丝绸之路沿线最大国际文化交流中心敦煌大剧院结构抗震设计

丝绸之路沿线最大国际文化交流中心:

敦煌大剧院结构抗震设计

敦煌大剧院是一座具备国际专业水准的大型乙等剧院，可容纳1210席，主体结构采用钢框架-中心支撑结构体系，楼盖采用现浇混凝土楼板，楼板采用钢筋桁架楼承板；观众厅及舞台区周边采用钢管混凝土，维护墙体采用重质隔墙。采用设备浮筑基础、隔声吊顶以及钢柱钢梁阻尼减震等措施，保障观众厅、舞台区具备良好的隔声隔振效果。
项目荣获奖项： 2017年度甘肃省优秀工程勘察设计一等奖第十二届第二批中国钢结构金奖工程 2016-2017年度中国建设工程鲁班奖（国家优质工程）

工程概况

作为“国家首届丝绸之路(敦煌)国际文化博览会”重要文艺演出场馆，敦煌大剧院位于甘肃省敦煌市月牙泉镇，是一座具备国际专业水准的大型乙等剧院，以大型歌舞演出为主，兼顾会议及其他演出功能的多功能剧场建筑，可容纳观众１２１０席，项目总建筑面积３８２７９㎡。观众厅实景见图1。

图1 观众厅

敦煌大剧院汲取了中国汉代建筑古朴憨厚的造型，采用了大坡屋顶、高塔、高台基墙体、古典窗格、柱梁斗拱等富有中国特色的建筑元素，采用现代建筑的造型方法，塑造了端庄、典雅的建筑形象。敦煌大剧院建筑实景见图2。

图2 建筑实景

大剧院舞台采用镜框式舞台设计，主舞台尺寸为２０.６ｍ×２４.0ｍ，侧舞台尺寸为２０.５ｍ×２３.４ｍ，后舞台尺寸为１６.２ｍ×２６.２ｍ，观众厅尺寸为３１.５ｍ×３２.４ｍ，主舞台台口宽度２３.６ｍ、高度１１.２ｍ。
舞台机械包括主升降台、侧舞台车台、后车台转台、三层天桥以及主舞台栅顶等。大剧院观众席包括一层池座、二层悬挑楼座。
大剧院地下一层(主舞台台仓和设备机房局部二层)，地上后舞台配套区四层，入口大厅及观众厅三层，舞台顶部局部凸出屋面，建筑平面为矩形。主体结构长１１３.２ｍ、宽６６.８ｍ，观众厅大屋面总高度为２３.９ｍ，主舞台屋顶高度为２９.７２ｍ，主舞台台仓底标高为-１４.６０ｍ。主体结构采用钢框架-中心支撑结构体系。建筑在结构屋面上设置了轻型钢结构坡屋面，屋脊高度为３５.００ｍ，无使用功能。结构平面布置图和建筑剖面图分别见图3、图4,各标高的透视图见图5~9。

图3 二层结构平面布置图

图4 建筑剖面图

图5 标高5.200m透视图

图6 标高10.400m透视图

图7 标高15.600m透视图

图8 标高23.600m透视图

图9 构架屋面层透视图

抗震设防有关参数

本工程设计基准期为５０年，结构安全等级为一级(结构重要系数γ０＝１.１)，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，工程抗震烈度为７度，设计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Ⅱ类，场地特征周期为０.４５ｓ。

基础设计

本项目场地土为自重湿陷场地土，湿陷等级为Ⅱ级(中等)，采用强夯法对场地进行处理。地上钢结构对沉降差异较敏感，基础采用桩筏基础,其中桩基采用ＰＨＣ４００-９５-ＡＢ型预应力管桩，桩端持力层为④层细砂，有效桩长１０~１５ｍ。

结构选型及布置

本工程舞台配套区地上四层，入口大厅及观众厅地上三层，建筑平面为矩形，建筑物长×宽为１１３２ｍ×６６８ｍ，建筑物主屋面(观众厅大混凝土屋面)总高度为２３.９ｍ，主舞台屋顶高度为２９.７２ｍ。结构屋面上设置轻型钢结构坡屋面(屋面层与下层结构屋面质量比小于３０％，上部轻钢屋面带入整体结构计算)。室内外高差为３００ｍｍ，房屋结构高度为２３.９ｍ，按多层建筑考虑。结构模型图详见图10。

图10 结构模型图

因建筑功能需要，整体未设置结构缝。上部结构的标准柱跨为８.１ｍ×８.１ｍ，主入口、观众厅、主舞台、侧舞台及后舞台因建筑功能要求，设置大空间，其中主入口柱跨１７.２ｍ，观众厅柱跨３２.４ｍ，主舞台及后舞台柱跨２０.６ｍ，侧舞台柱跨２４.３ｍ。楼座悬挑长度８.０~９.９ｍ，舞台台口高度１１.２ｍ。
上部结构钢柱下插至地一层板面(标高-４.６５０ｍ)，地下一层作为钢柱的过渡层。主体结构采用钢框架-中心支撑作为承受竖向和水平荷载作用的结构体系，楼盖采用现浇混凝土楼板，楼板采用钢筋桁架楼承板，结构主要构件截面尺寸及关键设计参数详细见表１、表２。

４.１门厅及楼座设计楼座悬挑桁架选用三角形桁架(悬挑长度８.０~９.９ｍ)，桁架根部高度２.３ｍ，桁架伸入支撑后柱两跨，门厅入口处托架选用梯形桁架(跨度１７.２ｍ)，桁架高度４.６ｍ，伸至支座两跨(至楼座支撑柱)，形成楼座悬挑桁架支撑后柱的压顶梁体系。门厅及楼座剖面详见图11。

图11 门厅及楼座剖面示意图

４.２观众厅顶部钢桁架设计观众厅顶部桁架(柱跨３２.４ｍ)选用矩形桁架，桁架高度２.９ｍ，为保证桁架体系平面外的稳定，纵向设置支撑桁架及系杆支撑体系(图12)。

图12 观众厅顶部横向桁架布置图

舞台上方短向跨度２３.６ｍ、长向跨度４８.６ｍ，由于舞台机械吊重较重，该位置采用交叉梯形桁架体系(图13)，横向主桁架上弦结合屋面找形，下弦兼作舞台混凝土屋面支撑梁，桁架高度２.２~４.７ｍ。

图13 主舞台屋顶交叉梯形桁架布置图

４.３其他设计剧院建筑中葡萄架、面光桥及马道层设计也是结构设计的重要部分。其中应充分预估主桁架下弦吊挂荷载，靠近台口处吊挂荷载较大。对于葡萄架、面光桥、马道等主桁架吊点应提前预留，避免现场焊接，葡萄架应考虑避让滑轮钢索。观众厅顶面荷载示意及主桁架吊点做法分别见图14、图15。

图14 观众区顶面活荷载示意

图15 主桁架吊点做法

结构专项设计及分析

5.１温度应力分析考虑到结构体系的钢结构对温度应力较为敏感，对本工程屋面及结构整体进行温度应力分析。结构长度１１３.２ｍ方向钢梁采取长圆孔铰接方式处理。结果表明，考虑温度组合作用，轻钢屋面屋架及斜撑周边构件应力有所增大，增大约８％，其他部位构件应力增加不明显。由于舞台及观众厅等部位开大洞及舞台顶与观众厅等形成错层，降低了结构整体的约束，在温度组合作用下楼板应力无明显提高。
5.２楼座悬挑端舒适度验算对楼座悬挑部位楼板进行竖向自振频率验算。结果表明，各楼层最小竖向自振频率为３.２０Ｈｚ，满足规范不小于３.０Ｈｚ的要求。在悬挑端部施加一人行激励，在该激励下楼板的竖向加速度为０.００１６ｍ/ｓ２，远小于规范０.１５ｍ/ｓ２的要求。
5.３关键节点应力分析关键节点为:舞台上方交叉梯形桁架体系下弦节点、观众厅两侧标高２３.６００ｍ层托柱钢梁节点、楼座悬挑桁架支撑后柱右侧节点。通过ＡＮＳＹＳ有限元软件对关键节点按照中震弹性进行应力复核。交叉梯形桁架体系下弦节点的有限元计算结果如图１6所示，节点最大应力２１０ＭＰａ，小于钢材设计强度２９５ＭＰａ，满足规范要求。

图１6 交叉梯形桁架体系下弦节点应力/(Ｎ/ｍ２)

观众厅两侧标高２３.６００ｍ层托柱钢梁节点的有限元计算结果如图１7所示，从图中可以看到，节点最大应力１６５ＭＰａ，小于钢材设计强度２９５ＭＰａ，满足规范要求。

图１7 托住钢梁节点应力/(Ｎ/ｍ２)

5.４舞台机械及声学设计等对结构设计的影响剧院类项目涉及到舞台机械、声学设计等多专业，结构设计重点关注如下: 舞台机械: １)升降台、舞台机械配重立柱两侧预埋件较多，荷载较大，应特别关注变截面柱柱头的预埋件设置及节点做法；２)主桁架吊点预留；３)台口及后舞台口防火幕牛腿设置；４)舞台顶下挂荷载复核计算(此处荷载一般为６.０~１０.０ｋＮ/ｍ２)。声学设计: 本项目主体结构为钢框架-中心支撑结构体系，因钢材本身对声音及振动传播衰减较慢的特性，隔声阻尼较差，但剧院建筑对声学要求又非常严苛，要求完全隔绝功能区与其他区域的噪声干扰。其他: (１)观众厅、主舞台、排练厅、琴房及乐池内墙体均采用双层中空２００ｍｍ厚加气混凝土砌块，并双面进行２０ｍｍ厚的粉刷，权隔声量需大于４５ｄｂ，砌筑时要求满浆砌筑，并做勾缝处理，双层墙体的两层墙体之间应避免有刚性连接，以免产生声桥。 (２)钢结构本身传递声音较快，为了避免设备振动引起的噪声，各层设备间均设置钢筋混凝土浮筑地坪，设备房间荷载应考虑钢筋混凝土浮筑地坪(图１8)。

图１8 楼板浮筑基础

（３)观众厅及舞台周边钢柱采用矩形钢管混凝土柱，在提高隔音性能的同时增加柱的抗震性能，钢梁均做外包隔音处理。（４)楼座及池座座椅钢架设计上采用隔振垫方式处理，将钢架与混凝土底座分离(图19)。

图19 楼座及池座隔震节点

结构设计关键问题处理及抗震加强措施

6.１钢框架-中心斜撑布置为了提高连接薄弱处结构整体的抗侧刚度及抗扭刚度，在如下位置布置柱间支撑:主舞台前台及后舞台口两侧、侧舞台两侧挑台两侧及悬挑楼座前后支撑柱之间；建筑入口门厅角部两侧及后舞台建筑物角部一侧。 6.２平面连接薄弱部位设计为了提高结构的整体刚度及楼层承载力，采取如下抗震加强措施:１)主舞台、侧舞台、后舞台周边楼板缺失严重及错层分隔处的框架柱采用矩形钢管混凝土柱；２)侧舞台两边设置单跨板带将后舞台与侧厅顶板连成整体；３)侧舞台端部标高１５.６００ｍ以下有效楼板宽度较小的板带、标高１０.９５０ｍ池座错层楼板处设置水平桁架，同时适当增大楼板厚度及配筋，确保水平力的有效传递；４) 观众厅上方及主舞台上方跨度较大处采用桁架形式，加强结构的整体刚度。 6.３门厅及观众厅楼座设计观众厅楼座是观众厅设计的关键部位。楼座采用三角形悬挑桁架(悬挑跨度８.０~９.９ｍ)，桁架根部高度２.３ｍ。悬挑桁架前端及后端间隔设置水平桁架，提高楼座桁架的整体性。在支撑前柱(⑤轴处)及支撑后柱之间(⑥轴处)设置通高的柱间支撑，主屋面处与门厅入口处的托柱桁架连为整体，形成“前挑后稳”的整体抗倾覆体系；考虑悬挑桁架施工时在悬挑端设置临时支撑的施工工况，明确主体屋面板浇筑完成后方可拆除支撑的要求；考虑竖向作用下楼座前后支撑柱可能产生的拉力及倾覆问题。 6.４关键构件采取的抗震加强措施主舞台四角及相邻侧舞台矩形钢管混凝土柱，侧舞台、后舞台标高１５.６００ｍ层大跨框架梁，主舞台及后舞台台口钢梁，主舞台、侧舞台、后舞台２９.２００ｍ层大跨框架梁等关键构件的抗震等级提高至二级，其他钢柱、梁及支撑抗震等级为三级。门厅及池座悬挑较大处应考虑竖向地震作用对结构的影响。屋面构件的抗震等级(除舞台混凝土屋面外)为四级。

现场施工照片

构件拼装

桁架安装

主体结构施工

施工全景

施工最重35t钢桁架吊装

图1 观众厅

楼承板施工

高强螺栓施工

钢构节点工厂焊接

后记

剧院类项目本身结构复杂超限，舞台机械，声学，幕墙等交叉配合较多，正常仅施工图设计工期为4~6个月，2015年11月5日接受此项目的设计任务，从方案到2015年12月25日施工图送审全过程仅用45天(其中方案汇报到确定方案仅用10天，施工图完成仅用了35天)，以结构专业为例，需在较短时间内完成结构技术方案及技术要点确定、院内抗震评审、结构顾问单位评审、桩基图纸、钢结构备料图纸、结构审图等。同时要进行钢框架中心斜撑布置、平面连接薄弱部位设计、门厅及观众厅楼座设计、满足抗震性能目标的关键构件的抗震加强措施、超长结构温度应力、悬挑楼座舒适度、关键节点应力、舞台机械及声学设计等对结构设计的影响等专项分析。本项目充分利用BIM技术确保专业协同，同时充分发挥设计总承包管理、协调优势。团队全员协同作战，对任务进行精细化分解，任务与任务之间无缝衔接，关键任务及关键出图节点按小时进行任务安排及任务消解。整个团队用无数个不眠之夜完成了不可能完成的任务。用敬业和执着铸就职业口碑，用智慧和汗水书写匠心精神。仅以此文献给此项目一起奋斗过的兄弟们。

项目团队

建设单位：敦煌文化产业示范园区管理委员会

EPC总承包单位：中国建筑第八工程局有限公司

钢结构深化及施工单位：中建钢构有限公司

甲方咨询单位：华东建筑设计研究院有限公司

设计单位：中国建筑上海设计研究院有限公司

设计总协调人：刘世昌

设计总负责人：殷进勇

建筑专业：王旭、石正宇、伍东东、朱元东等

结构专业：王晓辉、孙一、赵燕潞、徐磊、王原、陆夏斌、马玉龙、姚秉雄、冯宜伟等

给排水专业：贾三军、周志丹、王悦、周文尧等

电气专业：东彦勇、刘海波、王睿韬、刘维等

暖通专业：尹龙、寇红晓、何青青、李跃萍等

设计总包管理团队：赵小敏、邓立勋等

感谢为这个项目付出心血，奔忙在一线的甲方、监理、施工团队以及中国建筑上海设计研究院有限公司的各级领导。特别感谢中国建筑东北设计研究院有限公司大连分院谭明总工程师、华东建筑设计研究院有限公司朱莹副总工程师工及甘肃省建筑设计研究院王大军副总工程师 ? 对本项目的指导和帮助。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 关于本项目的结构不规则性及超限情况、结构的弹性和弹塑性分析等更多内容详见《建筑结构》杂志2020年14期文章《敦煌大剧院结构抗震设计》；作者：王晓辉，孙一，赵燕潞，单位：上海原构设计咨询有限公司，中国建筑上海设计研究院有限公司。

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