青浦题学平和学校图书剧场超限复杂结构抗震设计_王晓辉.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20210038 第第一一作作者者:王晓辉,博士研究生,教授级高级工程师,一级注册结构工程师,主要从事 UHPC 混凝土结构、超限、复杂混凝土结构及钢结构设计研究工作,Email:2280082 。青浦题学平和学校图书剧场超限复杂结构抗震设计王晓辉1,2,张伟平1,孔 阳3,陆苏亮2(1 同济大学土木工程学院,上海 200092,2 上海原构设计咨询有限公司,上海 200233;3 上海泰大建筑科技有限公司,上海 200092)摘要:青浦题学平和学校图书剧场由图书馆、剧场、多功能厅等组成,主体结构采用钢框架结构体系,楼盖采用现浇混凝土楼板+局部大跨钢网架屋盖,楼板采用钢筋桁架楼承板。整体结构存在平面及竖向多项不规则,结合建筑抗震设计规范(GB 500112010)要求,采用三水准、两阶段设计方法,对结构进行弹性和弹塑性分析。分析结果表明:整体结构具有良好的承载和变形能力,能满足“小震弹性,中震可修,大震不倒”的抗震性能化设计目标。对结构的薄弱部位提出了有效的抗震加强措施。针对超长结构温度应力、剧场入口水平大悬挑及图书阅览区大跨度楼盖舒适度、剧院入口悬挑区域施工模拟分析、关键节点应力、声学设计对结构设计的影响等进行了专项分析。关键词:超限复杂结构;剧场;图书馆;抗震性能分析;弹塑性分析;舒适度验算;施工模拟;UHPC 挂板 中图分类号:TU398.7 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0062-09引用本文 王晓辉,张伟平,孔阳,等.青浦题学平和学校图书剧场超限复杂结构抗震设计J.建筑结构,2023,53(13):62-70,78.WANG Xiaohui,ZHANG Weiping,KONG Yang,et al.Seismic design on out-of-code complex structure of library theatre of Pinghe Bilingual School QingpuJ.Building Structure,2023,53(13):62-70,78.Seismic design on out-of-code complex structure of library theatre of Pinghe Bilingual School Qingpu WANG Xiaohui1,2,ZHANG Weiping1,KONG Yang3,LU Suliang2(1 College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2 YUANGOU Architects&Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China;3 Shanghai T&D Architectural Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China)Abstract:library theatre of Pinghe Bilingual School Qingpu is composed of library,theater,multi-function hall,etc.The main structure adopts steel frame structure system,the floor adopts cast-in-place concrete floor and local large-span steel grid roof,and the floor slab adopts steel truss floor bearing plate.The overall structure has multiple irregularities in the horizontal and vertical plane.Combined with the requirements of Code for seismic design of buildings(GB 500112010),the elastic and elastic-plastic seismic analyses of the structure were carried out by using the method of three levels and two stages.The analysis results indicate that the whole structure has good bearing and deformation ability,and it can reach the seismic performance design aims of elasticity under small earthquake,restoration under medium earthquake and non-collapse under large earthquake.The effective seismic strengthening measures to weak parts of structure were suggested.Technological analysis was carried out on the super-long structural temperature stress,comfortable degree of the large horizontal overhanging at the entrance of the theatre and the large-span floor of the reading area of the library,construction simulation analysis of overhanging area at the entrance of the theatre,key node stress,influence of acoustic design on structural design.Keywords:out-of-code complex structure;theater,library;performance-based seismic analysis;elastic-plastic analysis;comfortable degree checking;construction simulation;UHPC hanging plate 1工程概况 青浦题学平和双语学校位于上海市青浦区,淀山湖大道以南,观云路以西。图书剧场坐落于校园东北角,作为学校重要组成建筑之一,其包含图书馆、剧 场、多 功 能 厅 等 功 能,项 目 总 建 筑 面 积5 382.0m2,外立面采用 UHPC 挂板幕墙系统。图书剧场(图 1)整体造型优美简洁,典雅端庄,外形酷似一架蓝色钢琴。本工程地上三层,剧场观众厅入口、观众厅及多功能厅局部为两层,无地下室。一层为剧场及多功能厅,二、三层为图书馆及阅览区。图书剧场平面近似圆角三角形,二、三层及屋面结构平面布置第 53 卷 第 13 期王晓辉,等.青浦题学平和学校图书剧场超限复杂结构抗震设计图见图 24。图 1 效果图图 2 二层结构平面布置图图 3 三层结构平面布置图图 4 屋面结构平面布置图图 5 结构纵向剖面图图 6 结构横向大跨桁架剖面图 图 7 建筑剖面图 剧场舞台尺寸为 20.0m10.6m,观众厅尺寸为25.6m 23.5m,主 舞 台 台 口 宽 度 12.4m、高度 7.50m。入口弧形大悬挑区域(悬挑最大为 10m)与剧场池座巧妙结合,采用水平悬挑拱形支撑转换桁架结构形式。二层图书馆阅览区楼面采用大跨钢桁架。结合大跨空间及建筑整体造型,二层图书馆阅览区及图书馆入口门厅屋盖采用钢网架屋盖,其他屋面采用现浇混凝土屋盖。主体结构采用钢框架结构体系,结构长 74.3m、宽 44.65m,屋面为大坡度斜屋面,最高点标高23.45m,最低点标高 10.65m。结构纵横剖面图、建筑剖面图见图 57。2基本设计参数 本工程抗震设防烈度为 7 度,基本地震加速度值为 0.10g,设计地震分组为第三组,建筑场地类别为类,场地特征周期为 0.90s。多遇水平地震影响系数最大值为 0.08,周期折减系数为 0.70,结构阻尼比为 0.04(小、中震)、0.05(大震)。设计基准期为 50 年,结构安全等级为一级,结构重要系数0=1.1。本工程为教育类教学用房,抗震设防类别乙类(重点设防类),按本地区基本烈度提高一度加强抗震措施1-2。风压为 0.60kN/m2(100 年一遇),地面粗糙度为 B 类,风荷载体型系数取 1.4,100 年一遇雪压为0.25kN/m2。3结构设计3.1 结构选型及布置 图书剧场融合图书馆、剧场、多功能厅等功能,因建筑平面布置、立面效果和使用功能等要求,整体未设置结构缝,结构模型图见图 8。由于建筑功能要求较高,为了避免一层地面后期沉降,标高-0.100m 处设置现浇混凝土梁板。钢36建 筑 结 构2023 年柱在标高-0.100m 以下采用外包式刚接柱脚,下插至承台顶。楼盖采用现浇混凝土楼板,楼板采用钢筋桁架楼承板,观众厅桁架跨度 25.6m、高度 2.00m,水平悬挑拱形支撑转换桁架悬挑长度 10.0m。结构主要构件截面尺寸见表 1。图 8 结构模型图图 9 剧场观众厅入口示意图图 10 观众厅顶部横向桁架布置图表 1 结构主要构件截面构件截面尺寸/mm备注框架柱舞台台口柱8005 600530530舞台边框柱7005003030多功能厅柱6005002020观众厅入口及观众厅柱90030前厅柱6007002525矩形钢管混凝土柱圆形钢管混凝土柱箱形钢柱框架梁台口框架梁7003001324多功能厅框架梁9003002035箱形钢柱 注:钢材均采用 Q355,灌芯混凝土强度等级采用 C60。3.1.1 剧场观众厅入口及剧场池座设计观众厅入口拱形支撑径向撑杆与剧场池座悬挑端及二层图书阅览区内层弧形框架梁及此梁上的柱形成“下撑上吊”空腹桁架结构。观众厅入口大悬挑采用水平悬挑拱形支撑转换空间桁架结构。观众厅入口三维示意如图 9 所示。观众厅入口拱形支撑与二层图书阅览区外围弧形框架梁、二层支撑屋面钢网架梁的柱、三层网架边梁、层间梁及连系梁上的柱、弧形框架梁、竖向及斜向拉压杆形成整体空间桁架受力结构体系。屋面网架荷载通过转换柱向下传递,再通过剧场池座拱形支撑与二层外围弧形框架梁及径向、斜向杆件组成的第一道外围空腹桁架传力路径传递至两侧框架柱。二层悬挑范围的荷载一部分通过二层内侧弧梁与竖杆及剧场池座弧形框架梁组成的空腹桁架向下传递;一部分荷载通过第一道外围空腹桁架向下传递。观众厅入口大悬挑处屋面、二层图书阅览区通过上述两种传力途径将竖向力传递至两侧框架柱及剧场池座框架柱。通过比较单一外围空腹桁架与内、外空腹桁架两种传力体系的传力路径可知:相对内、外空腹桁架体系,单一外围空腹桁架采用相同截面时,框架柱、拱形支撑、支撑杆件应力平均提高 22%,观众厅入口两侧主框架柱轴力提高 35%。增设内圈空腹桁架可将一部分竖向力通过内圈空腹桁架传递至剧场支座悬挑梁及框架柱,可有效降低外围杆件截面应力,特别是降低两侧钢框架柱轴力,有利于控制外围空腹桁架构件截面尺寸,结构传力更合理。3.1.2 观众厅顶部钢桁架设计一层观众厅池座上方楼面桁架采用矩形桁架,桁架高度 2.0m。为了确保桁架体系平面外的稳定,纵向设置上弦及下弦杆件支撑体系。观众厅顶部横向桁架布置如图 10 所示,其中柱跨 25.6m。3.1.