宜兴文化中心位于宜兴市东氿新城启动区核心位置, 交通便利, 景观资源优越, 东邻东氿、西邻东氿大道、南至解放东路、北至规划道路, 是包括大剧院、科技馆、博物馆、美术馆、图书馆及配套商业在内的公共文化建筑。大剧院主入口门厅位于1层西侧, 包含售票、问讯、存衣等功能, 通过大台阶可到2层东侧的休息厅;演出后勤用房主要布置在1层东侧、舞台两侧。地下室主要为车库、机房和舞台机坑。宜兴大剧院效果如图1所示, 大剧院典型钢结构截面如图2所示。

1) 施工过程复杂大剧院施工过程涉及混凝土浇筑和拉索张拉2个主要的施工阶段, 施工过程中结构受力特点与设计使用状态并不相同, 施工过程对结构整体受力、局部杆件内力和结构变形有较大影响, 同时施工过程中不可预见的可变因素较多, 如不加以分析控制, 必将影响施工过程中结构的安全以及成型后整体结构的安全。

2) 监测难度大由于大剧院钢结构形式复杂、跨度大、监测范围覆盖广、钢构件上测点布置条件差、现场干扰因素较多, 因此监测难度非常大。钢桁架的应力测点布置如图3所示。

1) 分析软件^[1,2,3]采用大型通用有限元软件ANSYS, 考虑结构具有双重非线性 (几何非线性和材料非线性) 。

2) 单元类型钢结构构件采用Beam188梁单元;拉索采用仅受拉的Link10单元。

3) 材料特性钢材弹性模量为2.06×10⁵MPa, 泊松比为0.3, 温度膨胀系数为1.2×10^-5;拉索弹性模量为1.3×10⁵MPa, 泊松比为0.3, 温度膨胀系数为1.8×10^-5。

4) 荷载条件根据施工过程考虑结构自重, 钢构件的密度为7.85×10³kg/m³, 考虑缀板拼接, 乘以1.2的放大系数;拉索的密度为7.85×10³kg/m³, 考虑索皮质量, 乘以1.1的放大系数。

本次钢屋盖施工分为3个阶段:第1阶段为钢屋盖上一侧浇筑混凝土后, 各钢桁架及钢框梁在荷载作用下;第2阶段为钢屋盖上部全部浇筑混凝土, 此时钢屋盖底部钢桁架及钢框梁所受的荷载包括钢屋盖的自重、浇筑混凝土的自重以及施工荷载;第3阶段为钢屋盖上部混凝土的找平。

1) 工况1屋盖一侧浇筑混凝土后的受力状态 (钢桁架、立柱、屋面钢筋桁架楼承板安装, 混凝土只浇筑了一侧、拉索未张拉) 。

约束情况:GHJ-C (钢框架) 两端固定, GHJ-D右侧上弦水平释放, 其余上下弦固定, 不安装临湖幕墙框架与GHJ-D之间的斜腹杆。

恒荷载为钢筋桁架楼承板自重+钢结构自重。

2) 工况2屋盖混凝土浇筑完成后的受力状态 (钢桁架、立柱、屋面钢筋桁架楼承板安装, 混凝土浇筑完成、拉索未张拉) 。

约束情况:GHJ-C两端固定, GHJ-D右侧上弦水平释放, 其余上下弦固定, 不安装临湖幕墙框架与GHJ-D之间的斜腹杆。

恒荷载为钢结构自重+钢筋桁架楼承板+130mm厚混凝土板 (3.25k N/m²) 。

3) 工况3屋盖混凝土浇筑完成后的找平 (钢桁架、立柱、屋面钢筋桁架楼承板安装, 混凝土浇筑完成、拉索未张拉) 。

约束情况:GHJ-C两端固定, GHJ-D两端上下弦均固定, 临湖幕墙框架与GHJ-D之间的斜腹杆安装完毕。

恒荷载为130mm厚混凝土板 (3.25k N/m²) 、保温+防水 (2.0k N/m²) 、找平层 (3.6k N/m²) 。

1) 工况1钢屋盖竖向位移如图4所示。钢结构最大变形和应力统计如表1所示。通过图4及表1可以发现钢屋盖在自重荷载作用下, 钢桁架的最大竖向位移达33.78mm, 钢框梁的最大竖向位移达10.61mm, 柱的竖向位移很小, 最大为3.43mm。最大拉应力出现在GHJ4~GHJ7上, 最大达86.20MPa。最大压应力出现在GHJ-C上, 最大为-86.94MPa。

2) 工况2钢屋盖竖向位移如图5所示, 钢结构最大变形和应力统计如表2所示。

通过图5及表2可以发现钢屋盖上部浇筑混凝土后, 钢桁架的最大竖向位移可以达到61.94mm, 钢框梁的最大水平位移达15.41mm, 柱的竖向位移略有增大, 最大竖向位移达5.32mm。最大拉应力仍出现在GHJ4~GHJ7上, 为120.20MPa。最大压应力也出现在GHJ4~GHJ7上, 为129.54MPa。

3) 工况3钢屋盖竖向位移如图6所示, 钢结构最大变形和应力统计如表3所示。

通过图6及表3可以发现钢屋盖在混凝土浇筑完成后, 找平层及保温防水施工对钢屋盖变形及位移的影响。待钢屋盖的找平层施工完成后, 钢屋盖的竖向最大位移达64.03mm, 钢框梁的最大水平位移达28.86mm, 柱的竖向位移略有增大, 最大竖向位移达8.58mm。最大拉应力出现在GHJ-C上, 为163.34MPa。最大压应力出现在GHJ13~GHJ16上, 为152.14MPa。

工程应力监测包括施工阶段和使用阶段, 周期相对较长, 且施工期间各工种相互交叉, 测试环境相对复杂, 综合以往工程监测经验, 选用振弦式传感器进行结构应力监测, 采用振弦式应变计进行应变测量。

对屋顶钢结构的变形采用全站仪进行测量 (见图7) 。在场地周围设3~4处稳定的测量基准点, 每次测量时, 以基准点的坐标和高程为不动点, 采用极坐标法测出结构上测点的空间三维坐标, 前后2个坐标测量值之差即为测量期间结构的变形值;当前测量值与初始值之差为自测量开始的累计变形量。

钢屋盖没有浇筑混凝土时, 监测的数据较小。实测时, 待东面的混凝土浇筑完毕后进行测量, 将该情况下的数值作为实测工况1, 如表4所示。

根据实测数据发现, 东面混凝土浇筑完毕后最大下挠约26mm, 出现在GHJ5跨中, 与理论计算值相符, 东面其余测点位移与计算值也基本相符。

通过对比可发现, 东面混凝土浇筑完毕后钢结构应力增量普遍小于计算结果, 最大值出现在GHJ-C支座处, 为17.922MPa。应力小于有限元计算值的主要原因是东面混凝土板浇筑完毕后很快形成刚度, 其质量通过板自身传到混凝土梁和柱, 导致钢结构应力增量较小。

工况2的实测值与理论计算值对比如表5所示。

根据实测数据发现, 混凝土浇筑完毕后最大下挠约61.94mm, 出现在GHJ5跨中, 与理论计算相符, 其余测点位移与计算值也基本相符。

通过对比可发现, 浇筑混凝土后钢结构应力增量普遍小于计算结果, 最大值出现在GHJ13-5处, 即GHJ13跨中, 为-25.62MPa。此时钢屋盖上部第1层混凝土全部浇筑完毕, 由于混凝土初凝时间较短, 所以浇筑的混凝土很快形成刚度, 减小了对屋盖底部钢桁架梁的作用, 从而导致实测值小于计算值。

工况3的实测值与理论计算值对比如表6所示。

根据实测数据发现, 混凝土浇筑完毕后最大下挠约60mm, 出现在GHJ5跨中。与理论计算相符, 其余测点位移与计算值也基本相符。

通过对比可发现, 混凝土浇筑后钢结构应力增量普遍小于计算结果, 最大值出现在GHJ14-8处, 即GHJ14与Z14相连处, 为-43.67MPa。应力较小的原因是随着时间推移, 底部混凝土刚度进一步增大, 已经能够承受上部混凝土的部分荷载, 荷载直接传给混凝土梁和柱, 导致钢结构应力小于计算值。

1) 利用有限元软件ANSYS建立宜兴大剧院钢屋盖的计算模型, 该模型考虑了几何非线性和实际边界约束情况。计算表明, 钢屋盖最大等效应力为163.34MPa, 出现在GHJ-C跨中, 此时混凝土全部浇筑完毕, 满足设计的杆件承载力要求;在混凝土浇筑时, 钢桁架的挠度逐渐增大, 钢结构的最大挠度为64.03mm, 约为相应跨度的1/1 562, 位于GHJ5跨中, 远小于GB50017—2003《钢结构设计规范》要求控制挠度的1/400。

2) 施工全过程中的钢结构施工模拟表明, 宜兴大剧院钢结构的最大拉应力为163.34MPa, 出现在GHJ-C支座处;最大压应力为152.14MPa, 出现在GHJ14与Z14相连处。各关键部位的应力值均小于材料屈服强度300MPa, 满足设计规定的强度要求。

3) 施工全过程钢结构的变形监测表明, 宜兴大剧院钢结构的最大挠度为61.94mm, 约为相应跨度的1/1 667, 满足设计规定的变形控制值。

4) 通过对比现场监测数据发现, 混凝土在浇筑完毕后, 很快形成一定的刚度, 从而应力监测结果较理论计算结果小。