國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的應力監(jiān)測_圖文

1、基金項目:國家科技攻關(guān)計劃課題(2004BA904B01、北京市科技計劃課題(H050630210720作者簡介:曾志斌,碩士,副研究員收稿日期:2007-09-28土木工程學報CHIN A CIVIL ENGINEERING JOURNAL第41卷第3期2008年3月Vol .41No.3Mar .20081概述1.1結(jié)構(gòu)和施工特點國家體育場位于北京市成府路南側(cè),奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi),是2008年北京第29屆奧運會的主體育場,承擔奧運會開、閉幕式以及田徑比賽和足球決賽等任務(wù)。國家體育場建筑頂面呈馬鞍形,長軸為332.3m ,短軸為297.3m ,最高點高度為68.5m ,最低點高度為40.1

2、m ,固定座席可容納8萬人,活動座席可容納1.1萬人?？偨ㄖ娣e約為25.8萬m 2,建筑設(shè)計使用年限為100年,結(jié)構(gòu)安全等級為一級。國家體育場大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)支撐在24根桁架柱之上,柱距為37.958m 。屋蓋中間開洞長度為185.3m ,寬度為127.5m 。主桁架圍繞屋蓋洞口環(huán)梁呈放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通,并在中部形成由分段直線構(gòu)成的內(nèi)環(huán)桁架。國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件,交叉布置國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的應力監(jiān)測曾志斌張玉玲(鐵道科學研究院,北京100081摘要:國家體育場是2008年北京第29屆奧運會的主體育場,承擔奧運會開、閉幕式

3、以及田徑比賽和足球決賽等任務(wù)。其屋蓋鋼結(jié)構(gòu)跨度大,覆蓋面積也大,受力非常復雜。在施工過程中,主桁架擱置在78個臨時支撐塔架上,整體合龍后要將臨時支撐塔架拆除(此過程稱為“卸載”。由于鋼結(jié)構(gòu)重量較大、支撐點數(shù)多、單點卸載噸位大,卸載難度非常大。在整個卸載過程中,利用自主研制的基于靜態(tài)應變無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膽ΡO(jiān)測系統(tǒng),對鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的應力變化歷程進行跟蹤監(jiān)測。結(jié)果表明,實測值較好地反映了鋼結(jié)構(gòu)在體系轉(zhuǎn)換過程中整體受力的變化,為卸載工作的順利進行和安全使用提供了技術(shù)保障,也驗證了首次在該項目上使用的應力監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法的正確性,該系統(tǒng)和方法可推廣應用到類似大型結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測。關(guān)鍵詞:國家體育

4、場;鳥巢;鋼結(jié)構(gòu);卸載;應力;監(jiān)測中圖分類號:TU393.3文獻標識碼:A文章編號:1000-131X (200803-0001-06Stress monitoring of the large-span steel structure of the National Stadium during unloadingZeng Zhibin Zhang Yuling(China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China Abstract:The National Stadium is the main stadium for the Bei

5、jing 2008Olympic Games,the site for the opening and closing ceremonies,track and field events and soccer finals.The super long span steel structure covers a large area and bears complex loads.The main trusses were fixed on 78temporary bracketing structures during installation,then removed (unloading

6、 after healing of the main trusses.The unloading of the main steel structural trusses was very difficult because of the huge weight of the steel structure,many supporting points,huge reaction force of each supporting point,etc.During unloading,the stresses of the steel structure were monitored by a

7、specially designed Stress Monitoring System (SMS based on a wireless data acquisition and transmission platform of static strains.The results reflected the change of stress in the process of the steel structure system conversion,technically guaranteed the unloading and usage of structure,and validat

8、ed the SMS.The monitoring method,which was used in the project for the first time,could be extended to the construction monitoring of other similar large structures.Keywords:National Stadium;bird 土木工程學報2008年 的主桁架與屋面和立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型(如圖1所示,俗稱鳥巢鋼結(jié)構(gòu)。主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開1。 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)采

9、用“分段高空散裝”的安裝方法,其基本施工順序為:安裝桁架柱柱腳、立面次結(jié)構(gòu)柱腳、樓梯柱柱腳,設(shè)置78個臨時支撐塔架;分段吊裝桁架柱、立面次結(jié)構(gòu)(倒角區(qū)以下部分、樓梯柱的下半部分、立面樓梯;分段吊裝主桁架;主桁架和立面次結(jié)構(gòu)各分區(qū)之間的整體合龍;拆除臨時支撐塔架(此過程稱為“卸載”,實現(xiàn)由臨時支撐塔架承重向鋼結(jié)構(gòu)自身承重狀態(tài)的體系轉(zhuǎn)換;安裝頂面次結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)角區(qū)立面次結(jié)構(gòu)、樓梯柱的上半部分;安裝馬道和各種設(shè)備吊掛支架、屋面PTFE 膜結(jié)構(gòu)和下弦PTFE 聲學吊頂、燈光、音響、大屏幕等設(shè)備。國家體育場屬于重要的大型公用建筑,屋蓋鋼結(jié)構(gòu)跨度大,受力非常復雜,大量采用新技術(shù)、新材料和新工藝,很多方面超出了

10、我國現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的范疇,具有創(chuàng)新性。在鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工過程中,主桁架擱置在臨時支撐塔架上,整體合龍之后要進行卸載。由于屋頂鋼結(jié)構(gòu)重量較大,總卸載噸位約120000kN ;卸載點數(shù)多,設(shè)計單位要求“結(jié)構(gòu)整體 分級同步卸載、嚴格進行比例控制”;單點卸載噸位大,最大點支撐力約3000kN ,卸載難度非常大,這就需要對鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在整個卸載過程的應力進行有效監(jiān)測,以確保卸載過程的安全性。1.2卸載過程簡介國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工時采用的78個臨時支撐塔架上有80個支點(其中有2個臨時支撐塔架上各有2個支點,即Z4和Z5、Z29和Z30,分別布置在相應的支撐塔架頂部。根據(jù)支點相對于主結(jié)構(gòu)內(nèi)外的分布關(guān)

11、系,將80個支點定義為外、中、內(nèi)3圈,如圖2所示。鋼結(jié)構(gòu)卸載按照“結(jié)構(gòu)整體分級同步原則”進行,以位移控制為主、反力控制為輔。根據(jù)計算分析結(jié)果,鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐塔架上各支點的最終卸載位移量為:外圈6770mm 、中圈161178mm 、內(nèi)圈208286mm ,且卸載總順序為由外向內(nèi)。外、中、內(nèi)3圈中每一圈的各支點在卸載過程中保持同步,3圈支點每次卸載位移量同各點的最終總卸載位移量保持等比關(guān)系。卸載共分7大步,計35小步。第一、第二、第三大步卸載步驟為:每大步先外圈卸載10%、中圈5%、內(nèi)圈5%,再中圈5%、內(nèi)圈5%;前3大步完成后,外、中、內(nèi)3圈各卸載總位移量的30%。第四、第五、第六、第七大步卸

12、載步驟為:每大步先外圈卸載剩余位移量(即70%的1/4、中圈1/8、內(nèi)圈1/8,再中圈1/8、內(nèi)圈1/8;后四大步完成后,外、中、內(nèi)3圈各卸載總位移量的70%。最終支點脫離順序為外、中、內(nèi)2。各支點計劃的卸載位移量如圖3所示。2第41卷第3期2鋼結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測系統(tǒng)由于國家體育場鋼結(jié)構(gòu)形式復雜,監(jiān)測范圍覆蓋面廣,鋼構(gòu)件上測點布置條件差,測點布置工作與鋼結(jié)構(gòu)安裝施工同步進行,因此造成監(jiān)測工作難度非常大,干擾也大。如果采用原來的有線數(shù)據(jù)采集與傳輸方案,勢必影響施工單位的安裝作業(yè),也影響測點布置的工作進程。為此,專門針對國家體育場的客觀條件,整合國內(nèi)先進的相關(guān)技術(shù),研制了基于靜態(tài)應變無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)?/p>

13、應力監(jiān)測系統(tǒng)3。 應力監(jiān)測系統(tǒng)由圖4所示的3個子系統(tǒng)組成,即:傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的功能如下:(1傳感器子系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容,在規(guī)定的部位布設(shè)振弦式數(shù)碼應變計,用于獲得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力信息。(2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)。采集傳感器傳來的信息,通過局部有線傳到數(shù)據(jù)采集與發(fā)射儀,然后對模擬信號進行調(diào)制、處理,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過無線發(fā)射將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收儀,再通過無線局域網(wǎng),將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)。(3數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)。處理、分析傳輸來的數(shù)字信號,得到所需要的圖、表,用數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理數(shù)據(jù)。本監(jiān)測系統(tǒng)最大的特點是不用現(xiàn)場布線,讀數(shù)盒采集

14、到的數(shù)字信號通過無線發(fā)射和接收直接傳輸給計算機,然后再通過無線局域網(wǎng)傳輸給主機進行處理,避免了采用有線傳輸時信號的衰減?，F(xiàn)場沒有冗長而煩瑣的各種信號線和電源線,最大限度地降低了監(jiān)測布點等工序?qū)ΜF(xiàn)場施工的影響。該監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)屬于首創(chuàng),是專門為國家體育場項目鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測而研制開發(fā)的,充分體現(xiàn)了“科技奧運”的精神。3測點優(yōu)化布置國家體育場鋼結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測測點選取了旋轉(zhuǎn)對稱的4榀主桁架(即T3A-T11B 和T15A-T23B 、T9A-T16B 和T21A-T4B 和2個桁架柱(即P1軸桁架柱和P7軸桁架柱作為代表。在每榀主桁架中,選取兩端和中間的上弦桿、斜腹桿和下弦桿作為測試對象;在每個桁架柱中,選

15、取肩部彎扭構(gòu)件、中間菱形構(gòu)件和根部的鑄鋼件作為測試對象。測點在鋼結(jié)構(gòu)上的平面分布基本上覆蓋了整體鋼結(jié)構(gòu),如圖5所示。每榀主桁架兩端和中間的上弦桿、斜腹桿和下弦桿上各布置4個測點,其中上表面和下表面各2個測點,測點所在截面在桿件上的位置如圖6所示,其中上弦桿和斜腹桿共用一個數(shù)據(jù)采集與發(fā)射儀。曾志斌等國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的應力監(jiān)測3 土木工程學報2008年P(guān)1軸和P7軸桁架柱的肩部桿件(即C1B-02和C7B-02的兩端和中間共3個截面各布置8個測點,其中箱形截面的外表面和內(nèi)表面各3個測點、兩邊各2個測點。桁架柱中間菱形桿件(即C1-02和C7-02的兩端和中間共3個截面各布置4個測

16、點,布置在菱形的兩對邊上。桁架柱根部鑄鋼件為菱形截面到箱形截面的過渡段,分別在菱形截面和箱形截面上各布置4個測點,其中菱形截面上的4個測點布置在菱形的兩對邊上,箱形截面的外表面和內(nèi)表面各布置2個測點。測點所在截面均垂直于桿件軸線,其在桿件上的位置如圖7所示,其中桁架柱中間菱形桿件中間和下端截面共用一個數(shù)據(jù)采集與發(fā)射儀,鑄鋼件上的8個測點共用一個數(shù)據(jù)采集與發(fā)射儀。4監(jiān)測結(jié)果與分析為了能盡量真實地反映鋼結(jié)構(gòu)整體合龍之后的應力狀況,需要選擇鋼結(jié)構(gòu)本體溫度達到合龍溫度(22.5左右時讀取應力初讀數(shù)。2006年9月12日凌晨1點,當鋼結(jié)構(gòu)頂面和立面的平均溫度達到約23時,開始讀取所有測點的初始讀數(shù)。9月

17、13日下午正式開始鋼結(jié)構(gòu)在卸載全過程中的應力監(jiān)測。每當需要測試的卸載步卸載到位,待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定10min 后開始進行數(shù)據(jù)采集工作。9月17日,卸載工作圓滿完成。由于監(jiān)測結(jié)果很多,限于篇幅,本文僅以主桁架T3A-T11B靠近P3軸桁架柱的上弦桿、斜腹桿和下弦桿為例,說明鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的受力情況。各測點的應力值隨卸載步(時間變化的趨勢如圖8所示。圖中列出了頂升階段、所有需要測試的卸載步和卸載完成3天后的測試結(jié)果。從監(jiān)測結(jié)果來看,國家體育場鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的應力變化呈現(xiàn)出以下特點:(1隨著78個臨時支撐塔架上80個支點卸載位移量的增大,所有測點的應力在總體趨勢上都在增大。部分測點的應力出現(xiàn)波動,與

18、鋼結(jié)構(gòu)本身的復雜程度、每一卸載步各支點的實際卸載量并不完全是等比例、支撐塔架的剛度不同等諸多因素有關(guān)。(2所有桿件同一截面4個或8個測點的應力差異較大,呈現(xiàn)較強的不均勻性,表明桿件并不只是繞著箱形或菱形截面的主慣性軸彎曲,而是有很強的扭轉(zhuǎn)作用,這與設(shè)計理念是一致的。(3卸載剛完成時,主桁架最大壓應力為-90.12MPa,發(fā)生在主桁架T15A-T23B中間部位上弦桿T15AT-17的上表面;最大拉應力為+68.42M Pa,發(fā)生在主桁架T9A-T16B中間部位下弦桿T16BB-08的下表面。桁架柱最大壓應力為-90.21M Pa,發(fā)生在P1軸桁架柱C1-02上端截面的內(nèi)側(cè)測點;最大拉應力為+72

19、.15M Pa,發(fā)生在P1軸桁架柱C1B-02中間截面的邊側(cè)測點。卸載完成3天后,主桁架和桁架柱的最大壓應力和最大拉應力分別變?yōu)?-92.74M Pa 和+68.42M Pa、-88.58MPa和+69.80M Pa,表明隨著時間的延長和溫度的變化,各測點的應力發(fā)生了明顯的重新分配。(4從實測結(jié)果來看,跨度大的主桁架T3A-T11B 和T15A-T23B受力比跨度小的主桁架T9A-T16B和T21A-T4B大,同一榀主桁架上弦桿和下弦桿受力比斜腹桿大,長軸方向的P1軸桁架柱受力比短軸方向的P7軸桁架柱大,完全符合結(jié)構(gòu)的受力特點。 根桿件的上表面、下表面和側(cè)面之間的溫差均較大, 4 第41卷第3

20、期高次超靜定的鋼結(jié)構(gòu)對溫度非常敏感,當鋼結(jié)構(gòu)某一局部溫度高于相鄰部位時,其熱膨脹受到相鄰部位的約束,從而該部位壓應力會增大(或者拉應力會減小,反之相反。清晨鋼結(jié)構(gòu)各部位之間的溫差很小,實測的應力值包含溫度應力的成分較少,能較真實地反應結(jié)構(gòu)實際的受力狀況。二是隨著時間的推移,支撐塔架、油壓千斤頂、柱底約束等的變形逐漸趨于穩(wěn)定,鋼結(jié)構(gòu)本身的應力會重新進行分配。曾志斌等國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的應力監(jiān)測5 土 木 工 程 學 報 年 （ 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為橢圓馬鞍形， 絕大 ） 多數(shù)構(gòu)件都是旋轉(zhuǎn)對稱的， 如作為監(jiān)測對象的主桁架 參 考 文 獻 范重， 劉先明， 范學偉， 等 國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 與研究 建筑結(jié)構(gòu)學報， ， ） ： （ ， 和 、 和 就是旋轉(zhuǎn)對稱的