邹焕苗

(华通设计顾问工程有限公司，北京 100034)

1 工程概况

莆田青少年宫工程位于福建省莆田市玉湖片区南侧半岛上，总建筑面积2.8万m2，西侧为剧场部分，地上1层局部夹层，无地下室，包括一个725座的剧场，观众厅屋面高度12.5 m;东侧为少年宫活动用房及办公用房，地上4层，地下1层，回字形结构布置。中庭通高无柱双螺旋楼梯，外立面效果图见图1。

图1 青少年宫效果图

工程的结构设计基准期为50年，安全等级二级，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g。抗震设防类别为乙类，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级二级。基本风压0.7 kN/m2，地面粗糙度B类。

基础采用桩基+防水板，基础埋深－5 m，采用预应力管桩，桩端持力层为中风化岩石，单桩竖向抗压承载力特征值为2 200 kPa，单桩抗拔承载力特征值为700 kN，单桩水平承载力特征值50 kN。

2 结构设计

2.1 结构方案

工程结构体系为框架—剪力墙结构，西侧为剧场，剧场部分建筑单层空旷，局部含夹层;东侧为少年宫功能用房，平面为回字形布置(见图2)，地上4层。剧场舞台嵌入东侧回字形平面内，舞台顶与主体4层顶屋面平齐。本工程剧场与周边采用不设永久缝设计，为达到建筑声学要求，部分楼板采用浮筑楼板隔声系统来减少楼板因撞击产生的固体传声。

舞台与观众厅周围设置了600 mm厚剪力墙，增加剧场空旷结构抗侧刚度，东侧平面在四周楼梯间设置剪力墙，形成框架—剪力墙结构体系。

观众厅屋面作为室外景观平台，观众厅及舞台顶部有通风管道，由于层高限制，且因建筑声学要求，屋面必须为混凝土楼板，通风管道标高尽量贴近屋面板，通过比较，最终设计采用H型钢梁组合楼盖，H型钢梁腹板开洞，其中观众厅和舞台屋顶钢梁跨度分别为25 m和19 m，截面分别为H1 600×400×20×40和H1 200×400×16×32的焊接型钢，腹板开洞尺寸满足开洞直径不大于钢梁腹板高度/2，且洞口四周采用加劲肋加强措施。

2.2 结构整体抗震设计

结构平面不规则，剧场单层空旷，局部含夹层，结构整体指标计算以SATWE为主，盈建科软件对比分析，两种软件计算结果基本接近。结构总质量、基底剪力、剪重比及周期、位移等计算指标详见表1～表3。

表1 SATWE和盈建科(YJKS)

表2 SATWE和盈建科(YJKS)计算周期

表3 SATWE和盈建科(YJKS)计算楼层最大位移

2.3 抗震性能设计

本工程属于乙类建筑，结构平面不规则，比较复杂。虽然本工程不属于超限建筑，由于工程重要性及特点，在结构设计中将薄弱部位及重要构件提高抗震性能［1］，对螺旋楼梯周边框架柱、看台周边框架柱及台口柱等采用中震弹性设计，台口梁、柱抗震等级提高至一级。

二，四层回字形平面靠近舞台侧楼板形成细腰楼板，在水平地震作用下，细腰楼板平面内刚度较弱，形成薄弱部位，对细腰楼板详细分析［2］，采用midas gen软件进行有限元分析计算，小震作用下细腰楼板绝大部分楼板最大应力小于1.10 N/mm2，低于混凝土抗拉强度设计值(C30)。中震作用下细腰楼板除剪力墙根部应力集中，大部分楼板应力小于2.0 N/mm2，低于混凝土抗拉强度标准值(C30)。

2.4 中庭螺旋楼梯设计

结构布置:中庭螺旋楼梯自首层楼板起步，内径6.5 m，外径9.8 m，根据建筑方案要求，中庭要尽量通透，不能设置梯柱，螺旋楼梯通过二层～四层悬挑箱型钢梁平台与各层连接，螺旋楼梯采用三根螺旋箱型主钢梁，主梁间采用间距2 m箱型次梁刚性连接，提高主螺旋钢梁整体稳定性，踏步板采用螺纹钢板。螺旋楼梯楼层平台处悬挑箱型钢梁最大悬挑跨度4 m，箱梁截面800×400×40，设计活荷载取3.5 kN/m2，结构计算模型见图3。螺旋楼梯设计采用单独模型计算，主体结构设计时将螺旋楼梯按荷载形式输入分析计算。

图2 典型楼层结构平面布置（四层）

图3 中庭螺旋楼梯结构模型

经计算，钢梯梯梁最大应力比为0.58，钢梯梯梁最大竖向位移约39.6 mm(1.0 恒 +0.5 活)，挠度为 39.6/25 000=1/630，均满足设计要求。

2.5 观众厅屋面舒适度设计

观众厅屋面为建筑景观平台，因其建筑功能特殊性，设计需要考虑满足声学要求及舒适度要求。屋面混凝土楼板上设置浮筑楼板隔声，减小因楼板振动产生的固体传声。对H型钢组合楼盖进行舒适度验算，包括挠度、自振频率、加速度。

2.5.1 挠度验算

钢梁跨度L=25.2 m，钢梁采用Q345B级钢，H1 600×400×20 ×40 截面，E=2.06 ×105N/mm2，I=2.532 61 ×1010mm4，按一端固支、一端简支计算，满足要求。

2.5.2 自振频率验算

1)SATWE模型计算:楼板振动周期T=0.302 4 s，频率F=1/T=3.307 Hz＞3 Hz，满足要求。

2.5.3 加速度验算

按照高规［3］附录A计算:

楼盖竖向振动加速度限值为:αmax=0.057 m/s2，αp＜ αmax，满足要求。

2.6 室外楼梯滑动支座宽度取值

室外楼梯与主体相连，为简化受力形式，在主体梁上采用牛腿上设置滑动支座，支座应按“大震不倒”要求设置宽度。计算宽度按方法一、二两者取大值。

方法一(节点位移Δ按照PKPM计算结果查询):

2号室外台阶搭在主楼第二标准层节点9，12上。

PKPM结果，节点处小震反应谱弹性水平位移为:Δx=0.370 mm，Δy=0.101 mm。

节点处大震弹塑性水平位移为:Δx大=2β大Δx=2×6.25×0.370=4.625 mm。

方法二(节点位移Δ按照楼层高度的H/1 200计算):

节点处小震反应谱弹性水平位移为:

滑动支承最小支承长度:b≥WC+bc=100+350=450 mm。

3 结语

1)针对平面不规则等复杂结构，宜采用两种软件复核计算。2)对薄弱、重要构件提高性能要求，增强其抗震性能。3)对形成弱连接楼板，宜进行水平地震力作用下的应力分析计算，并对薄弱楼板进行配筋计算。4)复杂中庭钢结构螺旋楼梯设计，采用单独模型为主，主体结构计算时将与主体连接处按荷载形式输入计算模型。5)滑动支座应按大震不倒要求设置宽度。

［1］ GB 50011－2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］ 扶长生，刘春明.高层建筑薄弱连接混凝土楼板应力分析及抗震设计［J］.建筑结构，2008(3):2－5.

［3］ JGJ 3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.