鄭州奧體中心體育場屋蓋結構施工安全監測*

楊付增，賈子光，任 亮，鞠 曉，辛承祖

(1.河南省建筑工程質量檢驗測試中心站有限公司，河南 鄭州 450053； 2.大連理工大學海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221； 3.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116023；4.河南省建筑科學研究院有限公司，河南 鄭州 450053； 5.大連理工大學運載工程與力學學部，遼寧 大連 116024)

0 引言

大型空間網架結構承載力強，外形美觀，通用性強[1]，但其結構復雜，施工難度大，多用于大型體育場、會展中心、車站、機場等公共設施[2]。這些設施使用周期長、人流密集，有必要對其施工及運營過程中的結構安全進行監測[3]。

近年來，國內外越來越多研究人員從事大型場館結構健康監測[4-5]。李宏男等[6]對大連市體育場穹頂結構徑向索、環向索和撐桿應力及結構整體振動和支座位移進行監測，為結構安全評估提供可靠數據。陳峰[7]針對福州海峽國際會展中心擴建工程，對鋼桁架結構應力、振動等參數進行評估計算，保障了結構運行安全。李平等[8]通過自動化數據采集系統對深圳市會展中心施工運營階段應力、位移、溫度等進行監測，保障結構安全。針對索力監測傳感器布設困難問題，張宇鑫等[9]提出利用磁通量法和光纖光柵傳感器相結合的辦法。針對不同大跨結構，研究人員還進行相應算法研究[10-11]。徐菁等[12]針對凱威特型單層網殼結構在現場監測中遇到的困難，提出用粒子群算法來優化傳感器布置，利用BP神經網絡進行損傷識別，提高了損傷識別精度，降低了監測成本。盧偉[13]利用主成分分析法和系統聚類法優化傳感器布置，并應用于深圳市福田交通樞紐鋼結構健康監測。

本文以鄭州奧體中心體育場屋蓋施工過程為例，開發新型多用途數據采集設備及監測系統，對施工期間應力等參數進行監測。對巨型三角桁架和車輻式索承網格結構在提升、焊接、卸載等階段的應力變化進行研究。對施工過程中吊點、牛腿等關鍵部位單獨進行分析。在屋蓋主體結構施工完成后，為研究后續屋面施工對結構的影響，對關鍵結構進行了長達1年的應力監測。

1 工程概況

鄭州奧體中心體育場屋蓋平面近似圓形(見圖1)，東西向長331.6m，南北向長291.5m；看臺罩棚東西向懸挑長54.1m，南北向懸挑長30.8m。賽場內罩棚采用新式雜交空間結構，即上弦為剛性網架，下弦為張拉索桿體系，整體呈車輻式形狀(見圖2)。賽場外區域罩棚為正放四角錐雙層網架結構，寬20～32m，呈環狀，位于屋面外圍。此外，南北向空中連廊跨度82m，采用三角形巨型桁架結構。體育場立面為平面桁架結構，作為網格支撐。

圖1 體育場結構示意

圖2 車輻式索承網格結構

2 結構健康監測系統

結構健康監測起源于20世紀80年代，經過數十年發展，其應用范圍和功能也越來越多樣化[14]。不僅實現了長期在線監測，而且能對結構物老化、損傷累積做出定量分析[15]。一套完整的健康監測系統包含傳感器子系統、數據采集子系統和數據分析子系統(見圖3)。傳感器子系統包括多種類型傳感器測量待測結構相應物理量。數據采集子系統負責采集傳感器信號，并將信號傳輸至數據分析子系統。數據分析子系統負責處理分析采集到的信號，評估結構健康狀態。數據采集子系統作為結構健康監測系統的關鍵部分，其軟件部分可與數據分析子系統實現相互融合，有效提高工作效率，簡化流程。因此，開發對應于相應工程需要的數據采集設備至關重要。

圖3 結構健康監測系統

2.1 多類型同步數據采集設備

對于超大型工程結構，需應變、位移、加速度、傾角等傳感器共同滿足監測需要。而且，為保證所有監測數據同步，需保證不同種類傳感器能同時刻、同頻率地進行采集。

本文開發的多類型同步數據采集儀如圖4所示，該采集儀具有15個光纖信號通道，32個電類信號通道。光纖光柵傳感器通過FC/APC接口連接，電類傳感器則通過全橋或半橋進行傳輸。在設備內部內置5個基本解調模塊，分別為光纖解調模塊、數字I/O模塊、電壓模塊、電流模塊及GPS同步模塊，用以解調不同信號。該多類型同步采集儀基本參數如表1所示。

圖4 多類型同步數據采集儀

表1 多類型同步采集儀基本參數

采集儀控制軟件流程如圖5所示，主要由3個模塊組成：現場可編輯門陣列(FPGA)，實時控制器(realtime controller)和上位機程序(calculation terminal)。

圖5 采集系統軟件流程

通過以上硬件設施和控制軟件相互結合，該多類型同步采集儀實現了以下功能。

1)多類型傳感器信號的實時同步采集。FPGA內置40MHz全局基準時鐘對光學和電學類傳感器局域時鐘進行定時校準。

2)智能化數據采集和存儲系統能根據日期將采集數據進行分段分類保存，避免大量數據無效堆積給服務器存儲空間帶來壓力。

3)全方位數據顯示界面。該系統用戶界面有兩種數據顯示形式：①可顯示各監測點傳感器時程曲線，掌握具體數據；②可直觀顯示三維空間結構工作狀態，并根據用戶要求進行旋轉縮放。這兩種顯示界面相結合的方法幫助相關人員及時了解結構動態，保障施工安全。

2.2 應力監測方案

建立體育場屋蓋有限元模型，通過計算得出傳感器安裝測點。根據體育場桁架有限元模型結構分析結果(見圖6)及相應施工順序，參照同類型結構監測經驗及現有監測技術，制訂相應監測方案。以巨型三角桁架和車輻式索承網格結構監測結果為例，對其在施工過程中的應力變化進行分析。因施工階段周期較長，溫差變化較大，選用本項目組開發的低溫敏光纖光柵應變傳感器降低溫度對監測結果的影響。

圖6 體育場桁架豎向位移計算結果(單位：mm)

2.2.1巨型三角桁架傳感器布置

巨型三角桁架由上層三角形桁架和兩側鋼制筒柱組成。在每根筒柱內灌注混凝土以加強強度。三角形桁架在地面組裝完成后，通過液壓裝置利用鋼纜吊裝至預定位置，然后與兩側部分進行焊接。

根據有限元計算結果，在三角形桁架上布置76個應變傳感器，在桁架內側、外側和底側分別布置28，24，24個。在三角形桁架提升、焊接和卸載階段監測其應變變化。根據桿件受力特點，在不同桿件外側布置2個或4個應變傳感器，分別標注為三角形和正方形測點(見圖7)。正方形測點主要針對管徑較大且受力復雜的三角桁架弦桿；三角形測點則針對起輔助作用且受力較小的桁架腹桿。為獲取較大的應變響應，所有測點均位于對應桿件中部位置。

圖7 測點布置

2.2.2索承網格結構傳感器布置

車輻式索承網格結構由徑向索、環向索和撐桿組成。徑向索呈折線布置共42榀；環向索為橢圓形空間曲線，長軸處標高高于短軸處。在施工過程中，通過分批次分階段張拉徑向索，為整個索網結構施加預應力，因此，針對徑向索應力變化進行監測。同時根據結構對稱性，只選取1/4橢圓徑向索安裝傳感器。索承網格結構測點布置如圖8所示，布置56個正方形測點，共計224個傳感器。傳感器均布置于索桿端頭向內1倍管徑處。

圖8 索承網格結構測點布置

2.3 光纖光柵傳感器安裝

光纖光柵傳感器夾持支座安裝方法主要有焊接和膠粘兩種。膠粘法操作簡單，適用于短期監測，但穩定性易受溫度、濕度和酸堿性等因素影響，因此，一般選擇焊接形式進行安裝。

為保證安裝在表面的兩端夾持器與傳感器弧面保持一定同軸度，準備若干同軸度保持棒，控制兩端夾持支座間距為6mm并夾緊，將帶棒夾持裝置與待測表面焊接。焊接完成后取下同軸保持棒，安裝光纖光柵傳感器。手動預拉伸光纖光柵傳感器，預拉伸產生的波長變化量為0.5～1nm，然后將光纖光柵傳感器安裝在支座正中間。

3 監測結果分析

3.1 三角桁架提升與卸載結果分析

三角桁架在地面完成拼裝后，在牛腿上安裝液壓千斤頂對桁架進行預提升。預提升高度為1m，持續時間約30min。臨時在牛腿處與三角桁架吊點相應位置設置傳感器，監測應力變化。

提升吊點設置在三角桁架兩端自由端，共4個吊點，在每個吊點位置設置上下對稱的2個傳感器，共8個傳感器，測點及吊點布置如圖9所示。吊點1-1，1-2應力時程曲線如圖10所示，吊點1-1處應力為正，1-2處應力為負；說明該桿件下側受拉，上側受壓，符合實際情況。所有吊點處最大應力如表2所示，同側應力均處于同一水平，且小于桿件屈服強度，說明吊點安全。

圖9 三角桁架底部測點及吊點布置

圖10 吊點1-1,1-2應力時程曲線

表2 吊點處最大應力 MPa

在預提升期間，對比各測點處應力響應得出,三角桁架底部跨中3，4號測點有較大響應值，且能代表桁架整體受力情況，提取分析監測數據。3號測點1～4號傳感器應力時程曲線如圖11a所示。4個傳感器在施工過程中，應力均為正值且數值較為接近，表明該處桿件只受到軸向拉力，無彎矩作用。4個傳感器最大應力值分別為51.8，48.9，44.7，49.5MPa，均小于材料屈服極限，說明結構安全。4號測點處各傳感器應力時程曲線如圖11b所示。其中2，3號傳感器應力為正值，最大拉應力分別為40.8，38.4MPa；4號傳感器應力接近于0，最大值僅為0.9MPa；1號傳感器應力為負值，最大壓應力為-9.6MPa。綜合各傳感器數據可知，該構件同時受到軸向力和彎矩作用。根據應力變化范圍可以看出，該結構處于安全狀態。

圖11 預提升階段3，4號測點應力時程曲線

三角桁架預提升結束且應力穩定后，對其進行分段提升。即每提升一段距離調整1次千斤頂液壓，直至預定位置。分段提升階段共用時12h，提升速度較緩慢。提升階段3，4號測點應力時程曲線如圖12所示。由圖12可知，在提升過程中最大應力值來自4-2傳感器，應力變化幅度為3.1MPa。綜合3，4號測點各傳感器，應力均在4MPa以內。此外，其他測點應力處于較低水平，不作單獨討論。證明提升階段對桁架結構應力的影響不大，結合預提升階段應力分布，結構在提升階段均處于安全范圍。

圖12 提升階段3，4號測點應力時程曲線

2017年10月2日將三角桁架與兩側筒柱焊接完成，11月9日對牛腿處液壓千斤頂逐級卸載直至外力為0。牛腿處結構較小但作為整體結構在施工過程中的主要支撐點，有必要對其進行監測。在牛腿上距初始點0.5m處安裝1個光纖光柵傳感器(FBG)；同時安裝1條長度為1.15m的分布式光纖傳感器(見圖13)，監測牛腿在長度范圍內的應力隨卸載時間的變化。應力監測結果如圖14所示，在同一時刻，光纖光柵傳感器(FBG)與分布式光纖傳感器0.5m處監測結果基本吻合。隨著卸載進行，牛腿處壓應力逐漸增大，最大值仍在安全范圍內。與光纖光柵傳感器相比，分布式光纖傳感器監測結果顯示牛腿處應力沿長度并非均勻分布而有微小波動。

圖13 牛腿處傳感器布置

圖14 卸載過程中牛腿應力監測結果

仍以底部桁架3，4號測點處應力變化為依據，分析桁架結構在焊接、卸載過程中的應力變化。3，4號測點在41d內應力變化如圖15所示。各傳感器應力相對變化與預提升階段大致相同，焊接后3號測點應力值明顯增大，4號測點4-2,4-3傳感器應力值增大而4-1,4-4應力值減小。這是由于焊接完成后桁架結構與支撐筒柱形成了一個新的整體，應力重分布。在卸載后各傳感器應力值緩慢減小，最大應力變化約為20MPa，表明應力釋放和內力在結構內重新分布等存在一定時變性，因此，對結構進行持續監測十分必要。

圖15 底部桁架3，4號測點在施工各階段的應力時程曲線

3.2 索承網格徑向預張拉施工結果分析

根據索承網格結構特點，通過拉伸徑向索施加預應力。然后根據1/4對稱性原則，對徑向索分批次分級張拉直到安裝完成。張拉施工共分為6個階段，每階段分2批，第1，2批分別有22，20榀徑向索(見圖16)。施工方案如下：①GK1(預緊)，預緊全部徑向索；②GK2(張拉至30%)，先張拉第1批，后張拉第2批，③GK3(張拉至50%)，先張拉第2批，后張拉第1批，④GK4(張拉至70%)，先張拉第1批，后張拉第2批，⑤GK5(張拉至90%)，先張拉第2批，后張拉第1批，⑥GK6(張拉至100%)，先張拉第1批，后張拉第2批。

圖16 徑向索張拉示意

張拉施工從2018年3月29日開始，GK1用時1d，GK2～GK6各批次用時1d，共11d。

將各測點實測最大應力與有限元計算結果進行對比，如表3所示。由表3可知，在GK1～GK3階段，有限元計算結果與實測值差距較大，且有限元計算值無明顯增大；隨著張拉強度的提升，實測應力值逐級升高。造成這種差異的原因主要有：實測位置與有限元計算中最大應力位置不完全一致；施工過程中施工順序及外界環境均會對實測值造成影響；有限元計算結果為等效應力，而實測值只考慮軸向應力。因此，有限元模擬并不能給出分批次張拉對結構后續施工的影響，表明現場監測對保證施工安全有重要意義。

表3 最大應力監測結果與有限元分析結果對比

3.3 長期監測結果分析

索承網格徑向索安裝完成后，桁架整體結構穩定，只進行后續金屬屋面安裝等裝飾工作，不會產生較大應力。因此，對部分區域應力在較長一段時間內的變化進行分析。選取應力響應最大的傳感器數據代表整個區域。

部分索承網格傳感器在2018年4月至2019年4月發生的應力波動情況如圖17所示。由圖17可知，結構應力整體保持穩定，只有在少數情況下有波動。如S20-2桿件在2018年6—7月金屬屋面安裝時，應力值降低了22.9MPa。S16-2桿件在2018年10—12月與2019年2—3月分別產生了2次較大波動。第1次由相鄰區域施工造成，而第2次由該區域金屬屋面安裝造成。因此，除了相應的施工造成應力變化外，應力監測結果均無太大變化，說明該系統在長期監測下具有較好的穩定性。

圖17 長期應力監測結果

4 結語

1)本文開發的多類型同步采集儀和數據監測系統能實現多種參數同步采集、自動分類存儲，具有良好的人機交互界面。

2)巨型三角桁架底部桁架測點和吊點監測結果顯示，提升過程中應力變化均在安全范圍內。牛腿處分布式應變傳感器能反映出應力在長度和時間上的變化。焊接和卸載后，網架結構應力出現重分布，表明應力變化存在一定時效性。

3)索承網格結構在分批次分階段張拉過程中，應力與張拉強度呈線性關系。此外，當地氣溫監測結果也表明低溫敏光纖傳感器能避免溫度對應力結果的影響。

4)底部桁架3，4號測點長期監測結果表明，應力整體保持穩定，但在相關施工區域應力出現相應波動。