莫中文化中心项目位于莫桑比克马普托市蒙特拉内大学校园内。项目由一座容纳1 500座多功能的大剧场、容纳500座的小剧场和中国文化中心三部分组成, 总建筑面积约为20 000m²。建筑地上1～3层, 建筑高度为15.85m, 层高为4.5～5.5m。大剧场观众厅檐口高度为25.80m, 主舞台檐口高度约为32.70m。建筑平面尺寸约为170m×70m。其中大剧场设计等级为乙级, 建筑效果如图1所示, 结构平面布置如图2所示。

　　 项目主体结构设计使用年限为50年, 大剧场结构安全等级为一级, 三部分地基基础设计等级均为乙级。项目考察期间了解到马普托市历史上没有发生过强烈地震, 马普托市现有的规范不要求进行抗震设计。但是结合我国援外工程中对抗震的习惯要求及当地已有援建工程, 最终确定项目抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组, 抗震设防类别为乙类, 建筑场地类别为Ⅱ类。由于当地经济较为落后, 气象资料相对较为匮乏, 相关设计依据欠缺, 考察期间对当地已有的及正在施工的工程项目资料进行调研, 了解到莫桑比克西萨诺国际会议中心开发项目酒店、援莫桑比克会议中心、援莫桑比克外交部大楼及援莫桑比克国家体育场等项目的基本风压取值均为0.9kN/m², 故本项目基本风压确定为0.9kN/m², 项目所处地区地面粗糙度类别为B类^[1]。该项目属于我国援建项目, 工程勘察、设计、施工、监理及验收均采用我国标准, 施工主材通过国内采购运至当地, 工程勘察由国内地勘部门进行实施, 施工图审查单位由商务部具体指定的国内审查单位进行审查。

　　 根据建筑需求, 结构初始方案将三部分作为整体进行设计, 但存在诸多不规则项, 如刚心偏置、扭转不规则、局部弱连接、抗扭刚度差等。若避免这些不规则项, 需在小剧场及中国文化中心布置较多剪力墙, 结构上需要付出很大代价, 影响建筑使用, 而且会造成不必要的浪费。综合分析后通过防震缝将结构按照建筑功能划分为三个结构单元, 单元之间通过连廊连接。主要柱网尺寸为7.5m×7.5m, 大剧场仅在舞台处设置局部地下室, 地上3层。由于剧场观众厅属于大跨度空间结构, 为保证结构整体刚度, 在观众厅及舞台厅周边设置剪力墙, 其余部位为框架, 形成框架-剪力墙结构, 框架及剪力墙抗震等级均为二级。舞台区域平面尺寸为20m×30m, 观众厅平面尺寸为30m×30m, 屋面考虑建筑隔声要求, 采用150mm厚混凝土重屋面, 下部舞台机械及装修吊挂荷载较大, 综合对比后采用钢桁架+钢次梁的结构形式。大剧场纵向剖面如图3所示, 在观众厅与舞台厅交接处设有乐池及座椅库, 乐池底标高为-7.300m, 局部高差变化大;为避免池座在使用过程中发生不均匀沉降, 池底区域均采用钢筋混凝土框架结构体系, 柱下单独布桩;2, 3层楼座均采用悬挑结构形式。在舞台厅及观众厅的混凝土屋面上设置变高度的门式刚架, 结合周边屋面上设置的刚架来实现建筑屋面的造型 (图1中突出屋面部分) 。

　　 本项目主要采用YJK软件进行计算分析, 由于大剧场结构复杂, 故采用ETABS软件进行校核分析, 主要计算参数见表1。通过比较可看出, 两种软件计算所得周期相近, 最大层间位移角及最大位移比有小的偏差, 主要原因在于绝对位移太小, 所得比值误差较大, 但均能满足规范要求。对于结构重要部位及构件采用两种软件内力计算结果进行包络设计。

　　 小剧场及中国文化中心均采用钢筋混凝土框架结构, 其中小剧场抗震等级为三级, 文化中心抗震等级为四级。

　　 根据地勘报告, 项目所处场地表层一般为厚约0.60～2.00m的人工堆积之①粉砂填土层;向下为第四纪全新世风积之②细砂、粉砂层, ③粉砂、细砂层, ④粉砂、细砂层, ⑤粉砂、细砂层;再向下为第四纪更新世沉积之⑥细砂、粉砂层, ⑦细砂、粉砂层。另外, ②～④层砂土具有湿陷性, 湿陷程度为中等, 地基的湿陷等级为Ⅲ级, 与我国湿陷性黄土地区不同, 本项目场地为湿陷性砂土, 缺少充分的理论和工程经验支撑, 给基础设计带来了一定的困难。

　　 由于②～④层土体的湿陷性, 天然地基难以满足设计需要, 并且本工程结构跨度较大, 柱下荷载相差较大, 大跨承重部位的荷载集中度较高, 导致荷载分布差异较大。因此, 如何解决以上几点所引起的结构基础不均匀沉降问题, 是本工程地基基础设计的关键。为保证地基承载力、沉降的控制要求, 综合考虑采用后注浆端承摩擦桩并采用钻孔灌注桩的施工方案, 以标高24.22～25.39m以下分布的⑥细砂、粉砂层作为桩端持力层。由于②～④层均为湿陷性土, 因此灌注桩不考虑其侧摩阻力, 并且适当考虑其产生的负摩阻力, 桩径800mm, 桩长约24m, 单桩承载力特征值为1 500kN。本工程采用的后注浆技术在莫桑比克当地尚属首次使用。

　　 参考《湿陷性黄土地区建筑规范》 (GB 50025—2004) ^[2]的要求, 给排水专业需在室内设置大量的钢筋混凝土防渗管沟, 管沟错综复杂, 为避免承台及基础拉梁与管沟相互干扰, 将有关部位的承台及基础拉梁顶面标高降至管沟底面标高以下。考虑援外项目的特殊性, 为避免建筑地面局部下沉引起建筑隔墙开裂, 将首层隔墙全部支承于基础拉梁上, 以避免不均匀沉降引起的隔墙开裂。

　　 对于具有地下室的部分, 地基土存在湿陷性, 不能考虑其承载力, 故不能采用普通的桩筏基础。在乐池及主舞台台仓部位的钢筋混凝土墙体顶部及底部设置暗梁, 将墙体作为深梁进行计算, 墙体下部布置承台梁, 地下室底板以墙体承台梁作为支承边界按普通梁板进行计算, 图4为舞台台仓及乐池基础结构布置。

　　 大剧场基础结构布置如图5所示。由于基础设计等级为乙级, 且大剧场观众厅及舞台厅屋面跨度及荷载较大, 框架柱下荷载差异较大, 需对基础沉降进行验算, 图6给出了大剧场观众厅及舞台厅范围内基础沉降分布图, 可以看出最大沉降量为13mm, 柱间最大沉降差为7mm, 满足《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) 要求。

　　 大剧场室内效果图如图7所示, 2, 3层楼座均为悬挑楼座, 同时两侧布有看台。两层楼座最大悬挑跨度均达到6m以上。对于2层楼座, 采用悬挑主梁+次梁的结构形式, 端部悬挑看台板;3层楼座下部层高较大, 选用三角桁架形式, 如图8所示, 可有效地减小构件截面, 受力更为合理;两侧看台悬挑长度为5m, 为无后平衡纯悬挑结构, 采用墙体+扶壁柱+抗扭主梁的结构形式, 如图9所示, 对柱及梁进行配筋设计时采取有墙和无墙计算进行包络设计。同时对该区域结构进行整体有限元分析, 采用ABAQUS软件对简化模型进行分析, 结果如图10所示。由图10可以看出, 结构整体应力水平较低, 安全度较高。

　　 大剧场2, 3层悬挑楼座跨度较大, 荷载大, 同时剧院建筑对观众的舒适度要求较高, 3层楼座采用悬挑桁架的形式刚度较大, 而2层楼座为普通悬挑梁, 有必要对2层悬挑楼座的舒适度进行验算。取2层悬挑楼座局部模型进行验算, 竖向自振频率为4.5Hz, 参考《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3]的计算方法, 人行走引起的楼盖振动峰值加速度为0.023 6m/s², 满足《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[4]公共建筑楼盖竖向振动频率不低于3Hz及楼盖竖向振动加速度限值的要求。

　　 大剧场观众厅屋盖尺寸为30m×30m, 柱间距为7.5m。屋面采用混凝土重屋面并且下部吊挂荷载较大。设计时对混凝土井字梁、预应力混凝土井字梁、单向实腹工字组合钢梁、网架及平面钢桁架方案进行分析, 从用钢量及施工难易程度等方面进行综合比较^[5], 最终确定采用平面钢桁架方案。桁架间距7.5m, 截面均采用H型钢, 配合建筑屋面找坡, 桁架采用变高度的形式, 端部高2.5m, 上弦坡度2%, 节点间距3m, 桁架主要截面尺寸及布置如图11所示。支座采用下弦支撑体系, 桁架间组合钢梁截面采用H300×200×8×12。

　　 舞台厅屋盖尺寸为20m×30m, 下部吊挂舞台机械设备。采用跨度为20m横向布置的钢桁架, 桁架高2m, 间距7.5m, 桁架之间布置组合钢梁, 上下弦杆截面主要采用H500×300×16×18, 腹杆截面主要采用H300×300×8×14, H200×200×6×10。三榀钢桁架均是一端支承在框架柱上, 另一端支承在台口梁上部的混凝土梁上, 将荷载传至台口柱。为提高屋盖的整体刚度, 设置屋盖支撑并加宽洞口边梁使其更好地保证水平力的有效传递, 舞台厅屋盖结构布置见图12。

　　 大剧场台口柱高度约为30m, 在标高10m处布置台口梁, 标高24.15m处布置框架梁支承观众厅屋面, 标高27.2m处布置框架梁支承舞台厅三榀钢桁架, 如图13所示。因为所有荷载均传递到台口柱上, 因此有必要提高台口柱的安全储备, 台口柱截面采用700mm×1 500mm, 对其进行性能化分析, 性能指标为中震弹性, 结构安全等级为一级。本工程抗震设防烈度为6度, 中震分析时, 地震影响系数最大值确定为0.12, 分析时不考虑抗震相关的内力调整系数, 与小震 (地震影响系数最大值0.04) 计算结果进行包络设计, 以确保台口柱的安全。

　　 同时, 为确保台口梁上方墙体的稳定, 按照《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 的要求, 布置间距不大于4m的构造柱及间距不大于3m的圈梁。为避免上部屋面荷载通过构造柱传递到台口梁上, 要求构造柱、圈梁及砌块墙在主体结构施工完毕后再进行施工。

　　 大剧场、小剧场及中国文化中心三个单体通过连廊连为一体, 从建筑立面出发要求整个文化中心是一个有机的整体, 但从结构规则性出发, 必须通过防震缝将结构划分为三个比较规则的单体, 连廊的设计是解决建筑与结构矛盾的关键。

　　 以大剧场和小剧场之间的连廊设计为例进行说明, 在2层连廊处, 两个单体之间最大距离超过16m, 若通过两边悬挑来解决, 难度较大。在两个单体相应位置的框架柱上设置牛腿, 牛腿之间布置简支钢梁, 如图14所示。由于每根钢梁与单体结构的夹角都不一致, 设计时需考虑施工定位问题及在水平荷载作用下的变形协调问题, 钢梁一端为不动铰支座, 另一端为滑动支座。不动铰支座采用带有过渡板的平板压力支座, 如图15所示, 该类型支座适用于低烈度区且无拉力的支座, 施工时无需提前预埋锚栓, 在牛腿上预埋钢板, 待钢梁就位后将过渡板与预埋钢板焊接即可, 可避免角度误差造成钢梁现场无法安装。滑动支座选用成品球型钢支座, 支座可发生一定的转动和两个方向的水平位移, 支座水平位移量限值为±50mm, 中震下两个单体框架柱的相对位移量不超过10mm, 满足支座位移限值要求。

　　 连廊屋顶采用同样的结构形式, 为降低施工难度, 将连廊屋顶置于两个单体屋顶之上。但是为确保建筑外立面的完整性, 需保证连廊屋面的挑檐与两单体挑檐处于同一标高, 故采用图16所示做法, 从主梁下侧挑出钢梁用于支撑建筑外围挑檐, 从而保证两单体挑檐的连续性和完整性。

　　 从图2中小剧场屋面梁布置可以看出, 小剧场包含两部分大跨度空旷空间, 并且两部分连接较为薄弱, 设计过程中将上述两部分屋盖作为整体考虑, 采用连续钢梁+次梁结构形式, 同时对两部分结构进行单独计算和整体计算包络设计, 对连接处进行适当加强。中国文化中心为普通钢筋混凝土框架结构, 包含15m×15m的展厅, 采用钢筋混凝土井字梁结构, 其余按常规方法进行设计。

　　 (1) 通过防震缝和连廊的合理设计, 采用适当的支座和节点形式, 既实现了三个单体在结构上的相互独立, 又不破坏建筑立面上的整体性, 实现结构与建筑的相互统一。

　　 (2) 大剧场属于大跨空间结构, 采用框架-剪力墙结构, 合理地布置墙体减小了结构的扭转效应。通过性能化设计确保重要构件具有较高的安全度。通过多种方案的比较确定大跨度重型屋盖采用钢桁架+次梁的结构形式, 便于施工且经济合理。

　　 (3) 针对工程场地存在湿陷性砂土的特殊性, 在当地首次采用后注浆工艺提高单桩承载力, 降低造价。同时对地下室结构采用深梁与梁板结构相结合的结构形式, 避免湿陷性砂土引起的不均匀沉降。

　　 (4) 充分利用建筑空间, 根据不同条件对悬挑楼座采用不同的结构形式, 经济合理。