陕西大剧院观众厅屋面为仿古建筑造型, 其刚劲有力的斗栱, 宽展明快的檐角, 错落有致的屋脊以及上、下2层重檐再现了唐代古建筑之美。项目效果如图1所示。

屋盖部分包括观众厅仿古屋盖及舞台厅仿古屋盖, 均采用钢桁架结构形式 (见图2a) 。观众厅屋盖长62.5m, 宽40.5m, 由5榀主桁架、次桁架及钢梁构成, 主桁架为双层三角桁架 (见图2b) , 桁架长32m, 宽2.4m, 最大高度12.4m;舞台厅屋盖长43.4m, 宽33.8m, 由5榀主桁架、次桁架及钢梁构成, 主桁架为单层倒三角桁架 (见图2c) , 桁架长25.8m, 宽2.5m, 桁架最大高度6m。

钢结构施工时, 现场有如下特点。

1) 大剧院位于市区商业中心, 现场场地紧张, 周边房屋布置密集。

2) 2片钢屋盖跨度大, 下部空间为混凝土看台, 不具备施工机械进入结构内部的施工条件。

3) 现场布置6台塔式起重机。

考虑以上因素对钢结构施工的影响, 如采用桁架吊装的施工方法, 吊装机械只能在结构外侧吊装, 吊装半径大, 且现场不具备桁架拼装的场地条件, 故选择桁架高空拼装、累计滑移的施工方法。

高空拼装能充分利用现场已有塔式起重机, 且高空拼装平台设置在混凝土结构上部, 拼装不占用现场场地, 且通过合理分段, 现场可直接利用塔式起重机吊装, 无须新增施工机械 (见图3) 。

观众厅钢屋盖桁架部分采用累计滑移施工, 两侧挑檐在屋盖主体滑移就位后再进行安装。钢屋盖共有5榀主桁架 (ZHJ1~ZHJ5) , 共进行4次滑移。

根据钢屋盖下部土建结构特点, 沿?轴及?轴设置滑移轨道, 滑移轨道长44m, 其中 (15) ~ (18) 轴轨道设置于新增轨道梁上, (18) ~ (20) 轴轨道设置于混凝土梁上, 同时沿○1/18~ (20) 轴设置滑移操作平台 (见图4a) 。

钢结构施工时, 首先在高空滑移平台上拼装第1榀桁架与第2榀桁架及之间次桁架和钢梁, 形成稳定体系后进行第1次滑移;滑移1个柱距后, 2区、3区以及4区依次进行拼装并进行第2次、第3次、第4次滑移;第4次滑移结束后, 桁架依次完成卸载及塞装成品支座;最后吊装两侧挑檐结构。

舞台厅屋盖桁架同样采用累计滑移施工, 两侧挑檐在屋盖主体滑移就位后再进行安装。钢屋盖5榀主桁架共分为6个滑移单元, 进行6次滑移。

根据钢屋盖下部土建结构特点, 沿 (10) 轴及 (13) 轴设置滑移轨道, 轨道直接设置于混凝土梁上部, 轨道长40m, 同时在?~○C/2轴设置滑移操作平台 (见图4b) 。

钢结构施工时, 首先拼装第1榀桁架及前部次桁架, 使其成为空间刚度单元, 同时为防止其倾覆, 沿轨道位置设置防倾覆构造;两侧挑檐则在桁架滑出操作平台后进行安装;第1个滑移单元滑移完成后, 拼装第2个滑移单元并依次滑移, 6次滑移结束后依次进行桁架的卸载及塞装成品支座, 最后吊装两侧挑檐结构。

钢屋盖在滑移安装过程中, 其结构的约束条件与设计状态有所不同。为指导本工程现场施工的实施, 需要对结构施工过程进行模拟分析。

荷载为结构构件自重, 考虑节点等质量, 分项系数取1.2, 滑移施工的动力系数取1.1, 通过模拟对原结构强度及变形进行评估, 结果如表1所示。

本次滑移采用2条滑轨进行累计滑移施工, 滑移施工过程中, 由于安装精度、顶推器的差异、结构刚度以及施工不确定性因素的影响, 可能会产生2条轨道滑移的不同步性。因此为了保证结构在滑移过程中的安全性, 需要考虑滑移过程中的不同步性对结构的影响。

计算模拟时, 在结构滑靴位置设置竖向约束, 并对滑靴位置施加多折线弹性约束 (见图5) , 模拟摩擦力, 使其最大约束反力为滑靴滑动摩擦力 (摩擦系数取0.2) , 在每侧顶推点上分别施加Δ=50mm (滑移设备允许最大不同步值) 的支座强制位移作为不同步滑移工况。

根据计算结果, 在滑移过程及不同步滑移分析中各杆件应力比最大为0.47 (<1) ;屋顶桁架结构在安装过程中满足强度、刚度及设计要求, 施工过程安全合理。

观众厅滑移拼装平台为阶梯形框架结构, 平面尺寸为31.6m×11.4m, 高8.85m;舞台厅滑移平台平面尺寸为25.4m×6.5m, 高15.6m;平台主要由圆管柱及H型钢梁构成, 为充分利用已有土建结构, 圆管柱及钢梁均通过预埋件连接于混凝土结构上。

根据桁架拼装对接处胎架位置设置平台主梁, 使胎架落于主梁上, 同时根据桁架结构特点将拼装平台设计为阶梯形, 如图6所示。

第1次滑移单元 (即第1, 2榀桁架) 拼装时, 2榀桁架荷载均由平台承载, 后续滑移单元拼装过程中平台均承载1榀桁架荷载。故平台设计阶段考虑2种情况: (1) 第1次滑移单元拼装; (2) 其余滑移单元拼装, 平台施工荷载取2k N/m², 分别对2种情况进行有限元分析, 结果如表2所示。

根据表2可知, 平台变形均<L/600, 且应力比均<0.85, 满足滑移施工要求。

本项目屋盖桁架为倒三角双层空间桁架, 高空拼装时, 首先搭设胎架散件拼装桁架下层 (见图7) , 桁架上层杆件在地面拼装成单元后依次进行拼装, 不设支撑胎架。

观众厅屋盖滑移轨道梁设置于混凝土柱之间, 轨道梁采用H型钢截面, 上翼缘与混凝土柱顶齐平;同时在柱顶埋件两侧设置牛腿与轨道梁连接。舞台厅滑移轨道设置于混凝土梁上部并通过预埋件与混凝土梁连接, 不额外增设轨道梁。

观众厅及舞台厅主桁架支座均采用双向滑动铰支座, 滑动铰支座高200mm, 考虑滑移需要, 支座在结构整体滑移施工完毕后再进行塞装。为保证滑动铰支座的塞装空间以及顶推器的角度, 轨道上部滑靴高度为80mm, 轨道高度为140mm, 轨道+滑靴总高度为220mm, 满足滑动铰支座的安装。

顶推器在滑移施工过程中, 顶推点至轨道面所需高度为530m, 桁架下弦杆中心线距轨道上表面高470mm, 不满足顶推器对竖向空间的要求。为满足顶推器空间要求, 将顶推器上部桁架弦杆由单杆更改为双杆, 双杆中间净距360mm。

滑移时观众厅单个顶推点最大顶推力为338k N, 舞台厅单个顶推点最大顶推力为425k N, 由于顶推力较大, 顶推点为滑移过程中关键部位, 采用ANSYS对顶推点进行有限元分析, 分析结果如图8, 9所示。

观众厅顶推节点最大应力σ_1max为拉应力, σ_1max=233MPa (<295MPa) , 产生于下弦杆单管变双管位置, 最大变形约1.7mm, 满足规范要求。

舞台厅顶推节点最大应力σ_2max为拉应力, σ_2max=194MPa (<295MPa) , 产生于下弦杆单管变双管位置, 最大变形约2.7mm, 满足规范要求。

1) 根据计算结果确定液压顶推器所需的伸缸压力 (考虑压力损失) 和缩缸压力, 待液压顶推系统设备检测无误后开始滑移。

2) 开始滑移时, 液压顶推器伸缸压力逐渐上调, 依次为所需压力的40%, 60%, 在一切正常的情况下, 可继续加载到80%, 90%, 100%。

3) 钢结构滑移单元刚开始有移动时暂停顶推作业, 保持液压顶推设备系统压力, 全面观察各设备运行及滑移结构的情况, 如液压顶推器、滑靴、纵向连系杆件等, 检查并记录结构的变形情况以及整体稳定性。

4) 在一切正常情况下, 将结构向前滑行200~500mm后停止, 对液压顶推器、液压泵源系统、计算机控制系统、结构系统、滑道系统、支承系统、传感检测系统等进行全面检查, 并做检查记录, 在确认整体结构稳定及安全情况下, 才能开始正式顶推滑移。

本文介绍了仿古建筑钢桁架屋盖滑移施工的关键技术, 以及针对滑移施工所设计的施工措施, 包括针对现场场地小而设计的高空滑移平台, 充分利用塔式起重机的高空散装以及针对滑移顶推器与桁架支座空间小而采取的处理方法等, 此施工方法解决了施工现场场地狭小、不具备桁架地面拼装条件、现场不具备大吨位起重机进场条件等问题, 为类似仿古建筑钢桁架屋盖施工提供了一种思路。