張偉，張文耀，楊偉，葉健

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

1 概況

結(jié)構(gòu)物的形式及功能越來(lái)越豐富多樣，并日趨大型化、復(fù)雜化。而這些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的服役環(huán)境中將受到設(shè)計(jì)荷載的作用以及各種外在因素的影響而面臨結(jié)構(gòu)的損傷積累及退化問(wèn)題，造成這些損傷和退化的可能原因有:環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等，此外加上對(duì)結(jié)構(gòu)特別是新型結(jié)構(gòu)體系認(rèn)知水平不足、施工質(zhì)量問(wèn)題、材料自身不確定等因素。特別是大空間、大跨度結(jié)構(gòu)往往投資巨大、人員密集，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞等安全事故，勢(shì)必會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失和極壞的社會(huì)影響[1，2]。為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性，必須采取必要手段，對(duì)建設(shè)或使用中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)[3，4]。

海峽奧林匹克體育中心(簡(jiǎn)稱(chēng)海峽奧體中心)體育館覆蓋鋼結(jié)構(gòu)屋蓋平面似水滴形，南北長(zhǎng)約298m，東西約152m。屋蓋北高南低，北側(cè)結(jié)構(gòu)桿件中心線(xiàn)最高點(diǎn)標(biāo)高為39.67 m，正南側(cè)端部結(jié)構(gòu)桿件中心線(xiàn)標(biāo)高為18.67 m;沿東西方向?yàn)橹虚g高，兩端低，屋蓋最低點(diǎn)標(biāo)高約為 16.2 m，結(jié)構(gòu)整體模型見(jiàn)(圖1)。整個(gè)屋蓋利用下部混凝土結(jié)構(gòu)的框架柱作為支座，分為三個(gè)區(qū)域:比賽區(qū)、觀眾大廳、訓(xùn)練區(qū)，見(jiàn)(圖2)示意圖。

其中體育館比賽區(qū)屋蓋采用四邊形環(huán)索弦支－張弦組合結(jié)構(gòu)。四邊形環(huán)索弦支結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)新型體系，由網(wǎng)格梁、斜索、下?lián)武摴芗八倪呅苇h(huán)向索構(gòu)成，通過(guò)斜索的預(yù)應(yīng)力張拉，使下?lián)武摴苁軌毫?，提高改善網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)的受力和變形性能。同時(shí)結(jié)合本工程特點(diǎn)，設(shè)置張弦構(gòu)件進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)受力性能。單重四邊形環(huán)索弦支結(jié)構(gòu)在深圳北站雨棚有所應(yīng)用[5，6]，多重四邊形環(huán)索弦支結(jié)構(gòu)在本工程此規(guī)模的橢圓形屋蓋中應(yīng)用屬首創(chuàng)，具有線(xiàn)條簡(jiǎn)單明快，用鋼節(jié)約，傳力明確的特點(diǎn)。比賽區(qū)四邊形環(huán)索弦支－張弦組合結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)布置三維視圖及立面視圖如(圖3)所示。

由于比賽區(qū)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋造型新穎、結(jié)構(gòu)形式尚屬首創(chuàng)，受力變形情況復(fù)雜，對(duì)于該結(jié)構(gòu)形式的認(rèn)知需要進(jìn)一步驗(yàn)證。為了解結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件的實(shí)際工作狀況，及時(shí)掌握體育館的工作環(huán)境、荷載變化、主要構(gòu)件的內(nèi)力分布、支座的位移狀況以及整體工作性能等方面的信息，對(duì)該結(jié)構(gòu)實(shí)施關(guān)鍵構(gòu)件及工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以部分取代傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)人工檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)的關(guān)鍵桿件的應(yīng)力狀況及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)，評(píng)估體育場(chǎng)館整體結(jié)構(gòu)的受力情況和長(zhǎng)期趨勢(shì)，對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，為既有大跨空間結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)奧體中心體育館屋蓋比賽區(qū)多重四邊形環(huán)索－張弦結(jié)構(gòu)的受力特性，考慮其在施工階段及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的受力監(jiān)測(cè)需求，整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)包括以下幾個(gè)方面[4，7]:

(1)體育館比賽區(qū)屋蓋網(wǎng)格梁關(guān)鍵截面的應(yīng)變監(jiān)測(cè);

(2)體育館比賽區(qū)屋蓋下?lián)武摴荜P(guān)鍵截面的應(yīng)變監(jiān)測(cè);

(3)體育館比賽區(qū)屋蓋的斜撐應(yīng)變監(jiān)測(cè);

(4)育館比賽區(qū)屋蓋四邊形環(huán)索中斜索索力監(jiān)測(cè);

(5)體育館比賽區(qū)屋蓋的四邊形環(huán)索中環(huán)索索力監(jiān)測(cè);

(6)體育館比賽區(qū)屋蓋的張弦梁中張弦索的索力監(jiān)測(cè);

(7)體育館比賽區(qū)屋蓋的振動(dòng)監(jiān)測(cè);

(8)體育館比賽區(qū)屋蓋的變形監(jiān)測(cè);

(9)體育館比賽區(qū)屋蓋的工作環(huán)境監(jiān)測(cè);

五是水域岸線(xiàn)和圩區(qū)管理。《條例》規(guī)定制定岸線(xiàn)利用管理規(guī)劃，明確太湖等流域重點(diǎn)河湖岸線(xiàn)劃定、利用和管理等要求，整體布局流域河湖岸線(xiàn)利用，協(xié)調(diào)防洪安全與河湖岸線(xiàn)開(kāi)發(fā)利用的關(guān)系，在這些重點(diǎn)河湖岸線(xiàn)內(nèi)興建建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)符合太湖流域綜合規(guī)劃和岸線(xiàn)利用管理規(guī)劃；《條例》規(guī)定太湖流域圩區(qū)建設(shè)、治理應(yīng)當(dāng)符合流域防洪要求，明確太湖等重點(diǎn)河湖及兩省一市行政區(qū)域邊界河道的圩區(qū)建設(shè)、治理方案在批準(zhǔn)前，應(yīng)當(dāng)征得太湖局同意，從流域?qū)用娼y(tǒng)籌區(qū)域防洪和流域防洪的關(guān)系。

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型三維圖

圖2 屋面平面尺寸及場(chǎng)館分區(qū)示意圖

圖3 比賽區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 網(wǎng)格梁及斜撐應(yīng)變監(jiān)測(cè)位置圖

圖5 下?lián)螚U應(yīng)變監(jiān)測(cè)位置圖

圖6 屋蓋變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在具體實(shí)施過(guò)程中，包含施工階段的監(jiān)測(cè)及運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)兩部分，其中施工期間不監(jiān)測(cè)索力、振動(dòng)及工作環(huán)境。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與定期檢測(cè)相結(jié)合、實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與定時(shí)離線(xiàn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的原則進(jìn)行。

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 關(guān)鍵截面的應(yīng)變監(jiān)測(cè)

(1)網(wǎng)格梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)

網(wǎng)格梁為多采用矩形鋼管截面，根據(jù)受力分析可知，在斜索的張拉力作用下，部分網(wǎng)格梁會(huì)出現(xiàn)較大的內(nèi)力。根據(jù)網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，本文選取部分網(wǎng)格梁關(guān)鍵截面進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。共選擇網(wǎng)格梁監(jiān)測(cè)截面16個(gè)，應(yīng)變監(jiān)測(cè)的截面位置如(圖4)中的1#～16#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)所示。由于網(wǎng)格梁為矩形截面，應(yīng)變計(jì)分別布置于上、下緣截面，每個(gè)截面布置2個(gè)應(yīng)變計(jì)。

(2)斜撐應(yīng)變監(jiān)測(cè)

對(duì)斜撐桿的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇4個(gè)斜撐桿，如(圖4)中17#～20#桿件，每個(gè)測(cè)試截面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

(3)下?lián)武摴荜P(guān)鍵截面的應(yīng)變監(jiān)測(cè)

共選擇環(huán)索撐桿8根，張弦梁撐桿4根，共12根撐桿進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)桿件見(jiàn)(圖5)中X1～X12桿件。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)采用對(duì)稱(chēng)布置形式，一個(gè)測(cè)試截面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共24個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如(圖5)所示。

3.2 屋蓋的變形監(jiān)測(cè)

經(jīng)初步計(jì)算分析后選取比賽區(qū)變形較大部位進(jìn)行變形觀測(cè)，取網(wǎng)格梁靠近中部位置設(shè)置9個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)如(圖6)，監(jiān)測(cè)其豎向變形。

3.3 索力監(jiān)測(cè)

3.3 屋蓋的振動(dòng)監(jiān)測(cè)

屋蓋在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，荷載作用下屋蓋可能會(huì)發(fā)生豎向及水平向的振動(dòng)，本項(xiàng)目擬對(duì)屋蓋的豎向及水平向振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)位置如(圖8)。監(jiān)測(cè)采用加速度傳感器，在比賽場(chǎng)屋蓋中心布置2個(gè)方向水平向和豎向的加速度傳感器;分別在兩邊布置2個(gè)水平向加速度傳感器。共5個(gè)加速度傳感器。

圖7 索監(jiān)測(cè)截面位置示意圖 圖8 屋蓋振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖

3.4 工作環(huán)境監(jiān)測(cè)

通過(guò)及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，包括溫度、濕度、風(fēng)力及風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，為結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析提供科學(xué)依據(jù)。

(1)工作場(chǎng)地的溫度場(chǎng)選用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量;

(2)工作場(chǎng)地的濕度場(chǎng)選用濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量;

(3)工作場(chǎng)地的風(fēng)速風(fēng)向選用風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。

在體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)有代表性位置布置1套溫度、濕度傳感器及3套風(fēng)速儀進(jìn)行工作環(huán)境的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

4 施工監(jiān)測(cè)及分析結(jié)果

目前該工程已經(jīng)完成施工期監(jiān)測(cè)，施工期監(jiān)測(cè)包括環(huán)索與張弦索的張拉過(guò)程監(jiān)測(cè)。所測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以檢驗(yàn)施工過(guò)程是否存在異常。

所采用的數(shù)值模擬軟件為CSI公司的sap2000，索單元材料選擇tendon(索)，鋼桁架桿件采用“框架單元”模擬，模型在sap2000中應(yīng)用Nonliner Static非線(xiàn)性分析，考慮非線(xiàn)性階段施工的影響，按照設(shè)計(jì)文件中每一步的張拉工況建立模型施加荷載分析，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(施工順序、溫度等的變化)修正模型。

在實(shí)際施工中，實(shí)際上先后進(jìn)行了八次的張拉過(guò)程，由于監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)量大，在描述應(yīng)變測(cè)量分析結(jié)果時(shí)，本文僅選取比賽區(qū)的中部及角部監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明;描述位移測(cè)量分析結(jié)果時(shí)，僅選取屋蓋北、中、南側(cè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明;其中，應(yīng)力測(cè)量分析結(jié)果見(jiàn)(圖9)，位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)(圖10)，由于張拉時(shí)是對(duì)不同的索由松弛狀態(tài)開(kāi)始張拉，且張拉時(shí)直接由油壓表校準(zhǔn)，因此，在張拉過(guò)程中并不對(duì)索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。索力、振動(dòng)及工作環(huán)境監(jiān)測(cè)僅用于運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)用。

圖9 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)果對(duì)比

實(shí)際施工張拉過(guò)程中各點(diǎn)產(chǎn)生的豎向變形以及應(yīng)力變化趨勢(shì)與有限元模型計(jì)算結(jié)果一致的。同時(shí)，各級(jí)張拉過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)實(shí)際撓度值以及應(yīng)力與理論計(jì)算值十分接近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于較理想的受力狀態(tài)。

圖10 變形測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，海峽奧體中心體育館實(shí)際張拉施工過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)實(shí)際撓度值與理論計(jì)算值的數(shù)值大小基本一致;絕大部分監(jiān)測(cè)構(gòu)件截面應(yīng)力變化的實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律均與理論計(jì)算值是一致的。

海峽奧體中心體育館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組建以及張拉施工期間的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)為體育館鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀態(tài)以及安全施工成功進(jìn)行了驗(yàn)證;該驗(yàn)證結(jié)果也印證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，因此依托該系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)可為該體育場(chǎng)的現(xiàn)代化數(shù)字化安全運(yùn)營(yíng)管理提供重要依據(jù)，并可為既有大跨空間結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1]歐進(jìn)萍.重大工程結(jié)構(gòu)損傷累積、健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定.見(jiàn):國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告(2006年～2010年)土木工程卷[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

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