建筑结构整个施工过程是结构体系逐渐成型的过程^[1,2], 在施工过程中由于没有形成完整的结构体系, 尚不能完全依靠自身来保持结构的稳定, 因此在结构成型之前往往需要借助外部支撑体系来保证自身结构稳定性^[3,4]。为减少临时支撑辅助用钢量, 提高结构施工经济性, 可在整个工程安装完成前, 即在合适的安装过程中提前卸载部分临时支撑, 并将提前卸载的部分临时支撑用于后续的施工安装中。临时支撑体系卸载过程由承载状态转换到空载状态, 结构也由施工时的安装状态变为受力时的设计状态^[5], 主体结构的安全性、稳定性及受力状态都和卸载过程密切相关^[6]。本文针对江苏大剧院戏剧厅钢结构施工安装提出了单向逐次卸载、双向交替卸载及双向交叉卸载三种临时支撑提前卸载方案, 采用MIDAS/Gen有限元软件对三种方案进行模拟计算, 通过与常用的合拢后一次卸载方案的结构内力和变形计算结果对比分析, 得出最佳方案。

　　 江苏大剧院是集综合演艺、会议、展示与娱乐等功能为一体的大型文化综合体, 地处南京新城核心区。该项目净占地面积19.663 3万m², 总建筑面积27.138 6万m², 建筑高达47.3m。大剧院项目包括2 300座的歌剧厅、1 000座的戏剧厅、1 500座的音乐厅、 3 000座的综艺厅、300座的公共大厅及其他附属配套设施。大剧院整体建筑形体如八方汇聚而来的水珠, 饱满光润, 建筑总体效果图如图1所示。

　　 江苏大剧院歌剧厅、音乐厅、戏剧厅和综艺厅等4个单体的外罩钢结构由斜柱、摇摆柱、中环梁、顶环梁以及内凹顶盖的钢拉梁与环梁等主要部分组成。江苏大剧院戏剧厅钢结构三维图和剖面图如图2所示。

　　 戏剧厅外罩钢结构为正反壳组合结构, 由于跨度较大, 整体钢结构工程安装时采用分段安装法进行施工。分段安装方法是指先将整体结构构件分成若干分段进行制作, 在工地地面将制作单元组装成分段吊装单元, 然后用起重机分别将各吊装单元吊装至高空设计位置, 安装就位后, 由人工焊接连接结构分段和嵌补分段并拼装成整体结构的施工方法^[7]。

　　 选用的施工安装方案以Ⓐ, Ⓑ与Ⓒ, Ⓓ轴线围成的区域为中心, 将整体结构对称分为24个区域, 如图3所示。施工时分别以图3中Ⓐ, Ⓑ, Ⓒ, Ⓓ轴线所对应的斜柱为起点, 沿箭头所示方向同时开始安装。待所有构件均安装至A7与B7区域时选择恰当的合拢温度对结构进行合拢施工。

　　 戏剧厅结构外形呈空间不规则变化, 临时支撑也为不规则布置, 合拢后结构为高次超静定, 同步卸载难度大。为确保整个结构经过卸载后, 平稳地从支撑状态向结构自身承受荷载的状态过渡, 需对整个卸载过程进行系统的分析计算, 并对计算结果进行分析, 以指导卸载过程的实施。

　　 根据结构高度、分段重量及施工安装方案确定临时支撑布置方案。戏剧厅工程安装时采用格构式临时支撑, 如图4所示。其中临时支撑立杆采用截面ϕ180×8的钢管, 腹杆采用截面ϕ89×6的钢管, 临时支撑宽度为1.5m, 水平腹杆之间的间距为2.0m, 支撑上部端口设置田字形钢平台, 由截面为H250×250×9×14的H型钢焊接而成, 材质均为Q235B。

　　 考虑整体结构的稳定性和施工复杂性, 施工过程中临时支撑布置应遵循如下原则:1) 临时支撑需简单、实用, 降低施工难度;2) 临时支撑自身需通过稳定性验算, 确保施工过程临时支撑不会失稳而影响工程质量;3) 临时支撑需经过受力计算, 确保承载能力达到施工要求;4) 根据结构分段位置设置临时支撑时, 对于直接落在混凝土楼面的临时支撑需进行合理转换, 将荷载传递到混凝土主梁或柱上, 以保证混凝土结构不被破坏。

　　 根据以上原则, 在戏剧厅钢结构的内环梁、拉梁、顶环梁及斜柱四个区域下分别布置临时支撑, 戏剧厅临时支撑布置如图5所示。

　　 根据临时支撑布置位置不同将其划分为4个区域 (图6) 。临时支撑卸载时, 首先进行顶环梁下临时支撑的拆除, 然后依次是斜柱、拉梁和内环梁下临时支撑的拆除, 并采用有限元软件MIDAS/Gen对合拢后临时支撑卸载方案进行施工模拟分析。

　　 由于大型复杂钢结构工程随着施工的进行, 部分结构已经形成局部的稳定结构体系^[8], 可将已形成局部稳定结构体系区域下的临时支撑提前卸载, 并用于后续结构施工安装中, 实现施工过程中安全与经济的平衡。提出的卸载方案是在结构合拢前已对部分临时支撑进行卸载, 简称提前卸载方案。本文提出了单向逐次卸载、双向交替卸载及双向交叉卸载三种临时支撑提前卸载方案, 采用有限元软件MIDAS/Gen进行施工模拟分析, 得出经济合理的卸载方案, 供施工参考。

　　 按图3所示的实际施工安装顺序, 当A1/B1, A2, B2前三个单元结构安装完毕时, 卸载A1/B1单元中心线处的拉梁、顶环梁下全部临时支撑用于后续结构的安装;当A3, B3单元安装完毕时, 卸载A1与A2单元交界线处的斜柱及与之对应的拉梁、顶环梁下全部临时支撑用于后续结构的安装;依次类推, 即以A1/B1单元中心线为起点逆时针单向逐次卸载临时支撑用于后续结构安装, 直至A7, B7这两个单元合拢形成整体正反壳组合结构后, 对剩余临时支撑采取与临时支撑正常拆除方案相同的方法进行分区分步卸载。戏剧厅临时支撑单向逐次卸载第14个施工阶段有限元模型如图7所示, 图中黑点位置表示已卸载临时支撑位置。

　　 与单向逐次卸载方案类似, 双向交替卸载方案采用逐次交替卸载的方式以减少临时支撑的使用量, 且两者的卸载步骤、方法相同, 不同的是两者临时支撑卸载方向有所区别。前两次卸载步骤和方法与单向逐次卸载方案完全相同, 但当A4, B4单元安装完毕时, 不再卸载A2与A3单元交界线处的临时支撑, 而是卸载B1与B2单元交界线处的斜柱及与之对应的拉梁、顶环梁下全部临时支撑用于后续结构的安装;当A5, B5单元安装完毕时, 卸载A2与A3单元交界线处的斜柱及与之对应的拉梁、顶环梁下全部临时支撑用于后续结构的安装;依次类推, 即以A1/B1单元中心线为起点, 双向对称交替卸载临时支撑, 直至A7与B7这两个单元合拢形成整体正反壳组合结构后, 对剩余临时支撑采取与临时支撑正常拆除方案相同的方法进行分区分步卸载。戏剧厅临时支撑双向交替卸载第14个施工阶段有限元模型如图8所示, 图中黑点位置表示已卸载临时支撑位置。

　　 双向交叉卸载方案与双向交替卸载方案一样, 采用临时支撑双向对称拆除的方法进行卸载作业, 但临时支撑卸载位置的选取随卸载步骤而有所不同, 不再逐次交替卸载。临时支撑的第一次拆除与前两种卸载方案完全相同;但当A3和B3单元安装完毕时, 卸载A2与A3交界线处的斜柱及与之对应的拉梁、顶环梁下全部临时支撑用于后续结构的安装;当A4和B4单元安装完毕时, 卸载B2与B3交界线处的斜柱及与之对应的拉梁、顶环梁下全部临时支撑用于后续结构的安装;依次类推, 即以A1/B1单元中心线为起点, 双向对称交叉卸载临时支撑, 直至A7与B7这两个单元合拢形成整体正反壳组合结构后, 对剩余临时支撑采取与临时支撑正常拆除方案相同的方法进行分区分步卸载。戏剧厅临时支撑双向交叉卸载第14个施工阶段有限元模型如图9所示, 图中黑点位置表示已卸载临时支撑位置。

　　 采用有限元分析软件MIDAS/Gen对单向逐次卸载、双向交替卸载和双向交叉卸载三种临时支撑提前卸载方案进行施工全过程模拟, 并与合拢后卸载方案的计算结果进行对比分析。图10与图11分别为不同卸载施工方案时主体结构和临时支撑的最大应力, 图12～14分别为不同卸载施工方案下主体结构x, y, z向最大位移, 图15为不同卸载施工方案时临时支撑顶部最大压力。

　　 三种提前卸载方案均是从第8个施工阶段开始进行临时支撑的提前卸载作业, 所以前7个施工阶段三种提前卸载方案与合拢后卸载方案的模拟计算结果是相同的。

　　 由图10可知, 合拢后卸载方案的主体结构最大应力为155.02MPa, 采用单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案及双向交叉卸载方案的主体结构最大应力依次为191.50, 164.76, 163.03MPa, 与合拢后卸载方案相比分别提高23.53%, 6.28%, 5.17%, 说明临时支撑卸载方向与卸载步均对施工过程中结构最大应力有较大影响。三种临时支撑提前卸载方案中, 双向交叉卸载方案卸载完成后主体结构的最大应力最小, 与合拢后卸载方案相比仅提高5.17%, 二者接近。

　　 由图11可知, 施工过程中采用单向逐次卸载方案临时支撑时, 临时支撑最大应力达到219.09MPa, 略高于材料设计强度f=215MPa, 但差值在±5%允许范围以内, 方案可行;采用双向交替卸载方案与双向交叉卸载方案时, 临时支撑最大应力分别达到210.66, 163.15MPa, 均低于材料设计强度f=215MPa, 满足结构设计要求;且在实际施工过程中, 将根据有限元计算结果对临时支撑局部构件采用替换材料及增大截面的方式提高其抗压强度与稳定性, 避免临时支撑出现破坏, 保证施工安全。对比分析可知, 采用不同临时支撑提前卸载方案临时支撑的最大应力随着施工阶段的不同波动较大, 明显大于合拢后卸载方案的模拟计算结果, 但最后一个施工阶段合拢后卸载方案时临时支撑最大应力为153.43MPa, 采用单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案及双向交叉卸载方案时临时支撑最大应力依次为154.79, 152.66, 154.12MPa, 与合拢后卸载方案基本相同。

　　 由图12～14可知, 采用单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案及双向交叉卸载方案卸载完成后的主体结构x向最大位移依次为17.52, 11.66, 11.69mm, y向最大位移依次为33.08, 29.98, 28.95mm, z向最大位移依次为121.59, 116.24, 116.19mm, 根据规范要求单层网壳屋盖结构挠度允许值为跨度的1/400, 三者均在规范所允许的范围之内。合拢后卸载方案时的主体结构x, y, z向的最大位移为11.06, 23.66, 109.47mm, 与之相比, 采用双向交叉卸载方案时x, y, z向位移分别增加0.63, 5.29, 6.72mm, 增量分别为5.70%, 22.36%, 6.14%, 二者相差较小。由3个方向位移变化曲线可知, 除临时支撑卸载前7个施工阶段各方案的x, y, z向的最大位移均相等, 后期施工阶段x, y, z向的最大位移基本是按单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案、双向交叉卸载方案顺序呈递减的趋势。

　　 由图15可知, 采用单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案及双向交叉卸载方案时, 整个施工过程中临时支撑顶部最大压力依次为387.7, 374.84, 266.95kN, 比采用合拢后卸载方案时临时支撑顶部最大压力266.17kN分别增加45.69%, 40.83%, 0.29%, 采用双向交叉卸载方案时临时支撑顶部最大压力变化最小。

　　 通过MIDAS/Gen有限元软件统计得出单向逐次卸载、双向交替卸载和双向交叉卸载方案下临时支撑最大用钢量分别为267.2, 288.7, 264.0t, 比合拢后卸载方案用钢量447.3t分别节约40.3%, 35.5%, 41.0%。

　　 本文以江苏大剧院戏剧厅钢结构施工安装为工程背景, 提出了单向逐次卸载、双向交替卸载及双向交叉卸载三种临时支撑提前卸载方案, 采用有限元分析软件MIDAS/Gen对戏剧厅钢结构三种临时支撑提前卸载方案与合拢后卸载方案进行对比分析, 通过分析得出以下结论与建议:

　　 (1) 采用合拢前临时支撑提前卸载会导致主体结构与临时支撑应力增加, 在临时支撑最大应力均满足结构设计要求的基础上, 对比单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案及双向交叉卸载方案主体结构的最大施工应力可知, 与合拢后卸载方案主体结构最大施工应力增量相比, 采用双向交叉卸载方案时最大施工应力增量最小, 二者接近。

　　 (2) 结构在整个施工阶段x, y, z向的最大位移基本是按单向逐次卸载方案、双向交替卸载方案、双向交叉卸载方案顺序呈递减的趋势, 但均在规范允许范围之内。对比三种卸载方案可知, 采用双向交叉卸载方案时结构变形与合拢后卸载方案对比相差最小。

　　 (3) 与合拢后卸载方案相比, 采用单向逐次卸载方案与双向交替卸载方案时临时支撑顶部最大压力增量均超过40%, 而采用双向交叉卸载方案增量仅为0.29%, 二者相差最小。

　　 (4) 合拢后卸载方案临时支撑用钢量为447.3t, 与之相比, 采用单向逐次卸载、双向交替卸载和双向交叉卸载方案三种临时支撑提前卸载方案最大用钢量大大减少, 达到节约施工成本, 提高经济效益的效果。

　　 (5) 通过三种临时支撑提前卸载方案与合拢后卸载方案的结构内力、变形、临时支撑顶部受力及经济性的对比分析可知, 采用双向交叉卸载方案时结构受力性能与合拢后卸载方案接近, 且临时支撑用钢量可大幅度减少, 经济性好。建议江苏大剧院戏剧厅临时支撑提前卸载方案采用双向交叉卸载方案。