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無線溫度測試系統(tǒng) 在鳥巢鋼結(jié)構(gòu)合攏和卸載施工中的應(yīng)用

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    張玉玲 邱德隆 萬里程 王麗 張林 陳晨

    [摘 要] 研制開發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)本體溫度無線測試系統(tǒng)，對(duì)國家體育場即“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)的合攏施工和卸載過程進(jìn)行了現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)本體溫度監(jiān)測。根據(jù)均勻分布于鳥巢鋼結(jié)構(gòu)本體頂面、立面和立面次結(jié)構(gòu)上的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在合攏和卸載施工過程的實(shí)際溫度狀態(tài)和分布規(guī)律。分析認(rèn)為，合攏期間鋼結(jié)構(gòu)本體溫度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的要求，各階段溫度測試數(shù)據(jù)可為鳥巢鋼結(jié)構(gòu)的后續(xù)施工應(yīng)力分析提供依據(jù)。所建立的鋼結(jié)構(gòu)本體溫度無線測試系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于類似鋼結(jié)構(gòu)工程。
    [關(guān)鍵詞] 國家體育場；鳥巢鋼結(jié)構(gòu)；合攏；卸載；無線溫度測試

    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(yùn)會(huì)的主體育場。體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)高度為40.1m，總建筑面積約為25.8萬?。
    體育場鋼結(jié)構(gòu)采用的基本施工順序如下：1)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(gè)臨時(shí)支撐塔架；2)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；3)開始主桁架分段吊裝工作。4)主桁架分段吊裝工作完成；5)進(jìn)行主桁架各分區(qū)之間的整體合攏工作；6)臨時(shí)支撐塔架卸載；7)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；8)安裝馬道及各種設(shè)備吊掛支架、屋面PTFE膜結(jié)構(gòu)及下弦PTFE聲學(xué)吊頂、燈光、音響、大屏幕等設(shè)備。
    北京地區(qū)屬于大陸性氣候，晝夜溫差大，冬夏季溫度差別也大，溫度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的作用明顯。為減少溫度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，在結(jié)構(gòu)形成整體前按要求留設(shè)了四條合攏線，各部分結(jié)構(gòu)施工完畢后進(jìn)行合攏，形成鳥巢主結(jié)構(gòu)。合攏時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)本體溫度必須達(dá)到合理范圍，才能保證結(jié)構(gòu)在任何氣候狀況下，各項(xiàng)指標(biāo)變化都在規(guī)定范圍內(nèi)。卸載時(shí)，鳥巢將經(jīng)歷一次使鋼結(jié)構(gòu)龐大的自重荷載承重部位從臨時(shí)塔架到自身承重的體系轉(zhuǎn)換過程，每個(gè)步驟對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是否安全合理受力有重要的影響，需要掌握鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際溫度狀態(tài)，以便有效分析卸載時(shí)鋼結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的受力狀態(tài)。
    由于國家體育場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測范圍覆蓋面廣，如采用有線傳輸方案，勢必影響施工單位的組裝作業(yè)，若單點(diǎn)逐一測試，則測試效率太低，影響數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋。為此，專門針對(duì)體育場的客觀條件，開發(fā)研制了無線溫度測試系統(tǒng)，既保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠和高效率，又使對(duì)施工影響降到最低。通過合攏時(shí)段和卸載階段的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證了合攏溫度控制準(zhǔn)確，掌握了卸載施工的溫度狀態(tài)。為體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的施工提供了重要的科學(xué)決策依據(jù)。
    1監(jiān)測系統(tǒng)
    1.1傳感器
    監(jiān)測傳感器為DS18B20型號(hào)的一線式數(shù)字溫度傳感器，3個(gè)引腳。在測試精度 0.5℃時(shí)溫度量程-10℃～85℃，測溫分辨率0.0625℃。傳感器導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集、發(fā)射裝置以及電源相連，一并密封存放于測試盒中。測試盒下表面附有永磁旋鈕，便于在鋼結(jié)構(gòu)表面任意部位磁力安設(shè)。見圖1和圖2。


    整個(gè)系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理分析子系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的發(fā)射采用自帶電池。
    在選定的部位設(shè)置熱電偶傳感器，所測到的鋼板表面溫度信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由無線發(fā)射裝置將信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)接收儀，其與計(jì)算機(jī)相連，信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)。
    數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)包括進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和終端管理等，由VC可視化編程語言編制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)和手動(dòng)兩種溫度采集模式，以滿足任意時(shí)間間隔采集頻次的數(shù)據(jù)測量和各點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測的需要，測試結(jié)果自動(dòng)保存在程序的配置文件中。各子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上聯(lián)動(dòng)和協(xié)同工作，軟件對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。終端界面簡潔明了，便于操作，見圖4和圖5。

    本測試系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是避免了現(xiàn)場布線。采集到的數(shù)字信號(hào)通過無線發(fā)射和接收直接傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，避免了采用電纜線傳輸時(shí)信號(hào)的衰減。測試現(xiàn)場不用外接電源線，由儀器直接攜帶電池?，F(xiàn)場沒有冗長而煩瑣的各種信號(hào)線和電源線，最大限度地降低了對(duì)現(xiàn)場施工的影響。
    測試前對(duì)該系統(tǒng)測試輸出結(jié)果與ADT-I數(shù)字式鋼軌測溫儀（量程：-45℃~+80℃）的點(diǎn)溫測試讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，兩種方式的測試讀數(shù)誤差為1％以下，算術(shù)差小于±0.5℃，說明本測試系統(tǒng)滿足精度要求。
    2施工過程及現(xiàn)場監(jiān)測
    2.1測點(diǎn)布置
    共布置60個(gè)測點(diǎn)，分別擺放在測試桿件的上表面或測點(diǎn)附近斜桿表面，立面結(jié)構(gòu)擺放在桿件的側(cè)面。測點(diǎn)分布在頂面桁架上弦18個(gè)點(diǎn)、下弦18個(gè)點(diǎn)；立面結(jié)構(gòu)分別布置在4個(gè)桁架柱上，每柱5點(diǎn)；對(duì)應(yīng)的柱間次結(jié)構(gòu)布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)。通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度實(shí)際測試情況的分析，表明在后半夜時(shí)段不受白天日照影響等干擾的情況下，上述60個(gè)測點(diǎn)的溫度分布規(guī)律、離散幅度很小，因此可以認(rèn)為所布設(shè)的60個(gè)測點(diǎn)能夠代表鋼結(jié)構(gòu)整體溫度情況。測點(diǎn)布置圖[1]見圖6。

    2.2合攏施工
    共留有4條合攏線，一般需要分成四個(gè)夜間才能焊完。施工中根據(jù)具體情況將其中的兩條合攏線連續(xù)施工，故最后合攏日僅用了3天，分別在2006年8月25日、28日和30日的夜間進(jìn)行。
    測試數(shù)據(jù)表明，鋼結(jié)構(gòu)本體在三天合攏日的溫度平均值分別于夜間22:00降到22.8℃；2:15達(dá)到22.9℃；1:15降到22.9℃，之后之后溫度平穩(wěn)下降。各點(diǎn)間的溫度差每半小時(shí)變化均在±0.2℃范圍內(nèi)。頂面結(jié)構(gòu)的最高溫度點(diǎn)和最低溫度點(diǎn)，均在平均溫度±2℃范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)對(duì)合攏溫度的要求[2]。25日溫度監(jiān)測結(jié)果見圖7。



    3數(shù)據(jù)分析
    3.1鋼結(jié)構(gòu)溫度場規(guī)律
    從各點(diǎn)測試規(guī)律看，白天溫度升高，夜間溫度下降；8月上旬晴天時(shí)白天鋼構(gòu)件本體溫度離散性很大，相應(yīng)時(shí)段在12:00～17:00，14:00～15:00出現(xiàn)最高溫度；陰天離散性較小，最高溫度出現(xiàn)在13:00～15:00。
    鋼結(jié)構(gòu)本體各構(gòu)件的晝夜溫差變化較大，頂面結(jié)構(gòu)構(gòu)件更為明顯，8月份晴天最高可達(dá)25℃。
    白天同一時(shí)刻的上弦溫度比對(duì)應(yīng)的下弦溫度高，8月份最高約達(dá)10℃。
    立面結(jié)構(gòu)在白天同一時(shí)刻平均溫度較頂面結(jié)構(gòu)低。
    總體來說，8月下旬夜間00:00以后鋼結(jié)構(gòu)本體溫度與氣溫差距不大，各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)均勻性較好，溫度上下限均在平均溫度的±2℃以內(nèi)，符合合攏要求的溫度出現(xiàn)較早，且持續(xù)時(shí)間較長，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的合攏有利。
    3.2合攏溫度
    三天的合攏溫度各有特征。8月25日第一個(gè)合攏日的可施工時(shí)間到來很早，22:00以后已經(jīng)滿足合攏設(shè)計(jì)溫度要求；8月28日第二個(gè)合攏日天氣最熱，直至夜間2:30以后鋼結(jié)構(gòu)溫度才降到可施工的范圍；8月30日第三個(gè)合攏日是個(gè)陰天，雖然白天溫度不高，但真正到夜間降到合攏溫度，卻用去相當(dāng)長的時(shí)間，到0:00才能夠施工。
    合攏時(shí)頂面結(jié)構(gòu)的平均溫度范圍：8月25日為21.6℃～20.6℃，8月28日為22.6℃～22.4℃，8月30日為22.6℃～21.4℃；8月30日立面結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的平均溫度范圍為22.6℃～22.4℃。鋼結(jié)構(gòu)本體溫度均達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的合攏溫度，合攏工作進(jìn)展順利。
    3.3卸載溫度
    卸載日期中，總體平均氣溫的從高到低的順序?yàn)椋?3日、17日、16日、15日、14日。
    卸載期間鋼結(jié)構(gòu)總體的溫度場狀態(tài)是，上弦桿件的北側(cè)和西側(cè)構(gòu)件溫差變化比南側(cè)和東側(cè)構(gòu)件要高。這與陽光照射角度有關(guān)。
    立面結(jié)構(gòu)離散性較小，溫度曲線較平緩，白天同一時(shí)刻平均溫度較頂面結(jié)構(gòu)低。
    立面結(jié)構(gòu)溫差大的桿件多發(fā)生在外圈測點(diǎn)。在卸載時(shí)間內(nèi)，南側(cè)溫度偏高。
    頂面結(jié)構(gòu)的上弦表面、立面結(jié)構(gòu)的外圈測點(diǎn)溫差大的原因，均產(chǎn)生于太陽直射。因此，可推斷對(duì)溫度應(yīng)力有較大影響的構(gòu)件可通過遮陽措施改善其溫度應(yīng)力狀態(tài)。
    4結(jié)語
    采用無線溫度測試系統(tǒng)可有效測試鋼結(jié)構(gòu)本體表面溫度，無需拉線，全部測試數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，測試結(jié)果可以作為鋼結(jié)構(gòu)施工各步驟決策依據(jù)參考，以及鳥巢鋼結(jié)構(gòu)本體溫度的檔案資料，可供相關(guān)分析和計(jì)算使用，同時(shí)也可以作為今后類似工程參考。
    參考文獻(xiàn)
    [1] 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)溫度自動(dòng)測試方案[C]，鐵道科學(xué)研究院、北京城建集團(tuán)國家體育場工程總承包部，2006年7月.
    [2] 張玉玲、王麗. 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)本體溫度自動(dòng)測試及分析報(bào)告（合攏階段）[R]. TY字第2157號(hào)2006年鐵字第0735-1號(hào)，北京：鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告，2006年9月.
    [3] 國家體育場工程鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載操作程序手冊[C]，北京城建集團(tuán)國家體育場工程總承包部，2006年9月.
    [4] 張玉玲、王麗. 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)本體溫度自動(dòng)測試及分析報(bào)告（卸載階段）[R]. TY字第2157號(hào)2006年鐵字第0735-2號(hào)，北京：鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告，2006年9月.

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