建筑钢结构工程由于施工周期长, 结构在施工期间可能经历较大的环境温度变化, 当结构所处环境温度发生改变时, 结构构件会发生收缩与膨胀, 倘若构件收缩与膨胀不受约束将不会在结构内部产生应力, 而复杂建筑钢结构工程往往是多次超静定结构, 结构各构件之间相互约束而不能自由变形, 当温度变化时将在结构内部产生应力, 称为温度应力。统计表明, 我国有60%以上的工程结构倒塌事故发生在施工期间, 其中由于合拢温度选取不当而导致的工程事故不在少数^[1,2]。环境温度变化引起的大型复杂建筑钢结构共同受力、协调变形等问题比其他建筑复杂得多, 因此对大型复杂建筑钢结构工程进行温度效应及施工合拢温度分析有着重要的意义。本文以在建的江苏大剧院音乐厅钢屋盖为背景工程, 采用有限元计算软件MIDAS/Gen进行钢屋盖温度效应及施工合拢温度分析, 以确定最佳的施工合拢温度区间, 指导钢屋盖合拢施工。将计算结果同实际监测数据进行对比分析, 论证本文所构建的有限元分析模型及所选取的计算方法可行, 为类似工程提供技术参考。

　　 《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3]中指出, 温度作用是结构或结构构件中由于温度变化引起的作用。按自然环境变化的不同, 温度作用可分为日照温度作用、骤然降温温度作用及年温温度作用三种, 其中日照温度场为非均匀场, 即日照作用下构件各点的温度分布不尽相同;年温度作用为均匀温度场, 各点的温度均相同, 与坐标无关;而骤然降温温度场则介于均匀与非均匀温度场之间。对大型公共建筑钢结构工程进行温度效应分析与确定施工合拢温度时, 通常只考虑均匀温度场下的温度应力。因此, 本文对音乐厅钢屋盖进行温度效应分析及确定施工合拢温度时仅考虑均匀温度场即年温温度作用的影响^[4,5,6]。

　　 钢结构工程温度应力可采用有限元法计算。结构从开始安装到最终施工合拢完成, 每个构件都对应一个安装温度T₀。音乐厅钢屋盖工程属于高次超静定结构, 若不同环境温度下安装的构件温度应力得不到释放, 将会在结构内部产生不均匀的温度应力。每个构件安装时初始温度应力均为0, 当构件周边环境温度不同于构件初始安装温度时, 若与该构件相连的其他构件已安装完成, 此时由于热胀冷缩现象势必会在该构件内产生应力。进行施工合拢温度分析时, 在上一施工步由温度作用所引起的结构杆件内力及位移分析结果的基础上进行当前施工步的内力与位移计算, 当前施工步环境温度变化对结构构件内力与位移的影响可由下式求解^[7]:

　　 $\begin{array}{c}k{}_{11}\Delta {}_1+k{}_{12}\Delta {}_2+\cdots k{}_{1n}\Delta {}_n+R{}_{1t}=0\\ k{}_{21}\Delta {}_1+k{}_{22}\Delta {}_2+\cdots k{}_{2n}\Delta {}_n+R{}_{2t}=0\\ \cdots \\ k{}_{n1}\Delta {}_1+k{}_{n2}\Delta {}_2+\cdots k{}_{nn}\Delta {}_n+R{}_{nt}=0\end{array}\}(1)$

　　 式中:R_nt为对已安装构件施加T_i-T_i-1温差后所得节点附加外力, 其中T_i-1为i-1步杆件平均温度, T_i为i步求解时刻杆件平均温度。

　　 江苏大剧院项目地处长江之滨的南京河西新城核心区, 是一个集演艺、会议、展示、娱乐等功能为一体的大型文化综合体。共包含综艺厅、歌剧厅、戏剧厅、音乐厅和公共大厅五个单体及其他附属配套设施, 江苏大剧院总体布置见图1。

　　 音乐厅钢屋盖以20根“7”字形焊接箱形截面斜柱为主要承重构件, 斜柱截面宽度为600mm, 高度为1 000～1 600mm不等。部分跨度较大斜柱下方设有截面尺寸为ϕ800×25的摇摆柱用以支承斜柱, 摇摆柱搁置于下方混凝土结构上。钢屋盖顶部弧面边缘与标高27m处分别设置截面尺寸为ϕ1 350×50, ϕ800×30的大截面圆管顶环梁与中环梁, 并在斜柱之间布置屋面檩条与剪刀撑, 形成空间受力的网壳结构体系。江苏大剧院音乐厅结构图、钢屋盖平面图见图2。

　　 根据音乐厅钢屋盖结构特点及现场施工条件, 钢屋盖采取分段分块吊装法施工, 音乐厅钢屋盖结构施工区域划分如图3所示。由文献[8]可知, 该施工方案在保证安全的前提下能最大限度地节省工期。构件安装时先将主结构 (斜柱、中环梁、顶环梁、内环梁、拉梁等构件) 分别以 (A) , (B) 轴线处对应的斜柱为起点, 同时开始顺时针安装, 使其成为具有一定承载能力的稳定体系后再分别以 (A) , (B) 轴线处对应的斜柱为起点, 同时开始顺时针安装次结构 (剪刀撑、主檩等) , 待所有构件均安装至A7与B7两个区域时选择合适的合拢温度对结构进行合拢施工, 结构合拢后即可开始临时支撑卸载作业。

　　 根据既定的施工安装方案, 当钢屋盖安装至图3中的A7与B7两个合拢区域时, 需对预留合拢段进行精确的测量, 然后根据测量结果对嵌补杆件下料参数进行修正。嵌补杆件安装时首先将构件吊装就位, 安装固定牢靠后暂不焊接, 根据施工安装方案, 在A7与B7两个合拢区域选择两条施工合拢线, 然后将嵌补杆件除合拢线上的其余焊缝进行焊接, 如图4所示, 合拢线上焊缝应在既定的施工合拢温度区间内进行焊接施工。

　　 查阅南京市历年气象资料得知, 南京地区年平均气温为15.4℃, 历年最高气温为43℃, 最低气温为-14.0℃。因此钢屋盖结构整个生命周期内可能需经历将近60℃的环境温度变化, 考虑到结构施工合拢是在某一固定温度下进行, 本文进行钢屋盖温度效应分析时对整体结构施加-40～40℃的温度作用。

　　 根据既定工期计划, 音乐厅钢屋盖构件吊装开始时间预定为2014年11月10日, 音乐厅钢屋盖结构划分为95个吊装分段及402根散件, 安装时每台塔吊及每台履带吊均每天考虑吊装两个分段, 散件安装时每台吊机每天考虑安装10根, 因此钢屋盖工程施工结束时间预定为2015年3月5日, 该段时间内南京2009～2013年气温如图5所示。

　　 根据3.1节中对南京地区历年温度的统计, 考虑结构施工合拢是在某一固定温度下进行, 本节对钢屋盖整体结构施加-40～40℃的温度作用, 得到各部分构件在温度作用下的最大应力与温度作用的关系曲线如图6所示。其中, 工况1为1.2 (自重+附加静载) +1.4温度作用;工况2为1.0温度作用。

　　 由图6 (a) 可知, 环境温度发生改变时, 结构内部由于温度作用产生的应力较大。钢屋盖在施加-40℃温度作用时, 剪刀撑及中环梁在工况1下最大应力分别为264.2, 125.0MPa。施加40℃温度作用时, 剪刀撑、斜柱及屋面拉梁在工况1作用下最大应力分别为198.9, 129.3, 106.1MPa。若施工合拢温度选取不当, 结构在整个生命周期中温度变化幅值可能超过40℃, 从而对结构安全造成影响, 因此在结构设计与施工分析时应充分考虑环境温度变化对结构的影响, 以保证结构安全。

　　 由图6 (b) 可知, 仅在温度作用下, 升温与降温对结构影响相似, 在屋盖结构上施加40℃温度作用时, 剪刀撑、斜柱、中环梁、屋面拉梁、顶环梁及屋面檩条在工况2作用下最大应力分别为164.2, 54.2, 26.3, 15.1, 13.3, 3.4MPa。温度作用对剪刀撑及斜柱的影响要明显大于对屋面拉梁及屋面檩条的影响, 这是由于剪刀撑、斜柱以及顶环梁属于钢屋盖的正壳部分, 该部分结构中剪刀撑与斜柱以及斜柱与环梁均为刚接连接, 而屋面拉梁及屋面檩条属于钢屋盖的反壳部分, 屋面拉梁与顶环梁及屋面檩条与拉梁均为铰接连接, 钢屋盖正壳与反壳对温度的敏感性有着显著的不同, 温度变化对钢屋盖正壳的影响要远大于对反壳的影响, 因此在施工分析确定施工合拢温度及施工合拢线时可主要针对由斜柱、剪刀撑及环梁组成的正壳部分。

　　 对比分析钢屋盖结构在不同合拢温度下的构件最大应力, 确定合理的施工合拢温度区间以指导实际工程施工。结合南京当地的气象资料进行施工合拢温度分析时, 偏于安全考虑屋盖结构在-15℃与45℃极端环境温度下及环境温度等于构件开始安装温度时, 结构最大应力随施工合拢温度取值不同的变化关系, 如图7所示。

　　 图7中曲线1为环境温度等于构件开始安装温度时结构最大应力与合拢温度关系曲线。音乐厅钢屋盖构件开始安装时环境温度为13.9℃, 因此曲线1为环境温度为13.9℃时结构最大应力与合拢温度之间的关系曲线, 由曲线1可知, 音乐厅钢屋盖结构在环境温度为13.9℃时随着合拢温度的升高结构最大应力先减小后增大, 合拢温度为5℃时结构最大应力达到最小值94.8MPa, 合拢温度超过5℃时随着合拢温度的升高结构最大应力有较缓慢的增长趋势。

　　 图7中曲线2为在-15℃低温环境下结构最大应力与合拢温度关系曲线。由图7中曲线2可知, 结构在低温合拢时结构最大应力较小。随着合拢温度由-20℃逐渐升高至40℃时, 结构最大应力先缓慢增大, 合拢温度为20℃时结构最大应力为131.8MPa。合拢温度超过20℃时构件最大应力随着合拢温度的升高增长较快。

　　 图7中曲线3为45℃高温环境下结构最大应力与合拢温度关系曲线。由图7中曲线3可知, 随着合拢温度的升高结构最大应力逐渐减小, 合拢温度由-20℃升高至20℃时结构最大应力减小较快, 合拢温度为20℃时结构最大应力为177.7MPa。合拢温度超过20℃, 由20℃增长至40℃时结构最大应力有极小的增长。

　　 分析支座反力随着合拢温度的变化关系, 本节仅给出9个支座的支座反力随合拢温度的变化曲线。1号与9号支座分别为图3中 (A) , (B) 轴线所对应斜柱下支座, 2～8号支座分别对应由 (A) 轴顺时针到 (B) 轴线处的7个支座。图8与图9分别给出了环境温度为构件开始安装温度即13.9℃时1～9号支座竖向反力及水平反力与合拢温度关系曲线。

　　 由图8可知, 随着合拢温度的升高, 2, 3号支座竖向反力逐渐增大, 其余7个支座竖向反力逐渐降低, 各支座竖向反力变化趋势不一致。2, 3号支座竖向反力随着合拢温度的升高增长较快, 而其余7个支座随着合拢温度的升高减小趋势较为缓慢。

　　 由图9可知随着合拢温度的升高, 2, 3号支座水平反力F (水平反力$F=\sqrt{F{}_{\text{x}}{}^2+F{}_{\text{y}}{}^2},F{}_{\text{x}},F{}_{\text{y}}$分别为支座处X, Y向的水平反力) 基本不发生变化, 其余7个支座水平反力F先减小后有缓慢增大的趋势。绝大部分支座水平反力F在合拢温度为20℃左右时达到最小值, 因此对整体结构而言, 选择20℃左右的合拢温度有利于减小各支座水平反力, 从而减小结构支座在正常使用过程中的负担。

　　 由前面分析可知, 无论是在高温或低温极端环境下, 合拢温度为20℃时, 结构最大应力变化趋势将会发生较大变化。曲线1结构在13.9℃环境温度下合拢温度由5℃变化至20℃时结构最大应力几乎不发生改变。同时在环境温度为13.9℃时, 随着合拢温度的升高列举的9个支座中7个支座竖向反力逐渐减小, 2个支座竖向反力存在增大的趋势, 各支座水平反力随着合拢温度的升高先减小后增大, 在20℃左右的合拢温度下绝大部分支座水平反力达到最小值。

　　 综合考虑不同环境温度下, 结构最大应力随合拢温度的变化规律及结构在环境温度为13.9℃时支座反力随合拢温度的变化关系, 建议江苏大剧院音乐厅钢屋盖施工合拢温度为10～20℃, 以指导实际工程的施工。

　　 由前期的施工安装方案研究^[8]可知, 音乐厅钢屋盖施工安装时分别在斜柱、顶环梁、内环梁、屋面拉梁4个部分设置不同的临时支撑, 施工合拢后临时支撑采取火焰切割法卸载, 分区域分步骤拆除。在卸载过程中对图10中K1, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9与A1, A2, A3, A4, A6共13个监测点处的结构位移进行跟踪监测, 监测到A3点Z向变形达到0.44m, 而肉眼观察现场卸载时结构的变形可知, 该点的监测数据明显有误, 因此理论计算结果同实际监测数据对比分析时剔除A3监测点数据, 表1给出了其余12个监测点卸载前后Z向位移实测值与计算值。

　　 由表1可见, 12个正常监测点中K1监测点处实测值与计算值分别为79, 65.1mm, 二者相差21.4%, K9监测点处实测值与计算值分别为6, 8.6mm, 二者相差30.2%。分析监测结果发现K1监测点处于结构内环梁上, 该点交汇杆件较多, 而K9监测点位于“7”字形斜柱拐点附近, K1, K9监测点的监测条件复杂, 由于监测条件不利造成误差较大的可能性较大。除K1及K9监测点外其余10个监测点结构Z向位移实测值与计算值吻合较好, 偏差值均在10%以内, 满足工程精度要求。

　　 (1) 音乐厅钢屋盖为新型正反壳结构体系, 温度作用对由剪刀撑及斜柱等构成的正壳的影响要大于由屋面拉梁及屋面檩条所构成的反壳的影响, 确定施工合拢温度及施工合拢线时可主要针对由斜柱、剪刀撑等组成的正壳部分。

　　 (2) 音乐厅钢屋盖无论是在低温还是高温环境中, 结构最大应力在20℃合拢温度时发生突变。环境温度为13.9℃时随着合拢温度的升高结构最大应力先减小后增大, 在合拢温度为5℃时达最小值94.8MPa。

　　 (3) 环境温度为13.9℃时, 随合拢温度的升高9个支座中7个支座竖向反力逐渐减小, 2个支座竖向反力存在增大趋势;除2, 3号支座外, 其余支座水平反力随着合拢温度的升高先减小后增大, 在20℃左右合拢温度下绝大部分支座水平反力达到最小值。综合结构最大应力与支座反力随合拢温度的变 化曲线确定音乐厅钢屋盖施工合拢温度为10～20℃, 以指导实际工程的施工。

　　 (4) 理论计算与实际监测对比分析可知, 本文采用MIDAS/Gen软件所构建的计算分析模型及所选计算分析方法是可行的, 理论计算结果与实际监测结果虽不完全一样, 但足以满足工程精度要求。