白鯨海象表演館結構設計實例分析與應用

翁齊敬

(福建省建盟工程設計集團有限公司 福建福州 350000)

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白鯨海象表演館結構設計實例分析與應用

翁齊敬

(福建省建盟工程設計集團有限公司 福建福州 350000)

根據工程實例，以某旅游項目白鯨海象表演館為例，對該建筑大跨度、大空間、樓板大開洞、樁側摩阻力計算與分析、屋面鋼網架與鋼筋混凝土主體結構協同作用分析等，對結構設計過程中的一些重難點問題進行簡要介紹。

鋼網架；樓板大開洞；樁側摩阻力

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的提高，人們對物質水平得到極大的滿足，同時對精神需求也與日俱增，隨之各種大型的劇院、體育場館及娛樂項目等迅速在各地興起。以海洋為主題的項目受到越來越多人的歡迎，白鯨海象表演館作為主題公園的一個重要組成部分，發揮著極其重要的作用。但是大型公共建筑在設計和施工，受到諸多因素的影響，如大跨度、大空間、樓板大開洞、夾層及錯層多等特點，使其設計過程中難度較高。因此作為專業技術人員在設計過程中可能出現的一些問題，通過綜合考慮各種因素，提出相對合理解決方案。本文將通過分析某旅游項目白鯨海象表演館工程實例設計，為公共建筑的結構設計提供一些經驗和思路。

1 工程概況

該工程為白鯨海象表演館，建筑面積14 171.14m3(其中地上建筑面積12 214.80m2，地下室面積1956.34m2)，地面共2層，其中地下室1層為設備區。一層主要為白鯨海象表演參觀及生活區、浮潛體驗區以及運行設備安放區，如圖1所示；夾層(即3.5m標高層)主要為暖通設備用房及各類工藝運行設備區；屋面層(即7.0m標高層)主要為暖通設備用房及配套辦公區；12.1m標高層為音響燈光設備用房；白鯨表演劇場區上空屋面為鋼網架屋面，因此劇場區域一層以上樓層樓板大開洞，如圖2所示。

圖1 白鯨海象表演館鳥瞰圖

圖2 白鯨海象表演館剖面圖

該工程建筑物的總長為74.7m，寬度為64.4m，室外地面至屋面檐口高度為21.650m，主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構，白鯨表演劇場區上空屋面采用空間鋼網架結構。建筑抗震設防類別為重點設防類(乙類)，結構安全等級為一級，設計使用年限為50年[2]。所在地區的抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組。50年一遇的基本風壓0.80kPa，地面粗糙度為B類，風載體型系數：1.30[2]。場地類別為Ⅲ類，建筑類別調整后用于結構抗震驗算的烈度為6度，用于確定抗震等級的烈度為7度，框架抗震等級為三級。

2 結構設計要點解析

2.1 電算分析與總結

該項目為滿足白鯨、海象的生活及表演，在有限的建筑空間內就必須構建出多樣的使用功能，使得建筑平面布置上較為復雜，樓面標高變化較大，存在多處的夾層及錯層、樓板大開洞。且建筑內部為滿足白鯨、海象的生活及表演，必須設置各種生活池、表演池。這些多樣的使用功能也給結構建模上帶來不小的難度，在建模及電算過程中所遇見的問題主要有以下3點。

(1)白鯨表演劇場區及看臺位置上空，由于使用功能上需要對樓板大開洞，形成躍層結構，對結構整體的剛度有極大的削弱。

(2)白鯨生活池周邊以及看臺區下方設置較多的夾層板，以滿足不同的使用功能，這樣也造成不同標高的樓板分布在平面的不同區域，并且樓板彼此之間不連續，對于傳遞水平力極為不利。

(3)建筑物內部的白鯨生活池、表演池、浮潛池等水池側壁是按深梁構件假定計算還是按剪力墻構件假定計算，哪一種計算更能反應工程實際，在設計之初還未有所定論。初步計算模型，是根據水池側壁按深梁假定如圖3所示，所得到的周期、位移比等重要計算指標如表1所示。

針對建模及電算分析過程中出現的以上問題，采取以下應對策略：

(1)躍層看臺板按同一標高平面建模以避免結構側向剛度進一步削弱，且看臺下方消防水池側壁也均按剪力墻建模，以增強結構的側向剛度。

(2)各夾層及錯層交接處樓板定義為彈性膜，將平面樓板分成幾塊獨立的樓板，避免交接處的應力集中，并適當加大交接處樓板板厚，采用雙層雙向拉通的鋼筋。

(3)白鯨生活池、表演、浮潛池等水池側壁按剪力墻假定，如圖4所示，所得的周期、位移比等重要計算指標。

通過以上措施調整后計算模型結構指標如表1所示。

表1 各計算模型結構指標對比

圖3 計算模型一(按深梁假定)

圖4 計算模型二(按剪力墻假定)

2.2 屋面鋼網架與鋼筋混凝土主體結構協同作用分析

白鯨表演劇場區上空屋面采用扇形的空間鋼網架結構，屬于大跨度屋蓋結構，《建筑抗震設計規范》10.2.7條[1]要求：計算模型應考慮屋蓋結構與下部結構的協同作用。但是按傳統做法難以處理這種空間復雜結構，通常是把空間屋蓋結構按照虛梁或者一般梁近似的模擬，難以達到設計要求[2]。該工程屋面大跨度鋼網架結構與鋼筋混凝土主體結構共同構成一個整體，在計算模型內考慮兩種結構之間的協同作用，以充分考慮整個結構的各種不利因素，并達到對實際工程較為真實的模擬計算，保證計算結果準確。在計算結果中找出不利的影響因素，有利設計過程中制定有效的措施，保證結構的整體安全。

該工程通過結構計算軟件接口將鋼結構專業已建好的鋼網架模型導入盈建科結構計算軟件[3]空間結構模塊下與原有的鋼筋混凝土進行拼裝，兩者協同共同計算時注意以下兩點：

(1)鋼網架屋蓋和下部主體結構之間拼接時，直接將鋼網架放置在下層柱上，并且在拼接的柱節點處設置彈性支座?？紤]其實際存在的支座滑動情況，避免由于沒有設置彈性支座，出現鋼網架和下部支承結構連接關系混亂，造成下部結構計算配筋異常。

圖5 計算模型三(考慮鋼網架協同作用)

(2)由于空間層體型多變復雜，軟件尚無法自動計算這層的風荷載，因此該層的風荷載必須人工補充輸入。計算軟件通過在空間鋼網架的外表面生成蒙皮，在蒙皮上施加風荷載并進行蒙皮的導荷，人工輸入作用蒙皮的風壓或者體系系數，由軟件自動導算出空間鋼網架的風荷載。通常大跨度屋蓋結構在工程中占有相當大一部分，其在風荷載工況下的受荷面積較大，結構整體分析時考慮風荷載是十分有必要的。通過屋面鋼網架與鋼筋混凝土主體結構協同作用的計算模型，如圖5所示，調整后的結構指標如表1所示。通過二次優化計算模型，結構的周期、有效質量系數及扭轉系數等指標均滿足規范要求，只有X向風荷載作用下局部樓層的最大層間位移角與平均層間位移比值1.94，超過高層建筑混凝土結構技術規范[4]而該規范只對考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下的位移比有要求。經過多次的對比計算結果，并對計算后指標進一步分析與電算優化，從而得到相對合理的計算模型， 并能符合工程實際要求。

2.3 樁側負摩阻力計算與分析

擬建筑物基礎型式采用樁基礎，根據靜載所確定的單樁承載力特征值為2600kN，根據地勘報告所在場地存在19.5m～21.9m厚的淤泥層。樁穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結土、液化土層進入相對較硬土層時[4]，計算基樁單樁承載力時應考慮樁側負摩阻力對樁基承載力和沉降的影響。

樁側摩阻力的計算過程中特別注意以下兩點：

(1)根據《建筑樁基技術規范》中5.4.4條[4]所給的樁側負摩阻力標準值計算公式，所得負摩阻力標準值應與土的極限側摩阻力值比較。當所求得負摩阻力標準值大于土的極限側摩阻力值應取土的極限側摩阻力值進行計算，該點在計算樁側負摩阻力值過程中容易出錯，直接按土的側摩阻力標準值來取值。

(2)中性點深度ln的確定受諸如樁持力層的剛度、樁與樁側土的相對位移，以及樁類型及沉樁工藝因素的影響，因此要精確地計算中性點十分困難，現階段確定中性點深度ln則根據《建筑樁基技術規范》提供經驗值來確定。具體計算結果如表2所示。

表2 樁基負摩擦力計算

注:①參考《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)5.4.4； ②地下水以下采用浮容重； ③當負摩阻力計算值大于正摩阻力標準值時，取正摩阻力標準值進行設計。

因此，在布樁過程中所取的單樁承載力特征值應為Ra=2600+(-514.92)=2085.08kN，取Ra=2100kN。

扣除負摩阻力影響后單樁承載力特征值，才可以真正發揮作用。

在工程實踐過程中，特別在沿海地區及軟土地區，樁側負摩阻力計算逐漸成為重要的問題。如果在樁基設計過程中不考慮和未充分考慮樁負摩阻力，對樁基可能造成一定的安全隱患，可能造成樁端地基的屈服于破壞、樁身由于失穩及不均勻沉降引起上部結構的開裂等問題，需花費更大精力、物力及財力補強加固或者拆除。同樣，對負摩阻力的概念的理解不清晰而過分強調安全，在樁基設計過程中容易造成不必要的浪費。因此，正確理解樁側負摩阻力的概念對樁基設計起到至關重要影響，保證樁基安全可靠的使用。

3 結語

本文是以某旅游項目的白鯨海象表演館為例，對其中的設計流程介紹以及設計過程中遇見重難點問題進行解析，并提出個人對這真的些問題的解決方案。

(1)由于建筑多樣的使用功能使得建筑平面內大開洞，錯層及夾層，由此造成的結構平面及豎向的不規則，對此，主要通過加強洞口周邊樓板厚度及配筋來加強；建筑內部各處的各類的水池，造成整體結構側向剛度的削弱，則主要通過水池側壁按剪力墻來考慮，以更合理地反映結構內部的剛度。

(2)屋面鋼網架與混凝土主體結構采取協同作用來分析，能準確導算屋面鋼網架的風荷載，考慮風荷載對混凝土主體結構的影響。

(3)樁側負摩阻力的準確計算，對于存在較厚的軟土地區來說極為必要。設計過程中若未能充分考慮樁側負摩阻力影響，則將使建筑的樁基礎存在一定的安全隱患，應充分認識到樁側負摩阻力對樁基設計起到作用。

[1] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 陳岱林，高航.結構軟件計算條件及常見問題詳解[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3] 北京盈建科軟件股份有限公司.盈建科建筑結構設計計算軟件用戶手冊及技術條件-V2.0[Z].2014.

[4] JGJ94-2008建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

Analysis and Application on Design Instance of the White Whale Walrus Performance Hall

WENGQijing

(Fujian Jianmeng Engineering Design Group Co., Ltd, Fuzhou 350000)

This paper taked a white whale walrus performance hall of a tourism project as a case, according to the real engineering example, analyzes the building of large span, large space, flat slab with opening, friction of pile calculation and analysis, conjunction analysis between roofing steel truss and the major structure of reinforced concrete, and introduced briefly some difficulties in structural design process.

Steel frame; Flat slab with opening; Friction of pile

翁齊敬(1987.5- ),男，工程師。

E-mail:471024057@qq.com

2017-04-05

TU318

A

1004-6135(2017)08-0038-04