国家体育场大跨度钢结构在卸载过程中的应力监测_图文

1、基金项目:国家科技攻关计划课题(2004BA904B01、北京市科技计划课题(H050630210720作者简介:曾志斌,硕士,副研究员收稿日期:2007-09-28土木工程学报CHIN A CIVIL ENGINEERING JOURNAL第41卷第3期2008年3月Vol .41No.3Mar .20081概述1.1结构和施工特点国家体育场位于北京市成府路南侧,奥林匹克公园中心区内,是2008年北京第29届奥运会的主体育场,承担奥运会开、闭幕式以及田径比赛和足球决赛等任务。国家体育场建筑顶面呈马鞍形,长轴为332.3m ,短轴为297.3m ,最高点高度为68.5m ,最低点高度为40.1

2、m ,固定座席可容纳8万人,活动座席可容纳1.1万人。总建筑面积约为25.8万m 2,建筑设计使用年限为100年,结构安全等级为一级。国家体育场大跨度屋盖钢结构支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.958m 。屋盖中间开洞长度为185.3m ,宽度为127.5m 。主桁架围绕屋盖洞口环梁呈放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通,并在中部形成由分段直线构成的内环桁架。国家体育场大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件,交叉布置国家体育场大跨度钢结构在卸载过程中的应力监测曾志斌张玉玲(铁道科学研究院,北京100081摘要:国家体育场是2008年北京第29届奥运会的主体育场,承担奥运会开、闭幕式

3、以及田径比赛和足球决赛等任务。其屋盖钢结构跨度大,覆盖面积也大,受力非常复杂。在施工过程中,主桁架搁置在78个临时支撑塔架上,整体合龙后要将临时支撑塔架拆除(此过程称为“卸载”。由于钢结构重量较大、支撑点数多、单点卸载吨位大,卸载难度非常大。在整个卸载过程中,利用自主研制的基于静态应变无线数据采集与传输的应力监测系统,对钢结构关键构件的应力变化历程进行跟踪监测。结果表明,实测值较好地反映了钢结构在体系转换过程中整体受力的变化,为卸载工作的顺利进行和安全使用提供了技术保障,也验证了首次在该项目上使用的应力监测系统和监测方法的正确性,该系统和方法可推广应用到类似大型结构的施工监测。关键词:国家体育

4、场;鸟巢;钢结构;卸载;应力;监测中图分类号:TU393.3文献标识码:A文章编号: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 土木工程学报2008年 的主桁架与屋面和立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型(如图1所示,俗称鸟巢钢结构。主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,与大跨度钢结构完全脱开1。 国家体育场钢结构采

9、用“分段高空散装”的安装方法,其基本施工顺序为:安装桁架柱柱脚、立面次结构柱脚、楼梯柱柱脚,设置78个临时支撑塔架;分段吊装桁架柱、立面次结构(倒角区以下部分、楼梯柱的下半部分、立面楼梯;分段吊装主桁架;主桁架和立面次结构各分区之间的整体合龙;拆除临时支撑塔架(此过程称为“卸载”,实现由临时支撑塔架承重向钢结构自身承重状态的体系转换;安装顶面次结构与转角区立面次结构、楼梯柱的上半部分;安装马道和各种设备吊挂支架、屋面PTFE 膜结构和下弦PTFE 声学吊顶、灯光、音响、大屏幕等设备。国家体育场属于重要的大型公用建筑,屋盖钢结构跨度大,受力非常复杂,大量采用新技术、新材料和新工艺,很多方面超出了

10、我国现行建筑结构设计规范的范畴,具有创新性。在钢结构吊装施工过程中,主桁架搁置在临时支撑塔架上,整体合龙之后要进行卸载。由于屋顶钢结构重量较大,总卸载吨位约120000kN ;卸载点数多,设计单位要求“结构整体 分级同步卸载、严格进行比例控制”;单点卸载吨位大,最大点支撑力约3000kN ,卸载难度非常大,这就需要对钢结构关键构件在整个卸载过程的应力进行有效监测,以确保卸载过程的安全性。1.2卸载过程简介国家体育场钢结构施工时采用的78个临时支撑塔架上有80个支点(其中有2个临时支撑塔架上各有2个支点,即Z4和Z5、Z29和Z30,分别布置在相应的支撑塔架顶部。根据支点相对于主结构内外的分布关

11、系,将80个支点定义为外、中、内3圈,如图2所示。钢结构卸载按照“结构整体分级同步原则”进行,以位移控制为主、反力控制为辅。根据计算分析结果,钢结构临时支撑塔架上各支点的最终卸载位移量为:外圈6770mm 、中圈161178mm 、内圈208286mm ,且卸载总顺序为由外向内。外、中、内3圈中每一圈的各支点在卸载过程中保持同步,3圈支点每次卸载位移量同各点的最终总卸载位移量保持等比关系。卸载共分7大步,计35小步。第一、第二、第三大步卸载步骤为:每大步先外圈卸载10%、中圈5%、内圈5%,再中圈5%、内圈5%;前3大步完成后,外、中、内3圈各卸载总位移量的30%。第四、第五、第六、第七大步卸

12、载步骤为:每大步先外圈卸载剩余位移量(即70%的1/4、中圈1/8、内圈1/8,再中圈1/8、内圈1/8;后四大步完成后,外、中、内3圈各卸载总位移量的70%。最终支点脱离顺序为外、中、内2。各支点计划的卸载位移量如图3所示。2第41卷第3期2钢结构应力监测系统由于国家体育场钢结构形式复杂,监测范围覆盖面广,钢构件上测点布置条件差,测点布置工作与钢结构安装施工同步进行,因此造成监测工作难度非常大,干扰也大。如果采用原来的有线数据采集与传输方案,势必影响施工单位的安装作业,也影响测点布置的工作进程。为此,专门针对国家体育场的客观条件,整合国内先进的相关技术,研制了基于静态应变无线数据采集与传输的

13、应力监测系统3。 应力监测系统由图4所示的3个子系统组成,即:传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与分析子系统。各子系统的功能如下:(1传感器子系统。根据监测内容,在规定的部位布设振弦式数码应变计,用于获得钢结构构件的应力信息。(2数据采集与传输子系统。采集传感器传来的信息,通过局部有线传到数据采集与发射仪,然后对模拟信号进行调制、处理,转换为数字信号,通过无线发射将信号传输到数据接收仪,再通过无线局域网,将数据传输给数据管理与分析子系统。(3数据管理与分析子系统。处理、分析传输来的数字信号,得到所需要的图、表,用数据库进行存储和管理数据。本监测系统最大的特点是不用现场布线,读数盒采集

14、到的数字信号通过无线发射和接收直接传输给计算机,然后再通过无线局域网传输给主机进行处理,避免了采用有线传输时信号的衰减。现场没有冗长而烦琐的各种信号线和电源线,最大限度地降低了监测布点等工序对现场施工的影响。该监测系统在国内属于首创,是专门为国家体育场项目钢结构监测而研制开发的,充分体现了“科技奥运”的精神。3测点优化布置国家体育场钢结构应力监测测点选取了旋转对称的4榀主桁架(即T3A-T11B 和T15A-T23B 、T9A-T16B 和T21A-T4B 和2个桁架柱(即P1轴桁架柱和P7轴桁架柱作为代表。在每榀主桁架中,选取两端和中间的上弦杆、斜腹杆和下弦杆作为测试对象;在每个桁架柱中,选

15、取肩部弯扭构件、中间菱形构件和根部的铸钢件作为测试对象。测点在钢结构上的平面分布基本上覆盖了整体钢结构,如图5所示。每榀主桁架两端和中间的上弦杆、斜腹杆和下弦杆上各布置4个测点,其中上表面和下表面各2个测点,测点所在截面在杆件上的位置如图6所示,其中上弦杆和斜腹杆共用一个数据采集与发射仪。曾志斌等国家体育场大跨度钢结构在卸载过程中的应力监测3 土木工程学报2008年P1轴和P7轴桁架柱的肩部杆件(即C1B-02和C7B-02的两端和中间共3个截面各布置8个测点,其中箱形截面的外表面和内表面各3个测点、两边各2个测点。桁架柱中间菱形杆件(即C1-02和C7-02的两端和中间共3个截面各布置4个测

16、点,布置在菱形的两对边上。桁架柱根部铸钢件为菱形截面到箱形截面的过渡段,分别在菱形截面和箱形截面上各布置4个测点,其中菱形截面上的4个测点布置在菱形的两对边上,箱形截面的外表面和内表面各布置2个测点。测点所在截面均垂直于杆件轴线,其在杆件上的位置如图7所示,其中桁架柱中间菱形杆件中间和下端截面共用一个数据采集与发射仪,铸钢件上的8个测点共用一个数据采集与发射仪。4监测结果与分析为了能尽量真实地反映钢结构整体合龙之后的应力状况,需要选择钢结构本体温度达到合龙温度(22.5左右时读取应力初读数。2006年9月12日凌晨1点,当钢结构顶面和立面的平均温度达到约23时,开始读取所有测点的初始读数。9月

17、13日下午正式开始钢结构在卸载全过程中的应力监测。每当需要测试的卸载步卸载到位,待结构稳定10min 后开始进行数据采集工作。9月17日,卸载工作圆满完成。由于监测结果很多,限于篇幅,本文仅以主桁架T3A-T11B靠近P3轴桁架柱的上弦杆、斜腹杆和下弦杆为例,说明钢结构在卸载过程中的受力情况。各测点的应力值随卸载步(时间变化的趋势如图8所示。图中列出了顶升阶段、所有需要测试的卸载步和卸载完成3天后的测试结果。从监测结果来看,国家体育场钢结构在卸载过程中的应力变化呈现出以下特点:(1随着78个临时支撑塔架上80个支点卸载位移量的增大,所有测点的应力在总体趋势上都在增大。部分测点的应力出现波动,与

18、钢结构本身的复杂程度、每一卸载步各支点的实际卸载量并不完全是等比例、支撑塔架的刚度不同等诸多因素有关。(2所有杆件同一截面4个或8个测点的应力差异较大,呈现较强的不均匀性,表明杆件并不只是绕着箱形或菱形截面的主惯性轴弯曲,而是有很强的扭转作用,这与设计理念是一致的。(3卸载刚完成时,主桁架最大压应力为-90.12MPa,发生在主桁架T15A-T23B中间部位上弦杆T15AT-17的上表面;最大拉应力为+68.42M Pa,发生在主桁架T9A-T16B中间部位下弦杆T16BB-08的下表面。桁架柱最大压应力为-90.21M Pa,发生在P1轴桁架柱C1-02上端截面的内侧测点;最大拉应力为+72

19、.15M Pa,发生在P1轴桁架柱C1B-02中间截面的边侧测点。卸载完成3天后,主桁架和桁架柱的最大压应力和最大拉应力分别变为:-92.74M Pa 和+68.42M Pa、-88.58MPa和+69.80M Pa,表明随着时间的延长和温度的变化,各测点的应力发生了明显的重新分配。(4从实测结果来看,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,同一榀主桁架上弦杆和下弦杆受力比斜腹杆大,长轴方向的P1轴桁架柱受力比短轴方向的P7轴桁架柱大,完全符合结构的受力特点。 根杆件的上表面、下表面和侧面之间的温差均较大, 4 第41卷第3

20、期高次超静定的钢结构对温度非常敏感,当钢结构某一局部温度高于相邻部位时,其热膨胀受到相邻部位的约束,从而该部位压应力会增大(或者拉应力会减小,反之相反。清晨钢结构各部位之间的温差很小,实测的应力值包含温度应力的成分较少,能较真实地反应结构实际的受力状况。二是随着时间的推移,支撑塔架、油压千斤顶、柱底约束等的变形逐渐趋于稳定,钢结构本身的应力会重新进行分配。曾志斌等国家体育场大跨度钢结构在卸载过程中的应力监测5 土 木 工 程 学 报 年 （ 国家体育场钢结构呈现为椭圆马鞍形， 绝大 ） 多数构件都是旋转对称的， 如作为监测对象的主桁架 参 考 文 献 范重， 刘先明， 范学伟， 等 国家体育场大跨度钢结构设计 （ 与研究 建筑结构学报， ， ） ： （ ， 和 、 和 就是旋转对称的