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摘 要
温州文化艺术大楼高约48 m，总建筑面积为20 543 m2，地上8层，地下1层，整体结构采用钢框架-中心支撑结构体系。其主要用途为新华书店商铺和温州市越剧团的演出和排练场地，建筑内设排练厅和剧场，内部的空间布局较复杂。该建筑第三层的建筑平面中心设有一个小型剧场，剧场上空大跨度挑空22.8 m，且该层存在较大的楼板错层；由于建筑内设中庭、多部电梯和楼梯，导致各楼层有不少开洞，第四层楼板开洞宽度达到楼面总宽度的约60%。该建筑结构存在楼板不连续、各楼层质量分布不均匀、扭转不规则等问题。
针对上述问题采取以下措施：1)在满足建筑使用功能的前提下，合理地布置柱间支撑，解决结构的扭转不规则问题；2)将第五层楼板加厚为150 mm，适当增加楼板的配筋率，沿楼板大开洞边缘设置闭合的水平支撑，以增加楼板平面内刚度，洞口边的钢梁截面做加强处理，洞口的角部在楼板内设置附加斜向钢筋；3)三楼剧场采用顺观众席斜向坡度设置斜向钢梁，在舞台乐池局部标高变化大的区域利用钢梁自身截面高度，在上翼缘和下翼缘布置楼板，对柱两侧主梁高差变化大的节点设置加腋，剧场上空采用大截面焊接H型钢等。
结果表明：采取错列布置柱间支撑、在楼板大开洞周围布置带状水平支撑、设置加腋和竖向桁架等措施，可保证建筑物的侧向刚度及楼板的平面内刚度，且结构布置满足使用功能，达到了较好的建筑效果。
1 工程概况
温州文化艺术大楼位于温州主城区马鞍池路和杏花路交叉口，项目为在原温州市越剧团的原址上进行面积扩充，同时增加建筑功能，以满足越剧团自身发展的需求，并建设一座与温州城市发展相匹配的文化设施以满足市民日益增长的文化生活需求。本项目建成后将成为集艺术排练、演出、创作、文化研究等多功能为一体的综合性文化项目，成为温州市的文化地标(图1)。
本项目总建筑面积为20543 m2，其中地上建筑面积为14947 m2，结构体系采用钢框架-中心支撑体系，地下1层，地上8层，层高为4.05～7.5 m不等，总高度为48.25 m，平面尺寸为49 m×38.8 m，柱距为7～12 m。框架柱采用焊接箱型截面，柱间支撑采用圆钢管，框架梁及次梁采用焊接H型钢，楼板采用闭口型压型钢板-混凝土组合楼板。结构安全等级为二级。
2 建筑及结构特点
2.1
建筑平面
温州文化艺术大楼建筑基底面积仅有2250 m2，对于一个集艺术排练、演出、创作、文化、研究等多功能为一体的建筑结构来说，内部空间非常紧张。该大楼1层为剧场、办公、货物进出口及商业用房，北侧设置剧场主入口，西北侧设置新华书店和商业门店，西侧为办公人员入口和非机动车入口，西南侧设置货物入口和消防控制室，东南侧设置地下车库入口。2层主要设置剧场入口、小卖部、售票厅及新华书店办公用房。观众可从1层通过室外大台阶直接到达2楼剧场入口。3层主要设置剧场大厅及舞台(图2)，化妆、服装、道具等辅助用房。舞台布局较为复杂，舞台台口宽12 m，高度约7 m，主台宽22 m，进深11.5 m，净高16.5 m。舞台前方设置3.5 m宽乐池，供乐队进行演奏，乐池深1.85 m。舞台上方设置双层天桥，第1层天桥设置在距舞台面7.5 m处，主要布置舞台侧光；第2层天桥设置在距舞台面16 m处，主要布置舞台机械设备。在舞台两侧分别布置耳光室，耳光室共3层，每层层高2.5 m。m，15 m以上的墩柱采取现场浇筑施工。
4、5层主要为剧场道具间，6层布置了两个剧团排练厅(图3)和若干道具制作间。7层为剧团办公用房，可满足约90人办公。8层为声乐录音室及员工餐厅。
2.2
上部钢结构设计
考虑施工进度、造价、建筑功能及造型的实现，以及结构抗震等因素，本工程采用钢框架-中心支撑结构体系。本工程的建筑平面布局较为复杂，尤其是剧场所在的楼层标高起伏较大，有较多的楼面局部抬高和降低的设置，剧场的两侧还有辅助用房和天桥等次要结构。建筑内部竖向交通复杂，兼顾到防火的要求，内部楼梯多达11部，再加上中庭和电梯洞口，造成很多的楼层都有不少开洞，局部存在斜交轴线，建筑平面外围还有很多凸起的尖角，如采用传统的钢筋混凝土结构，会带来繁琐的现场支模工作，而钢结构能够较好地适应这种楼面标高和平面布局的频繁变化。并且剧场的上空及其以上的楼层需要结构构件跨越很大的跨度，如采用混凝土梁则需要施加预应力，施工步骤较为繁琐，而采用钢构件则更能适应大跨度结构。因此本工程选用了抗震性能优良的钢结构体系。
在设计时首先按照纯框架结构体系进行了结构分析，结构的各项指标基本能够满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的各项要求(除扭转不规则和楼板不连续外)，框架柱采用焊接箱型截面，柱截面尺寸由低到高从600 mm×600 mm(1～6层)转变为400 mm×400 mm(7、8层)，板厚为16～30 mm。为增强结构的可靠性，在建筑许可的位置设置了柱间支撑(图4)，形成两道抗侧力体系，柱间支撑采用圆钢管，钢管直径为219～351 mm，壁厚为10～16 mm。柱间支撑仅在1～6层布置，其中X方向设置两道柱间支撑，分别布置在Ⓒ轴交④、⑤轴和图片轴交④、⑤轴处；Y方向设置4道柱间支撑，分别布置在②轴交图片/图片轴、③轴交图片/图片轴、⑦轴交图片/图片轴、图片轴交Ⓒ/图片轴，其中②轴线的柱间支撑仅在1～2层布置，图片轴的柱间支撑仅在1层设置。⑦轴线的柱间支撑由于建筑功能的需要进行了错列布置，2层的柱间支撑改在图片/Ⓒ轴和Ⓕ/图片轴布置，1层的柱间支撑改在Ⓒ/图片轴之间设置。为便于门洞布置，选择了单斜杆、人字形和倒八字形的柱间支撑，截面形式选用了最为经济的圆钢管，在所有主轴方向都具有相同的回转半径。
2.3
结构计算分析
本工程采用空间分析软件MIDAS/Gen 7.95进行结构整体分析计算(图5)，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。建筑场地类别为IV类，场地特征周期为0.65 s。抗震设防类别为丙类，结构设计使用年限为50 a，基本风压为0.6 kN/m2，地面粗糙度类别为C类。框架柱、主次梁的钢材材质采用Q345B，楼板混凝土强度等级为C30，楼板钢筋材质为HRB400。框架柱计算长度按无侧移框架取值，主要计算结果如表1～表3所示。
以上结果表明，结构的第一振型为X向平动，第二振型为Y向平动，第三振型以扭转为主，扭转周期比为0.89，满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》)要求(小于0.9)，结构振型质量参与系数不小于90%，满足《高规》要求。X、Y向地震作用下结构楼层最大层间位移角分别为1/1468、1/1434，满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》(简称《钢高规》)要求(小于1/250)。X、Y向在规定水平力作用下的最大层间位移/平均层间位移的比值分别为1.09和1.26，其中Y向位移比大于1.2，属于扭转不规则。风荷载作用下，X、Y向地震作用下结构楼层最大层间位移角分别为1/1 229、1/1203，满足《钢高规》要求。楼层X、Y向最小剪重比分别为1.4%和1.5%，满足《高规》对楼层最小剪重比的要求。楼层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上3层平均侧移刚度80%的比值中较小值均大于1.0，不存在薄弱层。
3 结构措施
3.1
扭转不规则的解决措施
钢混组合梁制作流程：工字钢梁在钢结构制造厂进行分节段本工程的X、Y向楼层最大弹性水平位移与楼层两端弹性水平位移平均值的比值的最大值分别为1.09和1.26，其中Y向的值超过了1.2，但小于1.5，属于扭转不规则。从位移比的数值来看，没有超出1.2的限值较多，属于可以接受的程度。再加上设置了柱间支撑，也从一定程度上限制了结构的扭转。但由于建筑功能的需要，柱间支撑未能布置在对限制结构扭转效果最好的端部。从结构的周期扭转指标看，扭转周期比为0.89，小于GB 50011—2010的限值0.9。结构在地震作用下呈现以平动为主的形变效应，扭转效应可控，但考虑到本幢大楼的较多楼层有大开洞，各个楼层的质量分布不均匀，并且局部存在柱间支撑因建筑功能需要而错列布置的情况，所以在结构分析时计入双向水平地震作用下的扭转影响。制作→成品运输至工地预制装配梁厂→工字钢梁组拼为吊装节段→10 cm底层混凝土板现浇施工→保养存放。
3.2
楼板不连续的解决措施
本工程第4层楼板开洞宽度达到楼面总宽度的60%左右，第3层存在较大的楼板错层，属于楼板不连续结构，对结构平面整体刚度不利。为缓解楼面开洞率较高的不利影响，将第5层楼板加厚为150 mm，并适当增加楼板的配筋率，沿楼板开洞边缘设置闭合的水平支撑(图6)，以增加楼面平面内刚度，洞口边的钢梁截面也做了加强处理，洞口的角部在楼板内设置了附加斜向钢筋。同时，在结构分析时采用带有弹性连接板带、楼板分块平面内无限刚假定的力学模型，以准确分析楼板削弱处周围构件的内力，确保周边构件的结构安全。对存在错层的第3层，也采取了加厚楼板、增大楼板配筋率的处理办法，并对错层交界处的梁设置加腋或者竖向桁架以跨越错层的高度，合理地传递水平力，避免形成短柱。
3.3
剧场复杂结构的处理
温州文化艺术大楼的第3层为越剧团剧场，楼面的标高变化较为频繁，主要标高分别为8.750 m(②～④轴)、7.750 m(④～⑤轴)、10.400 m(⑦～⑧轴)，⑤～⑦轴之间为斜楼板，④～⑤轴之间还有一个下沉0.85 m的供乐队演奏用的乐池，形成了很多错层，结构上较难处理。为有效传递水平力，在由标高8.750 m变化至7.750 m处的④轴线梁柱节点处设置了跨越错层的加腋(图7)，在加腋处设置了2道翼缘，分别对应于标高较低处框架梁的上下翼缘，翼缘的厚度不小于加腋两侧框架梁的较厚翼缘，加腋的腹板厚度比加腋两侧的框架梁腹板厚度再高一个等级。在由标高7.750 m变化至10.400 m的⑤轴线处设置了钢桁架(图8)，钢桁架在⑤～⑥轴线的柱间设置，桁架的高度即为楼面标高的变化高度，10.400 m处的框架梁兼做钢桁架的上弦杆，下弦杆采用热轧H型钢，腹板呈水平放置，设置在相邻柱间7.750 m标高处框架梁下翼缘处，下弦杆的中心线与框架梁下翼缘的中心线在同一标高位置。上下弦杆之间设置斜腹杆，将柱距均分成4个节间，斜腹杆的截面采用热轧剖分T型钢。④～⑤轴之间设置下沉式乐池，在结构的处理上采用了直接布置与下沉距离相同高度的钢梁，并在钢梁的下翼缘设置结构楼板的做法(图9)。在实际施工时可直接利用钢梁下翼缘铺设压型钢板，避免了采用现浇结构需要设置繁琐的木模板和脚手架的做法，结构简单且施工便捷。⑤～⑦轴之间的剧场看台为斜坡，结构上将顺坡向的钢梁直接按照坡度制作成折线梁，垂直于坡向的框架梁的上翼缘也顺着坡向制作成上翼缘呈倾斜状的异形框架梁，以便于直接在钢梁上铺设压型钢板作为楼板底部的模板。但由于剧场看台的混凝土楼板厚度较厚，压型钢板的下方需设置附加的临时支撑。
3.4
斜交框架梁的处理
④轴线交图片轴附近存在斜交网格，其中图片处存在斜向框架梁及次梁汇交于一点的情况，其中次梁与框架柱铰接，在梁柱节点的构造上仍旧采用了在框架柱侧面设置短牛腿的做法，但将汇交的框架梁与次梁牛腿制作成一个整体，将牛腿的上翼缘板按照两根框架梁的交汇形态切割成人字形(图10)，并在锐角处设置倒角，避免应力集中，下翼缘板的形状与上翼缘板一模一样，设置在框架梁下翼缘的对应位置，框架梁与异形牛腿的连接仍可采用栓焊混合的连接方式，次梁与异形牛腿则采用在腹板两侧设置双夹板的高强螺栓连接形式。
3.5
大跨度钢结构处理
由于剧场需要在室内形成大范围无柱空间，故④～⑥轴/Ⓒ～Ⓕ轴范围内的框架柱全部在剧场标高处截断，不再升至上一层的楼面，剧场的上空为跨度22.8 m的大空间，剧场上空的以上楼层为剧团排练、办公用空间。为保证剧场有足够的净空高度，保证整体视觉效果，选择采用焊接H型钢梁跨越大空间的做法，钢梁两端与框架梁铰接，钢梁间距为2.6 m，在跨度的三等分点处设置二级次梁，在二级次梁下方的大跨度钢梁下翼缘设置水平系杆，并选择其中一处系杆和二级次梁，在两者之间的竖向平面内设置人字形斜杆，以此形成稳定体系，保证大跨度钢梁的下翼缘稳定。大跨度钢梁在两端的截面高度逐渐变小，与框架梁的腹板进行交接连接，变截面段的长度为1.6 m，变截面段内钢梁下翼缘以1∶4的坡度斜向上过渡至框架梁下翼缘的对应位置。
4 结束语
本工程是典型的在较小建筑场地上建造的多功能为一体的公共钢结构建筑，具有内部空间及通道走向复杂、层高变化大、平面及竖向不规则、局部抽柱形成大空间等特点，对结构设计提出了较高要求。本工程通过采用设置柱间支撑以形成两道抗侧力体系，保证结构具有较高的抗震承载力。在楼层层高变化处设置加腋或竖向桁架以有效传递水平力。对楼板大开洞处采取必要的加强措施，沿大开洞边缘设置闭合的水平支撑，并在洞口四角设置斜向加强钢筋，保证楼板的平面内刚度，采用大跨度钢梁跨越剧场上空形成室内大空间，达到了较好的结构性能，对类似的钢结构工程有较好的借鉴和参考作用。
来源：沈佳星. 温州文化艺术大楼钢结构设计[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(5): 40-46.
doi: 10.13206/j.gjgS20180626
（编辑：奚雅青）
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