒承担，结构呈现出左柔右刚的分布模式，刚度中心偏置。为保证入口大厅结构在地震作用下的安全性，对该部位按单独结构及整体结构进行包络设计。单独结构计算时，将与核心筒相连部位按滑动支座考虑；整体结构计算时，将跃层柱地震剪力放大2倍，抗震等级提高一级。最终确定入口大厅处通高柱采用钢骨混凝土圆柱，直径1m。

由于入口大厅与观众厅两部分刚度差异大，地震作用下主要通过屋面板达到变形协调，因此相连区域的屋面板需进行重点设计，按中震弹性对屋面板进行应力配筋设计，中震下楼板应力如图9所示。屋面板采用钢筋桁架楼承板，板厚200mm。

图9 Y向地震作用下大音乐厅屋面板主应力云图/MPa

5 小音乐厅及音乐学院结构设计

音乐学院结构高度34m，平面尺寸67m×16m，小音乐厅三层通高，平面尺寸30m×20m。音乐学院及小音乐厅在平面上存在重叠，整体平面呈L形布置，在小音乐厅顶对重叠部分进行托柱转换。结构存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、竖向尺寸突变及竖向构件不连续等多个不规则项，属于超限高层建筑。结构模型如图10所示。主要剪力墙厚300～400mm，主要框架柱为圆柱，直径700～800mm，框架梁截面500×500，楼板厚度180mm，无次梁。

图10 小音乐厅及音乐学院结构模型

根据结构高度和规则性程度，确定结构构件性能指标见表3[7]。

构件抗震性能目标 表3

5.1 小震分析

同时采用YJK及ETABS对结构进行计算，主要结果对比见表4，结构前3阶振型如图11所示。可见，两种软件计算结果误差较小；前两阶振型以平动为主，第三阶振型以扭转为主。

小音乐厅及音乐学院主要计算结果 表4

图11 小音乐厅及音乐学院前三阶振型示意图

对结构进行小震弹性时程动力分析，采用七组加速度记录作为动力时程分析的地震波输入。地震波反应谱如图12所示。

图12 7条地震波反应谱与规范反应谱对比图

楼层剪力和层间位移角的平均值与规范反应谱的结果基本吻合，楼层无明显薄弱层，表明规范反应谱法计算结果合理，其中，时程和CQC分析的X向楼层剪力和层间位移角曲线如图13所示。时程分析的X向楼层剪力在顶部7～8层大于CQC的结果，在小震构件承载力设计时，将相应楼层剪力按比例调整放大。

图13 小震弹性的计算结果

5.2 中震分析

中震下考虑剪力墙连梁端部出现大量塑性铰等因素，采用等效阻尼的线性化方法(规范反应谱分析)进行关键构件的承载力设计及性能目标验算。具体周期折减系数取0.95，阻尼比取7%，连梁刚度折减系数取0.3。根据等效线性化模型分析结果，墙体配筋较小震计算结果有所增加，关键墙体保证中震抗剪弹性，其他墙体保证中震抗剪不屈服。

5层为音乐厅顶板及转换层楼板，6层局部楼板弱连接，对此两层楼板进行重点分析。图14为中震(1.0恒载+0.5活载+1.0X向地震)下楼板主应力云图。可以看出，5层楼板在中震作用下，除在核心筒角部区域存在应力集中外，其他区域均未超过混凝土抗拉强度标准值2.0MPa，对应力集中区域楼板加大配筋率，墙体角部布置放射筋。6层音乐厅顶部局部楼板与音乐学院部分连接，该区域楼板主应力较大，加厚连接区域的板厚至250mm，增大板配筋，保证中震作用下楼板钢筋不屈服。

图14 楼板主应力云图/MPa

5.3 大震分析

采用SAUSAGE软件对结构进行大震弹塑性时程分析，采用三组强震加速度记录作为动力时程分析的地震波输入。表5列出了各地震波下最大顶点位移及最大层间位移角。可以看出，结构在X，Y两个方向的楼层最大层间位移角均未超过1/100，满足标准JGJ 3—2010[8]要求。

大震作用下弹塑性位移 表5

对结构在大震作用下的损伤特性进行分析，图15为典型地震波作用下剪力墙及连梁损伤。从剪力墙损伤情况来看，剪力墙连梁大部分损坏严重，损伤因子达到0.9；剪力墙损伤较轻，剪力墙损伤因子大部分处在0.00～0.30之间，局部在0.61～0.76之间；框架梁、框架柱损伤较小，框架柱大部分处于弹性阶段。大震作用下主要依靠剪力墙连梁吸收地震能量。同时为避免墙体在大震作用下发生脆性破坏，对墙肢进行大震下的抗剪截面验算，抗剪承载力满足标准JGJ 3—2010要求。

图15 典型地震波作用下剪力墙及连梁损伤

5.4 关键构件设计

竖向收进层(5层)以下墙体抗震等级均按特一级执行；所有墙体保证中震抗剪不屈服，大震下满足墙肢受剪截面控制条件。小音乐厅周边墙体按中震抗剪弹性、抗弯不屈服执行。

对跃层柱，按中震弹性、大震不屈服进行性能设计，对构件进行小震、中震和大震截面承载力验算。小震作用下，跃层柱抗震等级提高一级，参照相邻正常楼层柱剪力对跃层柱剪力进行放大；中震作用下考虑二道防线的调整，同时参照相邻正常楼层柱对跃层柱剪力进行调整。

小音乐厅屋面跨度20m，在同一跨内需上部转换2根框架柱，上部共4层，同时上部屋面设置露天广场，广场布置1层高台阶，图16为小音乐厅区域建筑剖面图。屋面采用型钢混凝土框架梁，截面尺寸700×2 000，型钢截面H1 700×300×25×40，对应框架柱采用钢骨柱。转换柱及转换梁性能目标按中震弹性、大震不屈服设计，同时考虑竖向地震的影响[9]。

图16 小音乐厅区域建筑剖面

6 中欧标准设计对比

由于本项目最终需在黎巴嫩进行审查，设计需满足中欧标准。通过分析对比发现，由于中国标准GB 50011—2010(2016年版)在框剪结构计算时针对框架存在0.2V0的调整，导致框架梁弯矩及剪力有较大的提高，框架梁配筋要明显大于按欧洲标准EN 1998-1∶2004计算的结果。竖向构件结果对比取决于所选取的不同的性能目标，本文选取其中一个核心筒为例，针对不同性能目标及不同标准体系下墙体设计结果进行对比[10]。分别按照中国标准GB 50011—2010(2016年版)小震弹性(墙体抗震等级分别按一级及特一级进行计算)，中震抗剪弹性、抗弯不屈服，中震抗剪不屈服、抗弯屈服，以及欧洲标准EN 1998-1∶2004这5个模型进行计算。图17为墙体编号，表6，7分别为不同中欧标准及性能目标下墙体内力及配筋结果对比。

图17 音乐学院剪力墙编号示意图

墙体内力对比 表6

墙体配筋对比/mm2 表7

根据表6和表7，对于墙体抗剪要求，中震抗剪弹性剪力最高，是抗剪不屈服剪力的1.3倍左右，水平筋配筋面积约为抗剪不屈服的1.4倍。小震特一级墙体抗剪要求介于小震一级与中震不屈服之间。而欧洲标准对于墙体抗剪计算要求在底部加强区剪力值放大1.5倍，放大后的墙体剪力值比中国标准GB 50011—2010(2016年版)中震抗剪弹性略高，为五种工况中最高。对于墙体剪力配筋，采用欧洲标准EN 1998-1∶2004规定的中等延性方法对墙体进行配筋设计。总体要求对比如下：中震抗剪弹性>欧洲标准EN 1998-1∶2004>小震特一级>中震抗剪不屈服>小震一级。综上，墙体抗剪设计考虑采用欧洲标准EN 1998-1∶2004进行设计，中国标准GB 50011—2010(2016)年版按小震特一级进行计算校核，同时满足中震抗剪不屈服的性能目标。

对于墙体抗弯设计，由于小震弹性设计对弯矩及轴力无调整，故按中震抗弯不屈服进行抗弯设计，弯矩及边缘构件配筋提高幅度较大。中震抗弯不屈服的配筋是小震弹性的两倍以上。而按欧洲标准EN 1998-1∶2004设计弯矩介于中震抗弯不屈服与小震特一级之间，边缘构件配筋是小震特一级的两倍左右，主要在于其计算边缘构件配筋时不考虑墙体竖向钢筋以及混凝土的作用，但边缘构件的长度较中国标准GB 50011—2010(2016年版)大1.5倍以上，故总体配筋率与中国标准GB 50011—2010(2016年版)小震特一级相当。综上，对墙体抗弯设计考虑采用欧洲标准EN 1998-1∶2004进行设计，按中国标准GB 50011—2010(2016年版)小震特一级进行计算校核。

7 结论

(1)本项目地基土的均匀性差，场地存在不同程度的液化可能性，同时基岩埋深差异大。采用振冲法消除液化，采用CFA桩(长螺旋钻孔灌注桩)进行地基处理，并根据上部结构的不同调整桩长来控制结构沉降差。对于上部空旷区域的基础设计，基础与上部结构应同时设计，考虑相互之间的影响，以控制沉降差。

(2)大音乐厅属于大跨度空旷结构，屋面跨度大，荷载重，采用变高度平面桁架实现结构与建筑的协调统一；由于大音乐厅结构左右布置不对称，刚心偏置，对于刚度较弱部分应进行独立验算，与整体结构进行包络设计，同时应加强连接区域的屋面板。

(3)小音乐厅及音乐学院结构单元属于超限高层建筑，针对结构不规则项设定具体合理的抗震性能目标，通过小震弹性、大震弹塑性验算，结构承载力满足要求，安全可靠。

(4)本项目剪力墙采用欧洲标准设计，同时按中国标准小震特一级进行计算校核，并且满足中震抗剪不屈服的性能目标。