厦门大学国际会议中心(又称厦门大学科学艺术中心)位于厦门大学校园中心地带芙蓉湖畔,总建筑面积1.9万m²。主体结构地下1层,主要为汽车库及设备用房兼人防地下室;地上3层,局部5层,主要功能为可容纳600人音乐厅和1 000人会议厅以及展厅等。会议中心建筑平面长121.25m,宽58.8m,地面总建筑高度38.5m,屋顶为双坡曲面,坡屋面檐口至坡顶高度21.7m。建筑造型独特新颖,已成为厦门大学重要的国内外学术交流场所,建筑效果图见图1。

　　 建筑主要功能为音乐厅和会议厅,建筑平面和立面造型独特,主要特点如下:

　　 (1)建筑平面布局为大跨高大空间,2层和3层两个大厅柱间跨度分别为19m和25m,高度分别为12.3m和13.6m,且上下大厅相互重叠,由于大型观众席起坡高度分别达5.5m和6.8m,楼层平面内楼板不连续,加上大厅两边楼梯开洞,结构除2层和平屋顶层外其他楼层均为大开洞,建筑不规则楼面和高斜屋顶导致在结构计算上分层困难,结构布置极为复杂。

　　 (2)建筑立面风格独特,厦门大学嘉庚建筑风格与闽南传统屋顶特色相结合,屋顶四面起坡,呈双曲面翘脊,坡屋面檐口标高16.8m,屋顶最高处标高38.5m,坡屋面最大高度达21.7m,最大仰角达72.3°,且屋顶开口不闭合。屋面结构跨度达25m,且为单跨。考虑建筑风格的特点以及临近海边抗腐蚀和后期减少维护费用的需要,结构拟采用钢筋混凝土材料,而常用混凝土梁柱体系无法实现建筑造型,结构形式必须另辟蹊径。

　　 (3)建筑平立面布置为多处大尺寸悬挑,如东面2层外挑6.9m,角部双向悬挑5.3m×6.3m;5层屋面角部翘脊外挑8.3m×10.2m,坡屋顶大仰角开口屋脊,最大仰角达72.3°,几乎呈竖向悬挑,结构需控制其受力和变形。建筑典型平面、剖面见图2～4。

　　 工程场地的土层特性及分布情况见表1。本工程地下室层高4.5m,底板落在淤泥层上,其下为粗砂及砾砂层,粗砂在7度地震作用下会产生液化现象,且局部地段下卧有软弱夹层淤泥质土,不具备采用天然地基的条件,因此考虑采用桩基础方案。由于场地内土层分布不均匀,各柱荷载差异也大,北面为芙蓉湖,地下水位较高,并具弱腐蚀性,故选用冲(钻)孔灌注桩,以中风化花岗岩为桩端持力层,单桩单柱,桩径800～1 400mm不等,桩长约25m。

　　 根据建筑方案,工程采用钢筋混凝土现浇框架结构体系。大跨度音乐厅和国际会议厅采用后张有粘结预应力混凝土结构,屋面及以上采用预应力混凝土屋架结构;该建筑平面长度为121.25m,超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[1]55m的要求,但因建筑功能需要,两层大跨大空间结构上下相叠,无法在建筑物中间设温度缝,故在建筑物中间设两道加强膨胀后浇带释放施工阶段混凝土的收缩应力,同时采取掺钢纤维的混凝土浇筑,并适当配置梁板通长钢筋,加强外角板内钢筋等措施解决使用阶段温度变化带来的附加应力。

　　 由于2,3层两个竖向叠合大厅的大型观众席楼面起坡跨越本层层高,使楼层平面内楼板不连续,且大厅两侧楼梯开洞,导致结构除2层和平屋顶层外其他楼层均为大开洞,出现X向存在局部仅有边框梁的情况(图5),结构最大层间位移与平均层间位移的比值大于1.2,属平面扭转不规则结构;而承重柱的逐层减少和高斜度屋顶导致楼层竖向质量和侧向刚度差异较大,特别是Y向,超过《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[2](简称抗规)竖向不规则结构的限值,属竖向不规则结构。所以,本工程属平面和竖向均不规则结构。

　　 设计计算中通过合理分层,建立符合实际的计算模型,调整结构刚心,使之与质心尽可能接近,加强楼板刚度,加强开洞周边梁板配筋,19m大跨楼盖采用后张有粘结预应力混凝土结构,加强抗扭构件刚度,加强薄弱层刚度和承载力等措施有效地控制了平面扭转和层间刚度,较好地控制了结构的整体性能,具体加强措施如下:

　　 (1)计算模型模拟观众席楼板实际坡度,大开洞周边楼板定义为弹性板,并增加楼板厚度,板内配置双层双向通长钢筋以加强楼板平面内刚度,加强与周边框梁的连接。

　　 (2)合理调整结构布置,加强薄弱部位框架梁柱的刚度和承载力,以提高结构的整体抗扭刚度,控制整体结构的周期和位移比,使之满足抗规的要求。

　　 (3)对于竖向抗侧力构件,控制框架柱的轴压比在较低的范围以提高延性,加大Y向刚度以控制层间位移角,增强薄弱层的抗剪承载力并进行弹塑性变形分析计算,使其控制在抗规允许的范围内。

　　 (4)结合建筑形态,在结构上层收柱处形成稳定的三角形梁柱受力体系,大大提高了结构侧向刚度及承载力,并有利于屋架结构的传力。

　　 结构计算采用PKPM系列软件,采用SATWE和PMSAP进行整体结构的计算,考虑双向地震扭转效应。通过表2可以看出,SATWE和PMSAP二者整体计算结果基本吻合。

　　 对于25m跨度的结构,可采用钢结构和钢筋混凝土结构。若采用钢结构,自重轻、受力好,但由于本工程屋面以上还有7m高的腹杆、上弦杆再加8m高的大仰角开口坡屋面,露天构件多、数量大,钢材不利于防火、防腐蚀,耐久性差,后期使用维护工作量巨大,且造价高;钢筋混凝土结构虽然自重大,施工较复杂,但耐久性好,可节省造价,并极大地减少维护经费和人力,采取预应力技术后可有效控制裂缝和轴向变形,且与上下坡屋面的混凝土连续贯通,较好地实现了建筑造型要求,综合考虑经济性和适用性,本工程屋面采用钢筋混凝土结构 ^[3]。

　　 由于本工程坡屋面高度高、重量重,且为单跨,常用混凝土梁柱结构体系意味着将产生极大的挠度和裂缝,无法满足其安全和正常使用要求。针对建筑特色,结合建筑坡屋面造型和结构受力特性,在进行多方案比较后,在跨度为25m的平屋面及其上大斜度屋面采用预应力钢筋混凝土屋架形式,由通常的梁系受弯构件变为拉压构件,可以有效地解决跨度大、自重大导致弯矩过大、挠度裂缝过大的问题。混凝土屋架由上下弦和腹杆组成,下弦位于平屋面位置(即会议厅屋顶),上下弦之间高度为7m,构成完整的屋架受力体系。屋架两端下部梁柱构成稳定的三角形受力体系,使整个屋架受力得到合理有效地传递。另外在上弦梁中央腹杆顶部又增加斜撑,使其上部8m高大仰角屋脊在斜撑的支撑下悬空而起,见图6～8。

　　 为确保屋架安全可靠,除对结构进行整体空间分析外,对大跨度构件按单榀框架用PK对主截面进行计算复核;在结构荷载导算完成后,进行结构模型的简化并进行手工计算比较;并使用国际通用软件NASTRAN再次校核 ^[4]。以(11)轴一榀框架为例,PK,NASTRAN和手工计算三种计算方法计算得出的屋架内力见表3。

　　 由表3可以看出,不同计算方法下,屋架各杆件内力均以拉压轴力为主,其中上弦主要为轴心受压,下弦主要为轴心受拉,弯矩主要为所在楼层的梁板自重、装修荷载、使用活荷载等在构件内产生的局部弯矩,即下弦杆为拉弯构件,上弦杆为压弯构件;腹杆主要受拉,拉力较小。三种计算方法中轴拉力以PK计算为最大,弯矩以NASTRAN计算为最大,取三种计算方法得出的内力最大值(包络值)进行屋架各杆件截面设计。

　　 屋架下弦所在楼层为屋顶,属露天结构构件,在荷载作用下会产生很大的轴心拉力,而混凝土的抗拉性能差,较小的轴心拉力作用就会导致混凝土开裂。为延迟裂缝的出现、控制裂缝的开展,设计采用后张有粘结高强预应力钢筋(直线型),对屋架下弦施加部分轴向预应力(预应力度约70%),弯矩则由部分抛物线预应力钢筋和普通钢筋承担,剪力由普通箍筋承担(轴向预应力的施加也较大地提高了构件的抗剪承载力)。屋架下弦施加预应力不仅有效地控制了挠度和裂缝,提高了结构刚度,也显著地减小了下弦杆的轴向变形,同时大大减小了支座柱端的水平作用力。

　　 屋架下弦杆施加预应力后,其余各杆件内力较下弦杆施加预应力前发生了较大的变化,首先下弦杆的轴向拉力极大地减小;其次,由于下弦杆刚度的提高,腹杆承担的内力也随之减小 ^[5],预应力计算结果显示腹杆内力减小为原来的50%～60%,腹杆按受拉构件设计即可;下弦杆施加预应力对上弦杆的影响则较小,其所受压力基本不变,上弦杆主要受压及局部受弯,按偏心受压构件设计。

　　 在施工过程中,由于混凝土屋架上下弦、腹杆各构件需分批浇筑,不能同时形成整体,导致施工阶段屋架下弦形成跨度为25m的梁(受弯构件)的情况,受力特性与整体屋架截然不同,且需承担其上腹杆、上弦杆等较大荷载。虽然应用临时钢柱和贝雷架支撑体系替代满堂脚手架,但贝雷架模板不足以支撑其上所有荷载,屋架下弦梁弯矩过大,变形过大。为保证施工阶段构件的安全可靠,防止下弦梁在施工阶段受损,必须进行施工过程设计。

　　 采用在混凝土下弦梁中设置部分抛物线后张有粘结预应力钢筋,以承受施工荷载引起的弯矩。在屋架下弦杆达到强度后,分批施加部分预应力予以加强,增加构件的刚度,减小变形,防止或延迟裂缝的出现(图9)。

　　 对预应力混凝土屋架下弦杆进行施工过程现场跟踪,监测其应力应变情况,通过对各个施工阶段混凝土构件的应变测试,检验屋架下弦杆的受力变化情况。实测显示,下弦杆上下截面应变趋势与理论分析基本一致(图10),施工阶段屋架下弦未出现较大变形和裂缝,达到了施工阶段的设计目标。

　　 建筑平面和立面设有多处超大长度悬挑,设计采用自下层柱起斜撑柱的方式减小外挑尺寸(图11);屋架上部8m高的大仰角开口屋脊,采用在屋架上弦梁中央腹杆顶部增加斜撑,大仰角屋脊在斜撑的支撑下悬空而起,蔚为壮观(图8)。斜撑根部支承于下层楼层柱顶处,楼层板加厚并设双向通长钢筋以抵抗斜撑产生的水平力。空间斜撑的布置对于超大长度悬挑结构减小其挠度、裂缝宽度起到关键作用,并使建筑和结构融为一体。目前,本工程已正常使用,状况良好。

　　 工程采用预应力混凝土屋架和大尺度悬挑斜撑实现了结构与建筑的有机融合。采用多种计算方法进行比较分析以确保结构计算准确可靠,对于复杂结构体系尤为重要。结构形式的合理选择和灵活运用,以及施工阶段的设计和监测,均有效地解决了工程实际问题,收到了良好的效果。

　　 (1)大跨高大坡屋面采用预应力混凝土屋架结构,由通常的梁系受弯构件变为拉压构件,成功地解决了跨度大、自重大导致弯矩过大、挠度裂缝过大的技术难题,满足了高大空间的建筑功能和独特的造型。

　　 (2)对于屋架等空间组合式结构,必须考虑施工阶段的结构形式和受力状态与使用阶段的不同,并进行设计计算和监测,消除安全隐患。本工程在施工过程中,对混凝土屋架下弦作为受弯构件进行施工阶段的设计,对施工过程进行应变现场跟踪检测,为屋架和整个结构的施工提供可靠依据和安全保证,降低了施工难度,节省了施工成本。

　　 (3)采用斜支撑、梁和柱构成稳定的三角形受力体系,使整个建筑结构受力得到合理有效地传递,极大地减小了悬挑构件的裂缝和挠度,在大尺度结构悬挑等方面起到关键的作用。