广西文化艺术中心钢结构由3个山形拱桁架屋盖和半山处的云状平面交叉桁架组成 (见图1) , 寓意广西特有的“喀斯特”山、水、云的地貌特征。大剧院共32榀拱桁架, 音乐厅共24榀拱桁架, 多功能厅共20榀拱桁架, 雨棚共165榀平面桁架和3榀空间四弦环桁架及3个单体之间互相连接的3榀联系桁架。各单体拱桁架间存在连接单片拱桁架的水平支撑、上下弦支撑等。整体结构长度方向最大214m, 宽度方向最大206m, 其中大剧院结构标高最大56.850m, 最大跨度116.8m;音乐厅结构标高最大50.150m, 最大跨度81.0m;多功能厅结构标高45.650m, 最大跨度70.38m。用钢量约6 750t, 其中预埋钢骨350t, 钢屋盖桁架6 400t。建筑钢结构体系如图2所示。

1) 钢结构卸载缺乏理论计算依据, 个别临时支撑失效时剩余临时支撑的变形情况无法得知。

2) 卸载过程极易出现结构变形不同步, 从而产生不可觉察的应力, 对结构安全不利, 难以保证卸载施工的安全。

3) 卸载过程中荷载平稳转移、变形协调难度大。

4) 拱桁架及平面交叉桁架空间跨度大, 导致监测点数量多、分布广、监测工作量大, 监测过程难以控制。

合理的卸载顺序对保证钢结构从支撑状态过渡到工程实际状态的安全尤为重要, 钢结构工程施工前均需对卸载顺序进行必要分析。

分析单壳体, 支撑分为内圈支撑和外圈支撑, 每榀拱桁架一般分为3～6段 (见图3) 。

1) 支撑体系整体卸载

结构体系两端部通过大直径销轴支座铰接嵌固于混凝土结构中, 其靠近拱脚位置变形较小, 中间区域变形最大, 因变形不同采用整体卸载会导致因结构变形不同步而产生不可觉察的应力, 对结构的安全不利。因此支撑体系整体卸载不予采用。

2) 支撑体系分段卸载

因内圈支撑和外圈支撑上部拱桁架变形的不同步, 采用支撑体系分段卸载, 先卸载内圈较大变形的支撑, 然后卸载外圈变形较小的支撑。

卸载分为2步:[1]第1步分别卸载单壳体的格构柱支撑;[2]第2步卸载平面悬挑桁架的格构柱支撑。对某个单壳体进行分析计算。

所有临时支撑胎架均参与支撑作用, 位移及受力分析如表1、图4所示 (图4中U₁, U₂, U₃为点局部坐标轴方向的平动位移, 单位:mm;R₁, R₂, R₃为点局部坐标轴方向的转角, 单位:rad) 。

采取分级等距同步方法拆除临时格构柱支撑。每个拆撑行程为5mm, 所有千斤顶同时拆撑, 每个点行程相同, 千斤顶随拆撑过程逐步退出工作, 将屋盖结构转换至自由受力状态。此过程中, 千斤顶受力较均匀, 没有大的内力突变, 而且施工现场利于操作, 拆撑过程结构受力合理, 易实施。

由图4、表1可知, 单壳体屋盖钢结构拆撑过程结构受力合理, 满足要求。

在实际卸载过程中, 可能会出现某个临时支撑突然失效的情况, 根据相关资料, 个别支架在卸载阶段退出工作, 其他支架反力增大较明显。考虑最大反力点失效, 其邻近支架反力增大约10%, 考虑最大反力邻近点失效, 其最大反力增大约5%。故选取反力最大的临时支撑相邻的临时支撑失效时的情况进行验算。失效的临时支撑所受的力由与其相邻的临时支撑承担。由卸载阶段的整体计算模型可知, 在第1步卸载后, 临时支撑的反力最大, 即杆件378的临时支撑反力最大, 假定临时支撑378在工作时失效, 原来由杆件377承担的荷载由与之相邻的临时支撑承担。由临时支撑378失效后的反力与所有临时支撑共同作用时的内力比较可知:轴向力变化较小, 基本由拱桁架分担, 对其他支撑影响不大。所以在个别临时支撑失效后, 钢桁架构件满足要求。临时支撑失效后剩余临时支撑反力如表2所示。

1) 按单体分别卸载, 单体内支撑点从拱桁架跨中向支座方向分步、分批次卸载。

2) 卸载3个单体与联系桁架围成的内圈格构柱支撑, 外圈从第1个格构柱支撑沿顺时针、逆时针2个方向分批卸载。

3) 卸载平面交叉桁架时, 非悬挑区域同步卸载, 其理论下挠值为Z, 分3次卸载, 每次下降Z/3。悬挑区73组格构柱支撑按照安装顺序依次卸载, 且支撑随中间格构柱支撑用气割同步割除, 每次割除Z/2, 2次割除完毕。如考虑分段卸载, 则2个相邻桁架间联系杆件预留。

拆撑按照等比例或等量微量下降的原则实现荷载平稳转移。顶升和卸载采用20t液压千斤顶。每个卸载点的千斤顶附近均需设置每格10mm刻度线的立杆, 最大行程140mm, 严格控制千斤顶下降行程。

卸载支撑前, 需利用千斤顶将支撑点处的弧形垫块顶起, 然后逐步抽掉两侧垫块, 实现卸载。各点顶升后, 检查每个点的间隙情况, 记录结果, 以备分析。卸载时利用千斤顶下降, 将下弦杆托架脱离上部结构, 实现结构卸载, 后续拆除格构柱柱头、格构柱等临时措施, 实现结构卸载。卸载工况如图6所示。

为对结构在卸载过程中的安全状况进行评估, 对大应力杆件的应力、应变进行监测。卸载前对所有卸载点标高进行测量, 选出部分点 (大应力杆件) 的应力、应变作为卸载过程监测点, 随时监测监测点卸载前、卸载过程中、卸载后的绝对标高值, 作为屋盖下挠控制数据。

1) 壳体钢结构卸载监测

每榀拱桁架因跨度均>24m, 每榀桁架应至少设置3个监测点对标高及坐标进行监测, 在跨中和距支座1/4跨位置, 每个壳体布置72个监测点, 如图7所示。

2) 平面交叉桁架卸载监测

跨度24m以下钢网架结构应测量下弦中央一点, 跨度24m以上钢网架结构测量下弦中央一点及各向下弦跨度的四等分点。

对于平面交叉桁架, 投影面积大, 桁架数量众多, 可进行特征点监测, 如图8所示。

3) 监测点要求

监测点设置反光贴, 利用全站仪进行测量, 共需测量5次。每次均应做好记录。监测时间安排如表3所示。

卸载后下挠值不得大于设计值的1.15倍, 当发现卸载过程中下挠值大于设计值1.15倍时, 应立即停止卸载, 提交设计计算。

广西文化艺术中心通过展开连体空间钢结构卸载技术的研究与应用, 很好地解决了室外大跨度钢结构卸载问题, 工效高、成本低, 卸载过程安全稳定。卸载一次到位, 结构变形远小于设计变形值, 质量得到有效保证。