郑州奥体中心体育馆网架结构施工监测

摘要

以郑州奥体中心体育馆屋盖网架结构施工过程为例,详细介绍网架结构施工过程的监测指标及相关新型传感监测技术。以网架结构关键杆件应力、应变为主要指标,利用自行研制开发的低温敏型光纤光栅应变传感器,对网架结构施工过程的受力、变形特征进行全面监测,进而综合评价施工质量。该监测技术为网架结构安全施工提供可靠的解决方案。

引言

大跨空间结构被广泛应用于体育场馆、机场等公共建筑中，其结构形式和施工方法日趋复杂。网架结构作为一种常见的大跨空间结构，一般是由杆件按一定规律组成的超静定空间结构体系，具有刚度大、性能好、节省材料等优点。在施工过程中，空间网架结构受力形式及边界条件等结构特性不断变化，施工环境、施工技术、人为因素等诸多不确定性因素均会导致结构关键构件内力重分布或相对薄弱环节发生损伤或破坏。国内外有关网架结构施工期间破坏的事故时有发生。如2005年7月8日，正在施工中的内蒙古新丰热电项目主厂房球形网架结构突然坍塌，事故原因是网架未形成整体受力且未进行施工验算，导致网架产生累积初始形变，而后由于部分高强螺栓连接失效加速连续坍塌。因此，对网架结构施工过程进行实时监测，对于保障结构安全运营具有至关重要的作用。 

国内外针对网架结构施工过程监测进行大量研究，一般多以杆件应力作为施工期间的损伤敏感指标，判定结构是否处于安全状态。计荣利等采用DH3815E静态应变测试系统对大跨度空间网架结构施工过程进行应力监测，保证网架结构在辅助支撑拆除过程中的安全卸载。廖军等在上海世博浦西综艺大厅的改造施工中应用光纤光栅传感器对托梁和网架关键杆件进行应力监测，确保施工质量。X.Wang等使用钢弦应变传感器和光纤光栅应变传感器对西宁体育馆钢屋盖结构加载过程进行应力监测，监测结果表明结构应力和变形均在合理范围内，并最终稳定在某值，效果良好。总之，以光纤光栅为基本元件设计的各类应力应变传感器，已成为各类大型结构施工监测的主要传感技术手段。但由于施工现场环境复杂，光纤传感信号易受到温度等外部干扰，常导致监测结果不准确。

以郑州奥体中心体育馆屋盖网架结构为例，应用新型传感监测技术及监测系统，对网架结构施工过程进行监测。对网架结构施工过程中易发生损伤破坏的危险位置进行应力时程监测分析，通过比较卸载施工前后的残余应力，评价网架结构安全状态。本文所述监测方法及相关传感技术，为体育馆结构施工和使用提供安全保障。

郑州奥体中心位于中原西路与西四环交叉口南300m，该工程东西向长约732m，南北向长约484m，工程总建筑面积57万m2。奥体中心包含一场两馆(见图1a)。体育馆屋盖平面近似为矩形，其中，东西向约为150m，南北向约为122m，东侧悬挑长度为20m，北侧悬挑长度为22m。屋盖钢结构根据使用需要采用正放四角锥网架结构(见图1b)。因受施工场地限制，体育馆屋盖钢结构采用滑移法进行施工。 

a郑州市奥体中心 

b体育馆屋盖网架 

图1 郑州奥体中心及体育馆屋盖网架效果

体育馆屋盖钢结构采用钢网架结构形式，网架空间定位难度大，施工过程复杂。因施工场地受限，施工单位采用滑移法，施工过程中屋盖钢结构网架南北两侧和中间部位分别设3道滑移轨道，网架构件在施工平台上完成拼装焊接工作后通过滑移轨道逐步滑移至设计位置。体育馆屋盖钢结构网架主体全部滑移到位后，逐步自东向西拆除临时支撑和滑移轨道，屋盖钢结构网架也随之逐步卸载，卸载完成后坐落于预设在混凝土结构的支座上，从而完成屋盖钢结构网架受力体系转换。体育馆屋盖网架钢结构构件在施工平台上分单元进行拼接，拼接完成后利用滑移轨道逐步往外滑移。网架钢结构滑移施工过程中容易出现因滑移不同步而导致的受力不均，造成局部网架结构构件应力过大，影响结构安全性和耐久性。因此为了解和评估结构安全状态，同时为验证网架钢结构滑移施工完毕后其受力状态是否与设计状态一致，需对体育馆网架钢结构进行应力监测。

2.1 施工过程有限元分析

体育馆屋盖网架采用滑移法施工，依据设计院对网架结构进行的有限元模拟结果确定结构施工期及运营期的应力应变测点布置方案。根据有限元模拟结果可知，屋盖网架滑移过程中最大变形量为28mm，滑移结束后屋盖网架跨中部位整体变形较大，最大变形量为21mm;滑移过程中钢构件出现的最大应力比为0.86，滑移到位并卸载完成后结构构件应力并不大，最大应力比为0.43，且网架跨中位置较其他位置应力水平明显偏大;滑移过程中网架出现的最大变形和应力均满足施工规范要求。

2.2 监测方案及测点布置

为保证所选测点能有效评价结构受力和安全性能，选取测点时综合考虑以下部位:①滑移过程中应力和位移较大杆件;②滑移结束前后应力和位移变化较大杆件;③其他网架结构重要部位。本项目施工监测共布置96个应力应变测点，传感器主要集中布置在网架跨中和东北侧区域。

3.1 监测系统

根据屋盖网架结构受力特点，在网架结构上弦、下弦和腹杆等位置布置测点，用以监测网架结构关键构件在施工过程中的应力、应变响应，进而分析结构在荷载变化时的应力变化规律。传感器信号通过自行开发的多通道光纤光栅解调仪进行采集(见图2)，性能参数如表1所示。该光纤光栅解调仪结合数据采集软件搭建数据采集子系统，软件与嵌入式硬件平台系统无缝结合、程序功能模块化和多线程运行，使系统具备数据采集、实时信号处理、储存、网络通信、实时数据显示、历史数据查看、数据管理及任务配置的功能。

图2 数据采集设备

表1 光纤光栅解调仪性能参数

3.2 光纤光栅应变传感器

为消除施工监测过程中温度效应对应力监测结果的影响，本项目使用自行研制开发的低温敏型光纤光栅应变传感器。该传感器采用两端夹持的管式封装技术，在两端封装钢管内填充负膨胀材料(光纤光栅遇冷收缩，遇热膨胀，负膨胀材料的变化则相反)。当两者变形系数接近时，负膨胀材料变形会抵消光纤光栅因温度变化而产生的变形，从而实现传感器低温敏特性。低温敏光纤光栅应变传感器如图3所示。 

图3 低温敏光纤光栅应变传感器实物

对应变传感器进行温度标定，其温度灵敏度系数为1.3pm/℃，远小于裸光纤光栅(10.3pm/℃)，具有良好的低温敏特性。此外，利用MTS高周疲劳试验机对传感器进行循环荷载作用下的长期疲劳试验。通过试验机对传感器施加高周循环呈正弦规律变化的往复荷载，获取传感器在循环荷载下的响应规律。传感器波长响应如图4所示。由图4可知，传感器在经历80万次循环荷载作用后仍保持良好稳定的实时响应特性，传感器波长最大值和最小值基本保持不变，说明传感器具有良好的长期稳定性和可重复性，适合大型工程结构的施工现场监测。 

图4 循环荷载作用下传感器波长监测结果

3.3 传感器现场安装

光纤光栅应变传感器抗拉能力良好，但受到压力作用时容易折损。故在现场安装传感器前需对其进行预拉伸，使其处于受拉状态时再固定，保证传感器具有一定的压应变量程。此外，由于现场施工环境恶劣，有必要在传感器安装完成后，对其采取一定的外部保护措施，以保证传感器具有较好的耐久性。光纤光栅应变传感器现场安装如图5所示。

图5 传感器现场安装

体育馆屋盖钢结构网架拼装焊接完成并滑移到位后，于2018年1月13日下午开始自东向西逐步拆除临时支撑，并于2018年1月19日完成所有临时支撑的拆除工作，随后开始逐步安装马道和金属屋面，体育馆屋盖网架钢结构施工状态记录如表2所示。

表2 网架施工状态记录

4.1 应力变化监测结果

本文以部分下弦杆、腹杆和上弦杆为例，说明屋盖网架在结构卸载过程中的受力情况。屋盖网架结构施工过程中下弦杆部分测点应力变化时程如图6a所示。由图6a可知，屋盖结构各下弦杆在施工过程中产生明显应力应变响应，在卸载过程中均处于受拉状态，且应力变化趋势一致。但不同区域处的下弦杆应力幅值有所差异，其中，跨中区域下弦杆所受拉应力水平较高，说明在结构卸载过程中，跨中区域下弦杆是结构容易发生损伤破坏的薄弱位置网架结构施工过程中上弦杆和腹杆部分测点应力变化时程分别如图6b,6c所示。由图6b可知，各上弦杆测点整体应力变化趋势一致，上弦杆测点应力值在结构卸载过程中出现不同程度的应力波动，说明结构卸载过程引起了结构构件不同程度的内力重分布。由图6c可知，各腹杆测点应力值在卸载过程中也出现了不同程度的波动，并且处于对称位置的WF1,WF2测点的应力变化趋势有所不同，说明网架结构在卸载过程中存在受力不均匀现象。 

图6 施工期间测点应力变化时程曲线

综合分析应力变化时程可发现，随着施工过程的进行，网架结构各杆件均发生明显应力响应，但最终应力水平均趋于平稳，说明网架结构通过卸载过程完成了受力体系转换;卸载过程中，上弦杆和下弦杆主要承受拉力，而腹杆则主要承受压力。结构卸载完成后构件应力水平均在安全范围内。

4.2 卸载施工应力监测分析

为更好地分析网架结构在卸载过程中的应力响应规律，对卸载过程中各测点应力变化幅度和卸载完成后构件应力进行分析。卸载完成后测点应力水平和施工期间各测点应力变化幅度汇总如图7所示。由图7可知，结构卸载完成后上弦杆和下弦杆均处于受拉状态，且最大拉应力为66.7MPa，出现在WX4号测点(跨中区域)处;腹杆则主要处于受压状态，最大压应力为-34MPa，出现在EF3号测点(东北角区域)处;跨中区域下弦杆和东北角区域腹杆是网架结构施工过程中的薄弱杆件，在施工监测中应予以重点关注。下弦杆和部分腹杆应力变化幅度大于其他杆件，其中，应力变化幅度最大值为75.94MPa，出现在EF3号测点处，这说明在整个施工过程中，下弦杆和腹杆的内力重分布现象较明显。各杆件稳定后的应力值仍小于容许应力，体育馆屋盖结构整体处于安全可靠状态。

图7 各测点位置稳定应力值和应力变化幅度

4.3 传感器性能分析

低温敏光纤光栅应变传感器表现出良好的工作性能和低温敏特性。由于低温敏光纤光栅应变传感器中心波长值几乎不受温度影响，所以在后续数据处理时无须进行温度补偿，极大地减少了数据处理工作量且便于其在实际工程中的使用。根据实际监测数据分析可知，传感器在施工过程应力监测中表现出良好的低温敏性能。

为证明传感器低温敏特性，某测点位置处低温敏光纤光栅应变传感器波长变化时程如图8a所示，由图8a可知，结构卸载前传感器波长值较平稳，几乎无较大波动。将结构卸载前传感器波长变化时程图放大至图8b，图8b为传感器在13:00—13:30的波长变化时程，可知在0.5h内传感器波长基本稳定在1 550.362nm左右，波动范围均在9pm内。普通光纤光栅应变传感器在该项目某时段的波长变化时程如图8c所示。由图8c可知，传感器在0.5h内波长呈连续增加趋势，而此时结构并无较大的状态和应力变化，因此能够明显判断温度变化是传感器波长值连续增大的主要原因。通过对比两种传感器波长变化时程可知，低温敏光纤光栅应变传感器具备良好的低温敏特性，较普通应变传感器有较大优势。 

图8 低温敏传感器性能分析