隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展以及人民日益增長的美好生活的需要，一大批文化藝術(shù)中心、大劇院、市民服務中心等公共建筑逐步建設起來，同時也意味著大跨度結(jié)構(gòu)形式的應用越來越普遍。超大型鋼混凝土屋蓋因其承載能力高、跨度較大、造價經(jīng)濟節(jié)約等特點得到了越來越多的應用。然而，超大型鋼混凝土大梁的施工卻十分困難，型鋼大梁重量大、吊裝操作空間小、大劇院舞臺凈空高、支模高度高、施工危險性大等一系列難題擺在面前。因此，對超大型鋼混凝土屋蓋施工技術(shù)進行研究具有重大的理論和實踐意義。

1 工程概況

江蘇省某文化藝術(shù)中心項目為多層公共建筑，包括文化館（A區(qū)）、大劇院（B區(qū)）、淮劇團與美術(shù)館（C區(qū)）三個區(qū)域，建筑高度35.3 m，總占地面積90 607 m2，總建筑面積49 676.7 m2，其中地上建筑面積45 806.4 m2，地下建筑面積3 870.3 m2。見圖1。建筑耐火等級地上二級、地下一級，抗震設防烈度6度。

大劇院（B區(qū)）設計座位1 250個，見圖2。升降舞臺底部標高-10 m，型鋼混凝土屋蓋標高34.6 m，即型鋼混凝土屋蓋凈空高度44.6 m，共有4根型鋼混凝土大梁：最大的為WKL2，截面尺寸800 mm×2 600 mm，內(nèi)部型鋼尺寸2 100 mm×500 mm×25 mm×40 mm，型鋼長28.7 m，單根質(zhì)量22 t；WKL1有2根，截面尺寸700 mm×2 600 mm，內(nèi)部型鋼尺寸2 100 mm×400 mm×25 mm×40 mm；WKL3有1根，截面尺寸700 mm×2 650 mm，內(nèi)部型鋼尺寸2 100 mm×400 mm×25 mm×40 mm。次梁為焊接工字型鋼GL1，尺寸為800 mm×300 mm×20 mm×25 mm，次梁上部滿鋪鋼筋桁架樓承板，板厚140 mm。型鋼柱高度21.3m。見圖3。

圖1 文化藝術(shù)中心工程

圖2 大劇院（B區(qū)）建筑剖面

圖3 型鋼混凝土屋蓋平面

2 施工方案優(yōu)化

2.1 方案介紹

針對大劇院型鋼大梁重量大、吊裝操作空間小、大劇院舞臺凈空高、支模高度高、施工危險性大等特點并結(jié)合施工現(xiàn)場具體條件，提出兩種屋蓋施工方案。

方案一：大型吊車進場→吊裝型鋼柱，底部與預埋鋼板焊接牢固→大型吊車退場→綁扎型鋼柱內(nèi)部鋼筋并支?！鷿仓弯撝炷林亮旱住笮偷踯嚨诙芜M場→吊裝型鋼混凝土大梁鋼骨→吊裝次梁→大型吊車退場→搭設支撐架，綁扎型鋼混凝土大梁內(nèi)部鋼筋并支?！诖瘟荷箱佷摻铊旒軜浅邪濉鷿仓弯摶炷链罅夯炷痢鷿仓前寤炷?。

方案二：大型吊車進場→吊裝型鋼柱，底部與預埋鋼板焊接牢固→吊裝型鋼混凝土大梁鋼骨→吊裝次梁→大型吊車退場→綁扎型鋼柱內(nèi)部鋼筋并支模→澆筑型鋼柱混凝土，施工縫留在梁底部→搭設操作平臺，綁扎型鋼混凝土大梁內(nèi)部鋼筋并安裝吊模模板→在次梁上鋪鋼筋桁架樓承板→澆筑型鋼大梁混凝土→澆筑樓板混凝土。

2.2 分析與優(yōu)化

方案一是相對比較傳統(tǒng)、普遍的做法，方案二有兩個明顯優(yōu)勢：

1）大型吊車只進出場一次，進場后完成吊裝型鋼柱、型鋼大梁、次梁之后直接退場，無需二次進場，提高了大型吊車的使用效率，大大節(jié)約了大型吊車的使用成本；

2）采用吊模，省去了44.6 m高支模，只需要搭設操作平臺即可，不需要搭設承重大梁混凝土荷載的支撐架。

可見，如果方案二可行，既可以節(jié)約吊車成本，又可以省去高支模，降低安全風險，同時又能加快工期，是非常好的方案。但是，型鋼柱未澆筑混凝土前能否支撐型鋼大梁及次梁,型鋼大梁能否承受吊模荷載是需要驗證的問題。

3 施工有限元分析計算

3.1 工況

根據(jù)方案二，將大型型鋼混凝土屋蓋施工劃分為兩個施工工況進行分析計算。

工況一：吊裝型鋼柱，底部與預埋鋼板焊接牢固，吊裝型鋼混凝土大梁，吊裝次梁完成后，計算此時結(jié)構(gòu)的安全性。

工況二：型鋼柱混凝土已達到28 d齡期強度，然后澆筑型鋼大梁混凝土和樓板混凝土，此時梁、板混凝土未硬化，不能作為抗力，而要作為荷載施加在型鋼大梁上。

3.2 工況一

3.2.1 模型基本信息

未澆筑混凝土，因此只需對型鋼柱、型鋼大梁、次梁建立模型，采用MIDAS/GEN有限元軟件，梁柱采用梁單元模擬，鋼材Q345。

考慮多種荷載組合，取最不利計算結(jié)果[1]。

1）恒荷載：型鋼柱、型鋼大梁、次梁的自重。

2）活荷載：梁施工荷載標準值取1.0 kN/m。

3）風荷載：大雨、霧、大雪及六級以上大風天等惡劣天氣應停止吊裝作業(yè)[2]，因此考慮最不利風荷載五級風，風速9 m/s，基本風壓取0.05 kN/m2。

4）吊車荷載的動力系數(shù)取1.1。

考慮到型鋼柱底部與預埋鋼板焊接牢固，取所有的柱底為鉸接，即約束柱底的xyz三向位移，釋放轉(zhuǎn)動約束。見圖4。

圖4 模型及約束方式

3.2.2 計算結(jié)果

最大應力發(fā)生在WKL2型鋼大梁的跨中，為38.9 MPa，40 mm厚鋼板抗彎強度設計值取265 MPa[3]，滿足要求；型鋼梁最大豎向位移16.8 mm，樓蓋的撓度限值為1/300，即允許最大豎向位移為28 700×1/300=95.7（mm），滿足要求；型鋼柱最大水平位移8.3 mm；柱頂位移限制為1/500，即允許最大水平位移為21 300×1/500=42.6（mm），滿足要求。見圖5。

圖5 計算結(jié)果

還可以計算每根型鋼主梁吊裝完成后的安全性[4]，此處不贅述，經(jīng)計算整個施工工況一安全可靠，承載力、穩(wěn)定性均滿足要求。

3.3 工況二

3.3.1 模型基本信息

采用MIDAS/GEN有限元軟件，梁柱采用梁單元模擬，鋼材Q345，混凝土強度等級C35。

考慮多種荷載組合，取最不利計算結(jié)果[1]。

1）恒荷載：型鋼主梁、次梁的自重；140 mm厚鋼筋桁架樓承板自重，標準值25×0.14=3.5（kN/m2）；WKL1、WKL2、WKL3型鋼大梁所受恒荷載標準值，見表1。

表1 型鋼大梁所受恒荷載標準值

2）活荷載：樓板施工荷載標準值2.0 kN/m2。

3）風荷載：大雨、霧、大雪及六級以上大風天等惡劣天氣應停止吊裝作業(yè)[2]，因此考慮最不利風荷載五級風，風速9 m/s，基本風壓取0.05 kN/m2。

4）吊車荷載的動力系數(shù)取1.1。

考慮到型鋼柱混凝土已到達28 d齡期強度，施工縫留在梁底部，取梁端部為鉸接，即約束梁端的xyz三向位移，釋放轉(zhuǎn)動約束。見圖6。

圖6 模型及約束方式

3.3.2 計算結(jié)果

最大應力發(fā)生在WKL2型鋼主梁的跨中，最大應力為102.9 MPa，40 mm厚鋼板抗彎強度設計值取265 MPa[3]，滿足要求；型鋼梁最大豎向位移26.2 mm，樓蓋的撓度限值為1/300，即允許最大豎向位移為28 700×1/300=95.7（mm），滿足要求；型鋼混凝土屋蓋的水平位移基本為0，這是由梁端約束條件決定的，與實際相符，基本沒有水平位移，滿足要求。見圖7。

圖7 計算結(jié)果

吊模模板自身的承載力按JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》單獨計算，考慮新澆筑混凝土的振搗荷載，驗算模板、吊桿的強度和變形值[5]，此處不贅述，經(jīng)計算整個施工工況二安全可靠，承載力、穩(wěn)定性均滿足要求。

4 結(jié)語

1）施工方案的優(yōu)化可能需要反復進行，經(jīng)歷“方案優(yōu)化意見提出—計算驗證—方案修改—再提出”幾輪之后才能得到最優(yōu)的施工方案。

2）計算模型的荷載情況、約束條件等要最大程度與實際相符。

3）施工方案的優(yōu)化除了考慮施工的方便性，還要最大程度的安全可靠，經(jīng)濟合理。

本工程采用優(yōu)化后的方案二進行施工，取消了高大支模，省去了大型吊車的二次進場，不但大幅度降低了施工成本，而且提高了施工安全性，大大縮短了工期，降低了能耗，取得了很好地經(jīng)濟效益和社會效益，為超大型鋼混凝土屋蓋施工提供了很好地借鑒。