某剧场为圆形建筑，地上一层通高，局部两层；地下一层，局部两层，最大屋面结构标高为+21.060 m，主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，屋面采用钢桁架结构。圆形屋面桁架结构由径向主桁架、环向次桁架、中间环梁以及连接梁组成；圆形屋面跨度为66 m，单榀径向主桁架长为28 m，中间环梁直径为10 m，桁架高度为5.3 m，总用钢量为600 t；主次桁架的连接为栓焊连接，桁架拼接焊缝均为全熔透一级焊缝，连接梁与主次梁采用高强螺栓连接；主桁架(HHJ)共12榀，环向次桁架(CHJ)共60榀，屋盖钢结构平面布置如图1所示。

图1 屋盖结构平面布置

常规的桁架吊装方案有整体提升安装法、整体吊装安装法、高空散装法、滑移施工法、折叠展开安装法等。由于该项目跨度大，构件重量大、数量多，且内有观演平台设施，故不宜采用整体安装法和滑移施工法；而采用高空散装法对施工机械的数量和工期要求较高，影响项目的经济效益。为了解决本项目大跨度、大吨位施工难题，最终决定采用主、次桁架分片整体吊装、环梁和连接梁高空散装的施工工艺，减少了高空焊接量，且拼装质量和焊接质量易于保证。

分片整体吊装法将圆形屋面划分为4个单元，如图2所示；每个单元有4榀主桁架和15榀次桁架，单个单元质量共计120 t；采取就近原则，每个单元现场拼装完成，利用500 t履带吊依次将4个分区拼装成整体的桁架，完成结构单元吊装。

图2 屋盖结构单元划分

每榀主桁架结构外围有混凝土支座，预先在环梁下弦部位设置格构式支承胎架，支承胎架作用于基础底板上。由钢柱及缀条组成的支承截面为2000 mm×2000 mm的组合格构式胎架4根,格构式胎架如图3所示，经计算单个胎架架体总高度为21.2 m时承受竖向极限荷载为2100 kN，满足现场施工荷载要求。格构式胎架沿圆形环梁下弦四等分布置。利用塔吊吊装、现场焊接中间环梁部分，待各单元桁架主体结构之间连接完成后，利用塔吊吊装完成连梁和屋面结构的施工。

图3 装配格构式钢管支承胎架

4个单元结构依次吊装完成后再进行各单元之间的焊接连接，待连系梁吊装、安装完成后开始支承结构的卸载工作。卸载过程中结构由支承受力状态转为自身结构受力状态。大跨空间结构受力较复杂，需要计算结构杆件的内力重分布过程，所以支承体系的卸载方法非常关键；通过预先结合有限元模拟实际卸载过程中结构的受力状况来布置实际的施工卸载方案和注意事项。

由于本项目胎架数量少，采取依次卸载单个胎架的顺序；卸载方案分为4个工况(工况1：卸载胎架1；工况2：卸载胎架2；工况3：卸载胎架3；工况4：卸载胎架4)。卸载原则为分区、分节、均衡、缓慢；采用现场切割垫板的卸载方法，即安装阶段在每个支承胎架钢梁顶部预设5层钢垫片，每层钢垫片厚度为10 mm；每个支承胎架平台上设置2个100 t的液压千斤顶，每次切割一层垫片，同时进行限位设置，保证卸载过程不发生水平方向的较大偏移；按照卸载工况依次切割完成卸载工作。同时做好卸载过程监测，屋盖结构圆形环梁是结构受力重点区域，该位置的竖向变形是最大的；设置支承胎架接触部位的圆形环梁下弦截面点为变形监测点，分别为监测点1～4；随着切割垫片工作的开始，记录变形监测点的位置，并与模拟数值进行对比，为施工监测数据提供指导。

采用有限元软件进行整体建模，胎架采用杆单元，支承采用桁架单元，底部支座为刚接，与环梁的连接为铰接；定义胎架分步卸载，采用单元降温卸载法，设置温度单元长50 mm，设置材料的线膨胀系数为1 mm/℃，温度单元与支承点之间采用只受压的弹性连接，卸载完成后温度单元与支承点自动脱离。分析卸载过程中结构杆件的应力和竖向位移变化，图6为各个工况下杆件的应力云图，可知：各构件最大应力逐渐增大，在工况3时达到最大，为130.6 MPa，最大应力比为0.37；工况4时构件应力回落为32.5 MPa；全过程杆件应力比均远小于1。

a—工况1；b—工况2；c—工况3；d—工况4。图6 桁架杆件卸载过程应力云图 MPa

对屋面桁架结构与胎架进行整体建模以分析其卸载过程，监测点为与胎架接触的桁架下弦部位，卸载过程中胎架的应力一直增大，未卸载时胎架最大应力为76.8 MPa，之后持续增大，分别为97.7，109.9，137.1 MPa，未发生应力减小过程，支撑架未发生反弹(图7)。卸载过程中胎架发生微小的侧向位移，随后侧向位移量不断增大，最大为5.7 mm。

a—未卸载胎架(最大应力76.847 MPa)；b—卸载胎架1(最大应力97.746 MPa)；c—卸载胎架2(最大应力109.960 MPa)；d—卸载胎架3(最大应力137.127 MPa)。图7 支承胎架应力云图 MPa

图8为模拟各个工况下杆件监测点竖向位移的变化过程。分析监测点桁架竖向位移可知：4个监测点卸载过程的竖向位移较小，模拟卸载完成时位移最大值为12 mm，监测卸载完成时位移最大值为12.7 mm,施工位移监测值始终略大于模拟值。由图8可看出：首先卸载点桁架位移曲线呈线性变化，最后卸载点桁架位移曲线随着卸载过程结束会发生急剧上升；由于屋面桁架支座为橡胶支座，卸载时桁架支承胎架点附近受力不均匀，导致中间卸载胎架的桁架监测点竖向位移线呈S形，所以竖向位移呈S形曲线的结构点需要做好支承节点的限位和防倾覆设置。由于位移值远小于设计及GB 50017—2017要求的限值，该结构卸载过程具有足够的刚度和强度，结构受力稳定，满足施工要求。

图8 桁架竖向位移

某剧场屋面桁架为大跨度钢结构施工，依据实际现场条件存在一定的施工难度，介于此开展理论计算和有限元模拟工作。通过将屋面结构分单元吊装，计算出了单元结构重心位置，设计出三种吊点布置方案，依据模拟计算结果确定最优吊点布置方案。同时进行支承卸载过程模拟分析，研究得出：1)该屋面结构设计截面满足施工过程的安全性；2)拆除的胎架支承点结构竖向位移曲线呈线性上升，可判断结构受力稳定，其余支承点竖向位移曲线呈S形，越靠近首次拆除点位置，观测点的竖向位移曲线S形越明显。竖向位移呈S形曲线的结构点需要做好支承节点的限位和防倾覆设置，并应进行施工监测，依据模拟计算结果为卸载方案的实施提供依据。