海峡奥体中心体育馆钢结构监测系统研究

张伟，张文耀，杨伟，叶健

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

1 概况

结构物的形式及功能越来越丰富多样，并日趋大型化、复杂化。而这些大型复杂结构在复杂的服役环境中将受到设计荷载的作用以及各种外在因素的影响而面临结构的损伤积累及退化问题，造成这些损伤和退化的可能原因有:环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等，此外加上对结构特别是新型结构体系认知水平不足、施工质量问题、材料自身不确定等因素。特别是大空间、大跨度结构往往投资巨大、人员密集，一旦发生结构破坏等安全事故，势必会造成重大经济损失和极坏的社会影响[1，2]。为了保障结构的安全性、耐久性和使用性，必须采取必要手段，对建设或使用中的结构性能进行有效的监测[3，4]。

海峡奥林匹克体育中心(简称海峡奥体中心)体育馆覆盖钢结构屋盖平面似水滴形，南北长约298m，东西约152m。屋盖北高南低，北侧结构杆件中心线最高点标高为39.67 m，正南侧端部结构杆件中心线标高为18.67 m;沿东西方向为中间高，两端低，屋盖最低点标高约为 16.2 m，结构整体模型见(图1)。整个屋盖利用下部混凝土结构的框架柱作为支座，分为三个区域:比赛区、观众大厅、训练区，见(图2)示意图。

其中体育馆比赛区屋盖采用四边形环索弦支－张弦组合结构。四边形环索弦支结构是一种结构新型体系，由网格梁、斜索、下撑钢管及四边形环向索构成，通过斜索的预应力张拉，使下撑钢管受压力，提高改善网格梁结构的受力和变形性能。同时结合本工程特点，设置张弦构件进一步提高结构受力性能。单重四边形环索弦支结构在深圳北站雨棚有所应用[5，6]，多重四边形环索弦支结构在本工程此规模的椭圆形屋盖中应用属首创，具有线条简单明快，用钢节约，传力明确的特点。比赛区四边形环索弦支－张弦组合结构体系结构布置三维视图及立面视图如(图3)所示。

由于比赛区钢结构屋盖造型新颖、结构形式尚属首创，受力变形情况复杂，对于该结构形式的认知需要进一步验证。为了解结构中关键构件的实际工作状况，及时掌握体育馆的工作环境、荷载变化、主要构件的内力分布、支座的位移状况以及整体工作性能等方面的信息，对该结构实施关键构件及工作环境的实时监测，以部分取代传统的钢结构人工检测，并根据实测的关键杆件的应力状况及结构的振动状态，评估体育场馆整体结构的受力情况和长期趋势，对设计状态进行验证，为既有大跨空间结构的监测提供实践经验。

2 监测内容

根据奥体中心体育馆屋盖比赛区多重四边形环索－张弦结构的受力特性，考虑其在施工阶段及运营过程中的受力监测需求，整个系统的监测包括以下几个方面[4，7]:

(1)体育馆比赛区屋盖网格梁关键截面的应变监测;

(2)体育馆比赛区屋盖下撑钢管关键截面的应变监测;

(3)体育馆比赛区屋盖的斜撑应变监测;

(4)育馆比赛区屋盖四边形环索中斜索索力监测;

(5)体育馆比赛区屋盖的四边形环索中环索索力监测;

(6)体育馆比赛区屋盖的张弦梁中张弦索的索力监测;

(7)体育馆比赛区屋盖的振动监测;

(8)体育馆比赛区屋盖的变形监测;

(9)体育馆比赛区屋盖的工作环境监测;

五是水域岸线和圩区管理。《条例》规定制定岸线利用管理规划，明确太湖等流域重点河湖岸线划定、利用和管理等要求，整体布局流域河湖岸线利用，协调防洪安全与河湖岸线开发利用的关系，在这些重点河湖岸线内兴建建设项目，应当符合太湖流域综合规划和岸线利用管理规划；《条例》规定太湖流域圩区建设、治理应当符合流域防洪要求，明确太湖等重点河湖及两省一市行政区域边界河道的圩区建设、治理方案在批准前，应当征得太湖局同意，从流域层面统筹区域防洪和流域防洪的关系。

图1 整体结构模型三维图

图2 屋面平面尺寸及场馆分区示意图

图3 比赛区屋盖结构布置图

图4 网格梁及斜撑应变监测位置图

图5 下撑杆应变监测位置图

图6 屋盖变形监测点

在具体实施过程中，包含施工阶段的监测及运营期长期监测两部分，其中施工期间不监测索力、振动及工作环境。整个监测系统采用长期监测与定期检测相结合、实时在线监测与定时离线监测相结合的原则进行。

3 监测方案

3.1 关键截面的应变监测

(1)网格梁应变监测

网格梁为多采用矩形钢管截面，根据受力分析可知，在斜索的张拉力作用下，部分网格梁会出现较大的内力。根据网格梁结构的对称性，本文选取部分网格梁关键截面进行应力应变监测。共选择网格梁监测截面16个，应变监测的截面位置如(图4)中的1#～16#应变测点所示。由于网格梁为矩形截面，应变计分别布置于上、下缘截面，每个截面布置2个应变计。

(2)斜撑应变监测

对斜撑杆的应变进行监测，选择4个斜撑杆，如(图4)中17#～20#杆件，每个测试截面布置2个测点，共8个应变测点。

(3)下撑钢管关键截面的应变监测

共选择环索撑杆8根，张弦梁撑杆4根，共12根撑杆进行应力监测。监测杆件见(图5)中X1～X12杆件。应变测点采用对称布置形式，一个测试截面布置2个测点，共24个应变测点，如(图5)所示。

3.2 屋盖的变形监测

经初步计算分析后选取比赛区变形较大部位进行变形观测，取网格梁靠近中部位置设置9个变形观测点如(图6)，监测其竖向变形。

3.3 索力监测

3.3 屋盖的振动监测

屋盖在运营过程中，荷载作用下屋盖可能会发生竖向及水平向的振动，本项目拟对屋盖的竖向及水平向振动进行实时监测。监测位置如(图8)。监测采用加速度传感器，在比赛场屋盖中心布置2个方向水平向和竖向的加速度传感器;分别在两边布置2个水平向加速度传感器。共5个加速度传感器。

图7 索监测截面位置示意图 图8 屋盖振动监测点位置图

3.4 工作环境监测

通过及时掌握现场的工作环境，包括温度、湿度、风力及风向进行实时在线监测，为结构受力状态分析提供科学依据。

(1)工作场地的温度场选用温度传感器进行测量;

(2)工作场地的湿度场选用湿度传感器进行测量;

(3)工作场地的风速风向选用风速仪进行测量。

在体育场钢结构有代表性位置布置1套温度、湿度传感器及3套风速仪进行工作环境的实时在线监测。

4 施工监测及分析结果

目前该工程已经完成施工期监测，施工期监测包括环索与张弦索的张拉过程监测。所测数据与数值模拟结果进行比对，以检验施工过程是否存在异常。

所采用的数值模拟软件为CSI公司的sap2000，索单元材料选择tendon(索)，钢桁架杆件采用“框架单元”模拟，模型在sap2000中应用Nonliner Static非线性分析，考虑非线性阶段施工的影响，按照设计文件中每一步的张拉工况建立模型施加荷载分析，再根据现场实际情况(施工顺序、温度等的变化)修正模型。

在实际施工中，实际上先后进行了八次的张拉过程，由于监测所得数据量大，在描述应变测量分析结果时，本文仅选取比赛区的中部及角部监测点进行说明;描述位移测量分析结果时，仅选取屋盖北、中、南侧测点进行说明;其中，应力测量分析结果见(图9)，位移监测结果见(图10)，由于张拉时是对不同的索由松弛状态开始张拉，且张拉时直接由油压表校准，因此，在张拉过程中并不对索力进行监测。索力、振动及工作环境监测仅用于运营期长期监测用。

图9 应力测试结果与分析结果对比

实际施工张拉过程中各点产生的竖向变形以及应力变化趋势与有限元模型计算结果一致的。同时，各级张拉过程中，各测点实际挠度值以及应力与理论计算值十分接近，说明结构处于较理想的受力状态。

图10 变形测试结果与分析结果对比

5 结论

实测数据与有限元模拟计算结果的对比表明，海峡奥体中心体育馆实际张拉施工过程中，各测点实际挠度值与理论计算值的数值大小基本一致;绝大部分监测构件截面应力变化的实测值的变化规律均与理论计算值是一致的。

海峡奥体中心体育馆监测系统的组建以及张拉施工期间的监测结果表明，该系统为体育馆钢结构的设计状态以及安全施工成功进行了验证;该验证结果也印证了该监测系统的可靠性，因此依托该系统的运营期监测可为该体育场的现代化数字化安全运营管理提供重要依据，并可为既有大跨空间结构的监测提供实践经验。

[1]欧进萍.重大工程结构损伤累积、健康监测与安全评定.见:国家自然科学基金委员会工程与材料科学部学科发展战略研究报告(2006年～2010年)土木工程卷[M].北京:科学出版社，2006.

[2]张其林.大型建筑结构健康监测和基于监测的性态研究[J].建筑结构，2011，41(12):68－75.

[3]李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展，2008，(02):151－166.

[4]刘倩.大跨空间结构健康监测系统研究[D].大连:大连理工大学，2011.

[5]汪菁.深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统及其关键技术研究[D].武汉:武汉理工大学，2008.

[6]傅学怡，孙璨，吴兵，等.深圳北站站台雨棚新型弦支结构体系设计[J].建筑结构，2015，45(1):47－52.

[7]孙璨，傅学怡，吴兵，等.深圳北站站台雨棚新型弦支屋盖张拉模拟及试验研究[J].建筑结构，2015，45(1):53－57.

[8]CECS 333－2012，结构健康监测系统设计标准[S].