江苏大剧院是一个集演艺、会议、展示、娱乐等功能为一体的大型文化综合体,地处长江之滨的南京河西新城核心区,并位于河西中心区东西向文体轴线西端。基地净用地面积共19.663 3万m²,总建筑面积271 386 m²,建筑高度47.3m。建筑效果如图1所示。

江苏大剧院工程主要包括歌剧厅、音乐厅、戏剧厅、综艺厅4个单体工程。其中,4个单体结构类似,外罩钢结构由斜柱、摇摆柱、中环梁、顶环梁及内凹顶盖的钢拉梁与环梁等主要部分组成。

斜柱柱底为双向球铰支座,支承于下方钢骨混凝土框架柱顶上,混凝土柱顶设大截面混凝土环梁拉结形成的框架体系。斜柱采用变截面箱形构件,柱底标高12m(综艺厅为6m)。部分区域设圆管截面摇摆柱以支撑斜柱,摇摆柱柱底搁置于下方混凝土框架柱或剪力墙上。标高27.000m处和顶部弧面边缘分别设大截面圆管的中环梁和顶环梁,并在外罩表皮内布置斜撑和屋面系杆,形成空间受力的单层网壳体系。内凹顶盖采用径向布置的H形截面钢拉梁和若干道圆管截面环梁组成,钢拉梁与顶环梁采用铰接连接。此外,斜柱沿各楼层高度设置牛腿和滑动支座,用以搁置室内混凝土楼面。歌剧厅结构如图2所示。

根据江苏大剧院屋盖钢结构的结构设计和施工特点,对下列构件进行监测。

中环梁是整个结构体系中至关重要的构件,与斜柱组成结构体系,需进行施工和使用阶段的钢梁应力、应变和位移监测。

顶环梁外形、受力复杂,标高随轴线位置变化,与斜柱和屋盖交汇,需进行施工和使用阶段的钢梁应力、应变和位移监测。

顶盖在施工和使用阶段会承受较大荷载,需监测其位移和应变。

在上下两端通过节点分别与屋盖环梁和中环梁连接,中间与摇摆柱相连,需进行施工和使用阶段斜柱应变发展的监测。

按测试要求,将监测分解成结构应力测试和变形测试2部分,分别进行监测方案设计。

屋盖钢结构竖向变形是江苏大剧院监测的主控因素,采用全站仪对预设测点进行测量。

以音乐厅为例,其环梁和顶盖变形监测点数量如表1所示。

图3中圆形标记为施工阶段测点,三角形标记为施工阶段及使用阶段测点。

各测点在卸载完成后的测量结果如表2所示。

实测数据发现,临时支撑卸载后最大下挠64mm,出现在顶盖中心点11处。除个别点存在测量误差外,实测结果与理论计算变形规律基本相符。

根据江苏大剧院钢结构屋盖的结构设计和施工特点,对下列构件(音乐厅为例)进行施工阶段和使用阶段应力、应变变化及大气温度变化下的应力变化监测。

1)中环梁和顶环梁各选取3个截面进行应力监测,根据有限元分析结果,测点布置如图4a所示,其中双实线表示施工阶段和使用阶段长期测点,单实线表示混合采用振弦式应变计与长标距光纤传感器(下同)。

2)屋盖拉梁受力以轴力为主,因此选取3个截面,每个截面在上、下翼缘各粘贴1个振弦式应变计;屋盖拉梁中心环节点受力复杂,选取其上、下翼缘各粘贴3个应变计;顶盖环梁受力复杂,选取2个截面,每个截面布置4个测点,如图4b所示。

3)根据计算结果,选取典型斜柱XZ3a02,XZ3a12和XZ3a17作为重点监测对象,共选取11个截面进行现场监测,每个截面布置4个应变计。斜柱XZ12测点布置如图4c所示。

应力监测点数量如表3所示。

各测点在卸载完成后的应力监测结果如表4所示。

通过测量和理论计算结果对比可以发现,全部卸载后对整体钢结构应力影响较为显著,斜柱作为屋盖竖向传力体系中的主要受力杆件以压弯受力为主,其监测点应力较其他部位监测点数值明显偏大(-52.8~50.7MPa),但处于合理应力范围内,未超过预警值-150~150MPa。其他部位的监测点也反映了上述现象,均未超出预警值。从实测值与理论值的比较来看,最大应力相差23.6MPa,整体相差较小。

对江苏大剧院外罩钢结构卸载过程的监测和理论分析可得出以下结论。

1)江苏大剧院监测点的布置能够较好地反映结构受力的特点部位,通过对仿真结果选取的关键位置的杆件进行全程施工监测,可准确、实时地掌握结构的内力变化和受力状态,从而确保整个结构的安全。

2)通过理论分析和实测结果可以看出,江苏大剧院工程关键监测点和关键部位的选取是合理的,且对施工过程中的结构安全判断是有效的。