镇江新区文化馆(图1)位于江苏省镇江市新区，总建筑面积16801㎡，其中地上建筑面积10872㎡，地下建筑面积5929㎡。主楼地上两层，局部设有夹层，地下室1层。檐口标高23.85m，地上1，2层层高分别为15.0，8.85m，局部夹层建筑标高分别为6.000(7.500)，10.000，19.790m，地下室层高6m。建筑功能为文化馆、剧场、化妆间、设备用房等。项目内剧场观众厅600座，属于小型圆形剧场。建筑造型外观形似一朵绽放的玫瑰，主楼平面尺寸约81.8m×92.5m，地上结构采用钢框架结构，框架柱采用圆钢管，环向布置，最外环柱距约11m。屋顶采用平面交叉桁架，桁架跨度45m，局部跨度60m。地下室采用型钢混凝土结构，楼屋面板采用现浇钢筋桁架楼承板。屋面观景平台和挑檐悬挑长度约2～3m，环绕主楼环形设两条悬挑坡道，坡道宽度约2～4m，坡道板由钢柱外挑钢梁铺设花纹钢板组成。本工程首层平面图、剖面图见图2，3。（作者：冯川川，季建平，卢辉，王铁英）

 

图1 镇江新区文化馆效果图

图2 镇江新区文化馆首层平面图

图3 镇江新区文化馆剖面图

 

本工程设计使用年限50年，结构安全等级二级。抗震设防类别为标准设防类，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g。本工程存在由于建筑功能需要楼板大开洞、局部设夹层的实际情况，结构存在扭转不规则、楼板不连续、刚度突变及穿层柱等多项不规则，判定为特别不规则多层建筑。

 

镇江新区文化馆地上两层，地下一层，属于大跨度圆形剧场。地上结构采用钢框架结构，屋顶采用平面交叉桁架，地下室采用型钢混凝土结构，楼屋面板采用钢筋桁架楼承板。由于本工程建筑功能需要楼板大开洞，局部设夹层，结构存在扭转不规则、楼板不连续、刚度突变及穿层柱等多项不规则，为特别不规则多层建筑。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键、重要构件和薄弱部位做了适当的加强和性能设计，保证结构在地震作用下的延性以及其他各种作用效应下的可靠性。并采用YJK和MIDAS Gen软件进行小震下应力比包络结果设计，保证结构的安全性。对地上钢结构的次梁进行了优化，对其按组合楼盖设计，适当降低了次梁的用钢量，满足了业主对建设成本的控制要求。

 

一、结构设计方案

 

1、整体结构体系

 

结构设计方案确定为地上采用钢框架结构，钢材为Q345B，竖向构件采用圆钢管柱，钢框柱主要截面为φ800×30～φ1000×40，水平构件采用H型钢梁和箱形截面梁，钢框梁主要截面为H550×200×10×16～H700×300×13×24，□600×250×14～□900×400×24。大跨屋顶采用平面交叉桁架，并设三道环向次桁架和中心环梁，桁架矢高3m，桁架上、下弦杆采用箱形截面□600×40×20～□700×400×24，斜杆采用无缝钢管，其截面为φ203×8～φ402×22。结构存在楼板开大洞、局部设夹层、大悬挑和屋顶大跨度等特点，见图4～6。

 

图4 结构计算主模型轴测图

图5 结构剖面图

图6 单榀桁架示意图

 

地下室采用型钢混凝土混合结构，由于首层地面需要安装升降舞台装置，钢筋混凝土楼板需要预留洞口，故嵌固端在基础顶，基础采用柱下多桩承台，型钢混凝土柱下插至承台，地下室顶板采用混凝土梁板结构，具体构造详见图7。

 

图7 地下室型钢混凝土混合结构构造示意图

 

2、特殊荷载考虑

 

本工程由于剧场建筑功能需要，舞台及观众席需要挑空，屋顶跨度约45～60m，屋顶需要下挂灯杆、幕布吊杆、检修马道等装置，舞台的机械装置由专业厂家深化设计，并提供设计预留条件给设计院，对结构专业的要求就是根据特殊荷载以及吊挂设置栅顶层，屋顶吊挂采用栅顶层焊接到桁架节点上，所有机械装置均与栅顶层连接，不得与主体钢桁架直接连接，以保证加工阶段和使用阶段屋面桁架的安全性。经与深化设计专业厂家以及业主协商，确定结构整体计算时将屋面桁架下挂荷载按均布活荷载简化考虑，均布活荷载:舞台上空为8kN/㎡，观众席上空为4kN/㎡。

 

3、幕墙对主体结构的影响

 

外观造型方面，建筑外立面采用了大量幕墙，主要分为外墙幕墙系统和外围上悬穿孔铝板幕墙，上悬幕墙悬挑高度局部高达9m，幕墙系统由具有幕墙设计资质的专业厂家专项设计，并提供幕墙龙骨支座设计及荷载供设计院整体计算，幕墙对主体结构的影响简化考虑为幕墙龙骨支座反力，以节点荷载形式输入到整体模型。整体计算结果满足要求。

 

2.4加强环节点分析及大样

 

因屋盖桁架为以圆心为中心的放射向布置，若平面桁架均于圆心交叉，则节点设计过于复杂。本工程设计依据建筑平面特点，选择正X向与正Y向十字桁架贯通，其余径向桁架与中心加强环梁刚接，加强环直径6m，上、下环梁截面为□700×500×50，经计算桁架与加强环梁连接处应力及变形均满足要求，其中屋盖桁架加强环应力见图8。

 

图8 屋盖桁架加强环大样及应力云图/(N/m㎡)

图9 钢结构应力比云图

图10 桁架杆件应力比云图

 

二、结构整体计算

 

1、小震弹性反应谱法计算

 

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016年版)(简称《抗规》)及地勘报告，本工程所在地抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g，水平地震影响系数最大值为0.08；由于《抗规》和《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)对设防要求的划分不一致，根据镇江新区抗震办公室组织召开的抗震设计专项论证会意见，本工程场地地震动峰值加速度调整系数取1.25，即水平地震影响系数最大值为0.10。

 

整体计算模型采用YJK与MIDASGen两种软件进行小震反应谱分析，结构计算结果见表1。由表可知，结构小震弹性计算结果均满足规范要求。

 

结构整体分析主要计算结果 表1

 

地上钢结构材料强度等级采用Q345B，本工程采用YJK和MIDASGen进行小震下应力比及柱长细比的计算。经过对比包络计算结果，钢构件承载力及构造均满足要求。本工程整体计算钢结构应力比：MIDASGen计算结果略大于YJK计算结果，图9为MIDASGen计算的钢结构应力比结果，结果表明，钢框柱和钢框梁的最大应力比出现在穿层柱位置，应力比均小于0.85，屋顶桁架最大应力比出现在支座附近，应力比均小于0.90，次梁应力比均小于1.0。

 

考虑屋面为大跨桁架，又是结构重要构件，应严格控制屋面钢构件的应力比及变形。计算结果显示，桁架杆件应力比控制在0.85以内，见图10；在标准荷载组合作用下桁架向下的最大位移36mm，实际挠跨比1/1250，满足规范限值1/400的要求。

 

2、小震弹性时程分析补充计算

 

由于本项目的特殊性，镇江新区抗震办公室组织召开了抗震设计专项论证会，根据会议结论《镇江新区文化馆设计抗震专项审查意见》，本项目为特别不规则结构，应采用时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。

 

应用YJK计算软件，按照《抗规》第5.1.2条第3款，选用三组时程曲线，其中天然波两组，分别为

Livermore-02_NO_217，Tg(0.45)和Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2966，Tg(0.49)；人工波一组，为ArtWave-ＲH1TG045，Tg(0.45)。地震影响系数最大值0.1，主方向峰值加速度45cm/s2，次方向峰值加速度29.75cm/s2，时程分析时间长度35s，时程分析时间步长0.02s。

 

根据《抗规》要求取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值，并依据两种计算方法的比值，在整体计算时各层乘以放大系数，详见表2。

 

多条波时程包络值与CQC法计算结果比较 表2

 

注：本工程嵌固端位于地下室顶板，地下室为1层，不考虑结果对比；2～7层对应结构模型中地上各标准层和夹层，其中2层顶标高为6.000m(7.500m)，3层顶标高为10.000m，4层顶标高为15.000m，5层顶标高为19.790m，6层顶标高为23.850m，7层为局部出屋面。

 

3、风荷载下计算

 

由于本项目的外围护幕墙结构比较多，风荷载下的计算分为幕墙结构专项设计和结构整体计算。前述幕墙维护结构由具有幕墙设计资质的专业厂家专项设计，并提供幕墙龙骨支座设计及荷载供设计院整体计算，与钢结构主体连接位置反力由幕墙厂家提供，结构整体计算已按所提条件考虑为节点活荷载。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)(简称《荷载规范》)，考虑钢结构对风荷载比较敏感，计算风压取1.1w0，基本风压w0采用《荷载规范》中50年重现期基本风压。因本工程为多层建筑，建筑高度较低，风荷载作用下变形较小。整体计算风荷载作用下的楼层位移见表3，可见，风荷载作用下的位移计算均满足要求，最大层间位移角1/2610远小于《抗规》限值1/250。

 

4、温度作用下计算

 

经查《荷载规范》，江苏镇江年基本气温在－6～36℃，整体计算温度作用按±20℃考虑。经计算，在降温20℃和升温20℃单工况时受力如下:屋顶大跨桁架上、下弦杆最大轴力为406kN(约相当于恒载单工况作用下最大轴力的30%)；屋顶大跨桁架中间加强环梁最大轴力为844kN(约相当于恒载单工况作用下最大轴力的25%)，在对应荷载组合工况下整体计算满足承载力要求。

 

风荷载作用下的楼层位移 表3

 

5、中震弹性计算

 

本工程由于舞台上空和观众席上空的建筑功能要求，存在很多穿层柱，考虑屋面为大跨度桁架，对结构模型进行了中震弹性计算。对结构重要构件取中震弹性计算结果，控制框架柱应力比小于0.85，桁架弦杆和斜杆应力比小于0.9。经过调整截面验算后，钢框架柱最大应力比0.81，桁架弦杆最大应力比0.86，斜杆最大应力比0.83，较多钢梁出现屈服应力比大于1.0的情况。

 

6、钢结构性能化设计

 

根据《钢结构设计标准》(GB50017—2017)(简称《钢规》)第17章相关规定，钢结构构件的抗震性能化设计应根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，结构构件在整个结构中的作用、使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等，经综合分析比较选定其抗震性能目标。

 

依据《钢规》表17.1.4-1和表17.1.4-2，设防烈度7度(0.10g)，钢结构房屋高度H≤50m，钢结构塑性耗能区承载性能等级选用性能5～7。本工程性能等级取5；设防类别为标准设防类(丙类)，结构构件最低延性等级为Ⅲ级。

 

三、大震弹塑性计算

 

考虑到本工程的建筑功能和结构不规则的特殊性，为满足《抗规》中提到的以结构安全性为主的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准目标，补充结构在罕遇地震作用下的弹塑性计算。

 

利用YJK静力弹塑性分析方法进行计算，结果表明，各层弹塑性层间位移角最大值为1/55，满足《抗规》表5.5.5对结构薄弱层(部位)弹塑性层间位移角最大值1/50的要求，层间位移角曲线见图11。

 

图11 罕遇地震下的层间位移角曲线

 

四、结构超限情况及对应加强措施

 

本工程存在多项不规则，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及专家论证会的意见，对应结构加强措施如下。

 

1、扭转不规则

 

对于考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2(最大1.35)的情况，所采取的对应措施如下：1)从层间位移比的大小来看，结构X向和Y向层间位移比基本均小于1.20。对于个别节点大于1.20的情况，《抗规》另有说明“当最大层间位移远小于规范限值时，可适当放宽”；2)从层间位移角的大小来看，结构X向和Y向层间位移角均小于1/500，满足《抗规》第5.5.1条对层间位移角的限值1/250要求。

 

2、楼板不连续

 

对于楼板有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高的情况。多采取的对应措施如下：1)指定开洞层为薄弱层；2)加强楼板板厚和配筋，楼板板厚由110mm改到150mm，配筋由φ10@150改为φ12@150双层双向布置；3)加大开洞层框架梁截面；4)按全楼弹性板复核。

 

3、刚度突变

 

对于相邻层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%的情况。所采取的对应措施如下:1)指定开洞层为薄弱层；2)加强薄弱层竖向构件；3)按全楼弹性板复核。

 

4、局部不规则

 

对于存在局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换，或个别楼层扭转位移比略大于1.2等的情况。所采取的对应措施如下：1)穿层柱按重要构件考虑，提高其抗震等级为三级；2)控制穿层柱应力比小于0.6，严格控制柱长细比λ小于82.5(抗震等级按三级)；3)穿层柱按中震弹性计算，中震下控制其应力比＜0.85。

 

五、组合楼盖设计

 

本工程楼屋面板采用钢筋桁架楼承板，板与钢梁之间设抗剪栓钉，栓钉采用穿透焊与钢梁上翼缘固定，钢结构次梁依据《钢规》按钢与混凝土组合梁设计，考虑混凝土翼板刚度的影响，适当降低了次梁的用钢量，满足了业主对建设成本的控制要求。在进行组合梁截面承载能力验算时，混凝土翼板的有效宽度be=b0+b1+b2，其中b0为钢梁上翼缘宽度；b1，b2为钢梁两侧翼板计算宽度；见图12。

 

图12 混凝土翼板的计算宽度

 

根据楼屋面次梁实际布置情况，按组合梁验算后，控制钢梁应力比。抗弯设计时，混凝土翼板与钢梁为完全抗剪连接，其截面抗弯承载力按组合梁共同承担，控制钢梁正应力比小于1.0，组合梁截面全部剪力由钢梁腹板承受，控制钢梁剪应力比小于0.95。

 

六、其他设计构造上的考虑

 

除以上所述结构分析内容外，本工程还考虑其他设计构造来保证结构的经济性和合理性，如下：1)由于结构整体存在大跨度屋面桁架以及大悬挑，按反应谱法计算竖向地震作用；2)屋面桁架考虑结构起坡2%，这样可以减轻屋面做法的自重；3)悬挑梁按计算挠度远端起拱；4)环形坡道板采用花纹钢板+角钢加劲肋，减轻自重；5)内环(?轴)支撑屋面桁架的框架柱，计算长度较长的采用中震弹性包络设计，计算长度小的采用小震计算；6)屋面采用平面交叉桁架，并设三道环向次桁架和中心环梁，根据重要性加强次桁架和环梁的承载力；7)构造加强，钢框柱采用混凝土灌芯，避免柱平面外屈曲。

 

结语

 

镇江新区文化馆为圆形钢结构大跨剧场，跨度81.8m×92.5m，超限项目较多，根据计算分析结果和概念设计方法，对关键、重要构件和薄弱部位做了适当的加强和性能化设计，以保证结构在地震作用下的延性以及其他各种作用效应下的可靠性。本工程施工图设计已通过外审单位和当地抗震办公室的审查，主体结构计划于2019年12月封顶，2020年投入使用。