北京世界园艺博览会妫汭剧场工程位于北京市延庆县, 主要包括混凝土半地下室工程、混凝土舞台工程和钢结构屋面工程3个分块工程。

　　 1) 半地下室工程:总建筑面积为1 150m², 主要由一条南北向穿行于蝶状屋面中部的混凝土连桥及桥面板下部设置的少量半地下室空间构成, 选用剪力墙结构体系^[1]。 2) 舞台工程:总建筑面积为 1 835m², 主要包括:舞台台仓、升降台, 采用框架结构体系; 配电室及设备用房, 采用单侧覆土, 选用剪力墙结构体系, 结构混凝土强度等级均为C30。3) 钢结构屋面工程^[2,3]:由26榀呈伞状排开的悬挑钢桁架支承, 中部设置环桁架和落地桁架连接为统一整体。混凝土部分与钢结构部分相互独立, 按照2个结构单体独立计算、设计。

　　 本文主要针对半地下室工程和舞台工程的设计分析重点进行研究。半地下室工程结构计算模型如图1所示。舞台工程结构的结构平面示意图及计算模型如图2所示。

　　 图1 半地下室工程结构计算模型

　　  

　　 图2 舞台工程结构平面示意图及计算模型

　　  

　　 依据勘察报告^[4], 半地下室工程建筑±0.000标高与现状地坪有较大高差 (高差约3.5～4.0m) , 且现状地坪上部有素填土层覆盖, 厚度约1.5～2.2m, 同时下部持力层土体以黏土层为主, 整体地质条件较为复杂。故本工程地基基础设计方案, 尽管具备上部结构荷载较小等有利条件, 依然存在基础底标高设定、主体建筑物沉降控制、基础施工土方量控制、上部钢结构抗倾覆压重等技术难点。相关重点设计措施说明如下。

　　 半地下室工程的工程地质剖面图呈现了现状地坪标高、基础底标高、素填土层底标高关系, 如图3所示。场地土层结构, 自上而下为:①黏质粉土素填土层, ②粉质黏土素填土层, ③第四纪沉积的粉质黏土层, ④重粉质黏土层, ⑤粉质黏土、重粉质黏土层, ⑤₁黏质粉土、粉质黏土层, ⑥粉质黏土、黏质粉土层, ⑥₁砂质粉土、黏质粉土层, ⑥₂有机质黏土、有机质重粉质黏土层, ⑥₃细砂层, ⑦有机质黏土、有机质重粉质黏土层, ⑦₁粉质黏土、黏质粉土层, ⑦₂黏质粉土、砂质粉土层, ⑦₃细砂层, ⑧粉质黏土、黏质粉土层。

　　 依据图3所示的标高关系, 本工程基础底标高设定为478.1m (相对标高为-3.9m) , 具体技术分析说明如下:

　　 (1) 绝对标高478.1m与现状地坪标高基本一致, 采用该标高作为基础底标高可以最大程度降低场地土方开挖量, 有效控制地基基础部分的工程造价。

　　 (2) 基础底相对标高选择-3.9m, 扣除筏板厚度后, 基础顶尚有3m以上的房心土回填做法, 该部分重量可以作为筏板部分有效压重, 为上部大悬挑钢结构在不平衡荷载及风荷载作用下的抗倾覆验算提供有效保障。

　　 (3) 基础底以下的素填土层厚度仅为1.5～2.2m, 拟采用地基处理方式予以控制, 不再额外清除, 有效控制施工土方工作量。

　　 本工程基础底以下尚有1.5～2.2m的素填土层, 同时下部覆盖土层厚度较大, 且均以压缩模量较小的黏土层为主, 建筑物整体承载力、沉降控制难度较大。为有效提升主体结构地基基础部分的安全性能, 采用地基处理方式予以设计加强, 主要设计要点包括^[5,6,7,8]:

　　 (1) 基础底以下素填土层, 采用冲击碾压和振动碾压的方式进行地基处理。地表碾压前, ①层填土的物理力学性质不均匀, 不能作为基底土层使用。经过碾压后, 该层土性质更为均匀, 通过经验和现场小区域试验判断, 天然地基承载力特征值按100kPa、压缩模量按照5MPa进行考虑。达到上述处理标准后, 该层土在有限厚度范围内土体力学性质得到充分改善, 可以有效提升基础底持力层性能, 并确保CFG地基处理的桩土协同工作效应。

　　 (2) 采用CFG桩复合地基加固深层地基土, 桩端持力层选择⑥层粉质黏土、黏质粉土层, 且结合上部结构荷载分布特征, 分区调整CFG桩布置密度, 进行调平处理。CFG桩平面布置如图4所示 (图示阴影区为CFG桩加密区域) 。

　　 (3) 采用上述措施后, 主体结构的基底持力层承载力条件和总体沉降验算条件得到有效改善, 可以较好地满足规范要求。经验算, 复合地基最终变形量在98.77～113.16 mm之间, 考虑北京地区类似土层条件工程经验, 满足设计要求。复合地基静载试验中, 承载力达到复合地基承载力特征值时, 实际沉降为4.07～5.32mm, 变形远低于计算值。现场检测表明本工程采用冲击 (振动) 碾压结合 CFG桩复合地基是完全可行的, 并能达到较好的性能。

　　 本工程选用筏板基础, 一方面可以有效增强基础整体性, 有效降低基底反力、控制结构沉降;另一方面也可以利用整体式基础及其上部回填房心土压重, 有效应对上部大悬臂钢结构传递的倾覆力矩作用。结合上述要求, 本工程筏板基础采用分区分类型设置方案。

　　 (1) 上部大悬臂钢结构落地柱脚及拉索埋件对应区域, 采用梁筏基础设计样式, 结合上部结构柱脚布置, 设置纵向和横向基础梁, 加强梁筏区域基础刚度, 抵抗倾覆力矩, 并有效平衡上部结构传递的柱脚弯矩和拉索轴力。

　　 (2) 半地下室剪力墙主体结构区域, 采用平板式筏板基础, 简化基础样式, 方便现场施工。筏板基础结构计算模型如图5所示。

　　 (3) 上部钢结构柱根及拉索埋件部位, 结合基础梁布置, 局部设置加腋做法, 有效保证柱根弯矩传递和拉索轴力传递。典型节点如图6所示。

　　 图5 筏板基础结构计算模型

　　  

　　 图6 加腋典型节点做法

　　  

　　 半地下室工程部分, 依据建筑方案设计需求, 沿南北向穿行于蝶状屋面中部的混凝土连桥下侧设置两道混凝土结构拱, 最大跨度约48m, 布置位置如图7所示。半地下室工程的剪力墙墙体厚度为200～600mm, 基础和剪力墙混凝土强度等级为C40, 梁板混凝土强度等级为C30, 钢材型号为Q345B。

　　 结合上述混凝土拱的建筑外观需求、结构受力模式及结构构造做法, 设计重点说明如下。

　　 图7 大跨度混凝土拱布置示意

　　  

　　 依据拱体的建筑外观要求, 分别采用实体墙计算模型 (与真实结构外形更加匹配) 和斜撑简化模型 (与结构受力模式更加匹配) 进行有限元分析, 两个计算模型的空间示意分别见图8, 9。

　　 图8 实体墙计算模型

　　 采用图8, 9所示的计算模型, 分析得到的竖向位移计算结果如图10, 11所示。依据图示计算结果可知, 两个模型的最大计算竖向位移分别为16.7, 20.0mm, 均满足小于规范限值的要求 (规范限值为119.3mm) , 且具备一定程度的设计冗余。

　　 采用图8, 9所示的计算模型, 分析得到的应力计算结果如图12, 13所示。依据应力计算结果可知:1) 两个计算模型的拱体部分主要承担压应力, 与结构拱设计预想基本匹配;2) 跨中下部出现少量拉应力区, 说明限于建筑找形要求, 拱体部分依然为非理想状态的压弯受力模式;3) 斜撑简化模型中, 结构受力模式较为清晰, 拱体分析相对准确, 主要用于拱体配筋设计;实体墙模型中对于构造墙体部分的分析相对清晰, 可供构造墙体部分水平配筋参考。

　　 图12 实体墙计算模型的应力/Pa

　　  

　　 图13 斜撑简化模型的应力/Pa

　　  

　　 采用图8, 9所示的计算模型, 分析得到的钢筋应力计算结果如图14, 15所示。依据图示计算结果可知, 实体墙模型计算得到的钢筋受拉和受压主应力分别约为105.6, 64.1MPa;斜撑简化模型计算得到的钢筋受拉和受压主应力分别约为31.6, 129.7MPa。故选择按照实体墙模型控制构造墙体配筋设计;选择斜撑简化模型控制拱体配筋设计。拱体配筋样式如图16所示。

　　 图14 实体墙计算模型的钢筋应力/Pa

　　  

　　 图15 斜撑简化模型的钢筋应力/Pa

　　  

　　 图16 拱体配筋样式

　　  

　　 拱体下部筏板位置, 为有效平衡上部拱体传递的水平推力, 采用预应力钢筋做法。限于拱体平面布置原因, 单道拱体采用交叉预应力钢筋布置方案, 具体布置方案如图17所示。采用上述措施后, 上部拱体在竖向荷载作用下产生的水平推力可以得到直接平衡, 基础部分的拉应力水平和开裂风险得到有效控制。

　　 图17 拱体对应预应力钢筋布置示意

　　  

　　 混凝土舞台工程位于妫汭剧场大看台一侧, 建筑功能为舞台台仓、升降台、内环台、外环台、演员临时通道、配电室及设备用房。总建筑面积为 1 835m², 地上1层, 地下局部设置升降台基坑及电缆夹层, 台仓及演员临时通道屋顶高度为3.95m, 配电室及设备用房屋顶高度为3.30m。

　　 舞台台仓和演员临时通道的建筑功能平面灵活性要求较高, 采用框架结构体系。相关舞台设备支架等采用钢结构二次搭建, 主体结构预留埋件。框架柱截面方柱300×500、圆柱500mm, 框架梁截面300×500, 混凝土强度等级均为C30。

　　 配电室及设备用房采用单侧覆土, 为有效平衡侧土推力作用, 选用剪力墙结构体系, 剪力墙厚200～500mm, 混凝土强度等级均为C30。

　　 地基形式为天然地基。基础持力层为④重粉质黏土, 地基承载力特征值为80kPa, 可以满足上部结构荷载要求。由于舞台结构荷载较小, 且考虑地下室埋深后, 附加应力基本忽略, 土体回弹再压缩变形亦较小, 整体沉降可以得到有效控制^[4]。

　　 基础形式为筏板基础。基础筏板厚度除内、外环台范围为500mm外, 其余均为400mm。筏板基础下凹台仓区域, 局部水浮力影响较为明显, 常规设计自重荷载整体抗浮不满足要求。采用压重抗浮设计方案, 通过基础挑边、筏板上填毛石混凝土及上部结构恒载抵抗水浮力。

　　 台仓与设备用房为两种结构体系, 之间设舞台专用上人格栅板踏步连系。两种结构体系通过钢梁滑动支座连接, 具体如图18所示。台仓、内外环台及演员临时通道通过舞台升降机械与混凝土主体结构预埋件连接。

　　 (1) 通过合理的基础底标高设定、地基处理方案选择及分区筏板设置方案, 半地下室工程的地基基础安全得到有效保证, 地基基础部分结构设计经济、合理、可靠。

　　 (2) 通过实体墙计算模型和斜撑简化模型两种计算方式的有限元模拟, 半地下室工程的大跨度拱结构的变形状态和应力状态得到真实模拟, 计算结果可以有效指导拱体部分和构造墙体部分的结构配筋设计。

　　 (3) 通过合理的上部结构选型、地基基础选型及关键连接节点设计, 舞台工程的结构设计安全、实用, 可以有效保障相关舞台设备的安装使用。

　　 本工程混凝土结构工程安全、合理、经济, 结构设计可行。