机械工业第六设计研究院有限公司郑州450007
提要：在演播剧场设计中采用全钢结构，满足大空间、大跨度等要求，具有构件工厂化加工、现场施工速度快等特点。本文介绍了结构方案选型、钢管混凝土柱的应用、屋盖结构形式的选择等对工程安全、功能等有较大影响的方案设计思路。
关键词：剧场钢框架结构钢管混凝土柱空间桁架
1工程概况
某电视台演播剧场地上5层，局部地下1层，总建筑面积1.5万m2，建筑高度43m。剧场主舞台台口宽度为18m，高度为12m，台仓深度为10m，共800个座位。
2基本设计参数
2.1建筑抗震设防类别
按照《建筑工程抗震设防分类标准》及《剧场建筑设计规范》的要求，本项目不属于大型剧场，抗震设防类别按标准设防类确定。
2.2恒荷载取值
剧场建筑恒荷载的特殊之处主要体现在由舞台机械、布景、灯光等产生的荷载，这部分荷载根据舞台工艺设计要求确定。
2.3活荷载取值
按照使用功能，剧场楼面活荷载可划分为观众厅、舞台、办公用房、公共空间四大类，其中观众厅活荷载按3.0kN/m2，舞台活荷载按4.0kN/m2，公共空间按人流密集考虑，取3.5kN/m2。
3结构选型
现代化剧场建筑具有的共同特点是：宽敞明亮、上下贯通多层的门厅；大跨度、高大空间的观众厅；空旷、屋面构造复杂的舞台。建筑设计的特点使得结构设计出现大面积楼板开洞、楼层错层等对结构规则性产生不利影响的因素，因此，结构设计首先要考虑的是在满足建筑使用功能的前提下，如何选择抗震性能好的结构形式。为满足建筑的使用功能要求，同时又能提供较大的结构刚度，目前国内剧场建筑普遍采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构（如杭州大剧院、重庆大剧院、合肥大剧院等），屋盖结构采用钢桁架或钢网架结构来满足大空间、大跨度的要求，即使个别采用钢筋混凝土框架结构（如辽宁大剧院），为了满足位移要求，通常也会增设少量的钢筋混凝土剪力墙，以增加结构的整体刚度，提高抗震时的结构抗扭转能力。
本工程作为省重点工程，项目建设周期非常短，如何在确保安全的前提下缩短工期是项目参建各方重点考虑的问题。从设计角度考虑，若采用传统的钢筋混凝土结构，虽然设计经验较多、技术成熟、设计相对简单，但实际实施时仅构件支模、养护就需要较长的时间，其施工周期难以满足要求，且混凝土柱无支撑长度较长时浇筑过程中施工质量不宜控制。经综合比选，本工程结构形式采用钢框架结构，其技术优点为构件材料的质量有可靠保证；构件加工在工厂完成，施工质量便于控制；构件加工可以和基础施工同时进行，缩短了施工关键线路；构件现场安装速度快，可大幅度缩短工期。其缺点主要为钢结构构件耐火、耐腐蚀性较差，需要进行防火、防腐蚀处理。
4结构设计
4.1适用规范
本剧场最高层数为5层，其观众厅屋面梁底标高29.6m，舞台屋面桁下弦标高38.5m，均大于28m，因此，按高层建筑进行设计。
4.2主体结构设计与计算
主体结构构件主要包括框架柱、梁及屋盖。框架柱要求在两个主轴方向均有较大的刚度，可采用焊接圆形钢管柱或焊接箱形柱，由于焊接圆形钢管柱具有焊接工作量小、便于加工的特点，因此，框架柱以焊接圆形钢管柱为主。普通柱截面直径0.8m，壁厚12mm，台口及主、副舞台之间的框架柱因计算长度长，承受荷载大，柱截面直径1.2m，壁厚12mm。框架梁主要采用热轧宽翼缘H形钢或焊接H形钢，截面高度0.6~0.9m。主舞台区水平承重构件跨度大、荷载大，采用整体性较好的空间钢桁架，桁架上、下弦平面均设水平支撑系统，加强桁架的空间整体性。观众厅屋面跨度大，但荷载相对较小，框架主梁采用变截面H型钢，次梁间距8.5m，有效地减少了主梁的平面外计算长度，从而将主梁截面宽度、板件厚度控制在可以接受的范围内。楼板采用钢筋混凝土板，具有足够的水平刚度，为便于与钢梁连接，板底设压型钢板与梁翼缘焊接，梁上设栓钉。屋面板为减轻荷载而采用双层压型钢板与保温棉组成的轻型屋面。
结构计算采用PKPM系列软件，框架梁与框架柱的连接节点设计为刚接以满足框架结构的基本要求，框架梁与次梁的连接节点设计为铰接以简化节点设计，框架梁、柱节点处采用在梁上、下翼缘位置设置环形加强钢板的方式保证节点的破坏晚于构件的破坏。舞台屋盖空间桁架结构建模复杂繁琐，计算时因节点过多计算过程缓慢，考虑到空间桁架水平刚度大，计算时将其简化为若干根双向刚性梁，实际结构自重在其它程序中计算完成后以荷载的形式输入，在基本符合计算假定的前提下简化了计算，提高了设计效率。
经计算，结构第一周期为平动周期，第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.85<0.90，X、Y方向的最大弹性层间位移角均小于1/300，满足规范要求。
4.3舞台屋盖设计
舞台屋盖平面尺寸为34x28m，主要承受屋面建筑荷载、悬挂于屋盖下的灯光、布景等吊杆荷载及检修格栅荷载。从技术可行性分析，屋盖可采用网架结构、平面桁架结构与空间桁架结构。为使屋盖与主体结构在构件加工、安装上协调统一，决定采用钢桁架结构，鉴于屋盖两个方向跨度相差不大，为使受力均匀、分散，最终采用空间桁架结构。桁架与框架柱连接，采用上、下弦节点均与框架柱刚接的连接方式，以减小桁架下弦杆件的内力。计算时将每道灯杆、布景杆的点荷载转化为桁架下弦节点荷载。检修格栅位于灯杆、布景杆之下，通过竖向短柱与桁架焊接连接。考虑人员通行需要，短柱长度不少于2m，为便于检修，格栅上方不设置垂直支撑系统，因此，短柱采用焊接方式刚接于桁架下。
桁架计算采用SAP2000结构分析软件，考虑恒载、活载、风载作用，分析结构在上述荷载作用下的杆件内力及结构变形。钢桁架矢高3.5m，桁架弦杆采用H型钢，腹杆采用钢管，经计算，桁架杆件应力与强度的比值控制在0.5~0.7之间。
4.4钢管混凝土柱的使用
本工程采用钢框架结构，柱采用圆形焊接钢管，钢管框架柱虽然材料强度高，但对于分布在舞台及观众厅周边等特殊部位的框架柱，由于为获取建筑大空间的要求，在一定高度范围内，柱在一或两个主轴方向上无法设梁，其侧向无支长度较长，加之承受的荷载较大，结构计算时其长细比不能满足规范要求，例如舞台台口处的框架柱，即使柱截面直径按2.5m考虑，长细比仍超出规范限值33%。若为满足长细比要求，取得较大的截面回转半径而减小钢管壁厚，则钢柱因截面面积太小而承载力不足。为解决此问题，将上述部位的柱截面尺寸控制在可接受范围内，经分析比较，采用在上述部位设置截面尺寸较小的钢管混凝土柱的方案，既利用钢管混凝土柱截面刚度大的特点满足了柱子的稳定要求，又利用钢管混凝土柱承载力高的特点满足了柱子的承载力要求，经调整后，舞台台口处的框架柱截面直径取为1.2m，舞台工艺、建筑等专业均能接受。
在舞台、观众厅等空旷空间周边局部对称设置钢管混凝土柱，对结构整体刚度均匀分布的影响不大，但有利于增大绝对刚度；单层柱高虽较大，但外部钢管壁厚12mm，且圆形截面刚度好，作为模板能确保混凝土浇筑质量。由于钢管混凝土柱总体数量少，柱内混凝土总量不大，因此对整体工期影响很小。此外，钢管混凝土柱在防火、防腐蚀方面也较钢管柱为好。
5结论
该演播剧场主体采用钢框架结构，结构自重轻，构件强度高，抗震性能好；主要构件的加工、生产工厂化，施工安装简便、快捷，有效地解决了施工周期短的问题；通过设计阶段的方案优化及施工阶段的合理组织，该工程在极短的周期内圆满完成了工程的土建施工，顺利通过验收，该工程的投入使用为弘扬优秀传统文化，推进当地文化及旅游产业的发展发挥了重要的作用。
参考文献：
[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）北京：中国计划出版社，2003.
[2]高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）北京：北京出版社，1998.
[3]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）北京：中国建筑工业出版社，2016