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無(wú)線(xiàn)溫度測試系統 在鳥(niǎo)巢鋼結構合攏和卸載施工中的應用

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    張玉玲 邱德隆 萬(wàn)里程 王麗 張林 陳晨

    [摘 要] 研制開(kāi)發(fā)了鋼結構本體溫度無(wú)線(xiàn)測試系統，對國家體育場(chǎng)即“鳥(niǎo)巢”鋼結構的合攏施工和卸載過(guò)程進(jìn)行了現場(chǎng)鋼結構本體溫度監測。根據均勻分布于鳥(niǎo)巢鋼結構本體頂面、立面和立面次結構上的監測點(diǎn)數據，評價(jià)了鋼結構構件在合攏和卸載施工過(guò)程的實(shí)際溫度狀態(tài)和分布規律。分析認為，合攏期間鋼結構本體溫度均滿(mǎn)足設計規定的要求，各階段溫度測試數據可為鳥(niǎo)巢鋼結構的后續施工應力分析提供依據。所建立的鋼結構本體溫度無(wú)線(xiàn)測試系統可推廣應用于類(lèi)似鋼結構工程。
    [關(guān)鍵詞] 國家體育場(chǎng)；鳥(niǎo)巢鋼結構；合攏；卸載；無(wú)線(xiàn)溫度測試

    國家體育場(chǎng)位于北京市成府路南側，奧林匹克公園中心區內，是2008年北京第29屆奧運會(huì )的主體育場(chǎng)。體育場(chǎng)建筑頂面呈鞍形，長(cháng)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(wàn)?。
    體育場(chǎng)鋼結構采用的基本施工順序如下：1)安裝桁架柱柱腳、立面次結構柱腳、樓梯柱柱腳；設置78個(gè)臨時(shí)支撐塔架；2)分段吊裝桁架柱、立面次結構(倒角區以下部分)、樓梯柱的下半部分、立面樓梯；3)開(kāi)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)安裝頂面次結構與轉角區立面次結構、樓梯柱的上半部分；8)安裝馬道及各種設備吊掛支架、屋面PTFE膜結構及下弦PTFE聲學(xué)吊頂、燈光、音響、大屏幕等設備。
    北京地區屬于大陸性氣候，晝夜溫差大，冬夏季溫度差別也大，溫度對鋼結構的作用明顯。為減少溫度對鋼結構的影響，在結構形成整體前按要求留設了四條合攏線(xiàn)，各部分結構施工完畢后進(jìn)行合攏，形成鳥(niǎo)巢主結構。合攏時(shí)，鋼結構本體溫度必須達到合理范圍，才能保證結構在任何氣候狀況下，各項指標變化都在規定范圍內。卸載時(shí)，鳥(niǎo)巢將經(jīng)歷一次使鋼結構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換過(guò)程，每個(gè)步驟對鋼結構是否安全合理受力有重要的影響，需要掌握鋼結構構件的實(shí)際溫度狀態(tài)，以便有效分析卸載時(shí)鋼結構體系轉換的受力狀態(tài)。
    由于國家體育場(chǎng)結構復雜，監測范圍覆蓋面廣，如采用有線(xiàn)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，影響數據的及時(shí)反饋。為此，專(zhuān)門(mén)針對體育場(chǎng)的客觀(guān)條件，開(kāi)發(fā)研制了無(wú)線(xiàn)溫度測試系統，既保證測試數據的穩定可靠和高效率，又使對施工影響降到最低。通過(guò)合攏時(shí)段和卸載階段的溫度實(shí)時(shí)監測，保證了合攏溫度控制準確，掌握了卸載施工的溫度狀態(tài)。為體育場(chǎng)鋼結構工程的施工提供了重要的科學(xué)決策依據。
    1監測系統
    1.1傳感器
    監測傳感器為DS18B20型號的一線(xiàn)式數字溫度傳感器，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℃。傳感器導線(xiàn)與數據采集、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，便于在鋼結構表面任意部位磁力安設。見(jiàn)圖1和圖2。


    整個(gè)系統由傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統和數據管理分析子系統構成。數據的采集和信號的發(fā)射采用自帶電池。
    在選定的部位設置熱電偶傳感器，所測到的鋼板表面溫度信號通過(guò)數據采集與傳輸子系統轉換為數字信號，由無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置將信號傳輸到信號接收儀，其與計算機相連，信號進(jìn)入數據管理與分析子系統。
    數據管理與分析子系統包括進(jìn)行數據采集、數據處理和分析、數據存儲和終端管理等，由VC可視化編程語(yǔ)言編制，實(shí)現了自動(dòng)和手動(dòng)兩種溫度采集模式，以滿(mǎn)足任意時(shí)間間隔采集頻次的數據測量和各點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度監測的需要，測試結果自動(dòng)保存在程序的配置文件中。各子系統在物理上、邏輯上和功能上聯(lián)動(dòng)和協(xié)同工作，軟件對各子系統進(jìn)行統一控制。終端界面簡(jiǎn)潔明了，便于操作，見(jiàn)圖4和圖5。

    本測試系統最大的特點(diǎn)是避免了現場(chǎng)布線(xiàn)。采集到的數字信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射和接收直接傳輸給計算機進(jìn)行處理，避免了采用電纜線(xiàn)傳輸時(shí)信號的衰減。測試現場(chǎng)不用外接電源線(xiàn)，由儀器直接攜帶電池?，F場(chǎng)沒(méi)有冗長(cháng)而煩瑣的各種信號線(xiàn)和電源線(xiàn)，最大限度地降低了對現場(chǎng)施工的影響。
    測試前對該系統測試輸出結果與ADT-I數字式鋼軌測溫儀（量程：-45℃~+80℃）的點(diǎn)溫測試讀數進(jìn)行對比，兩種方式的測試讀數誤差為1％以下，算術(shù)差小于±0.5℃，說(shuō)明本測試系統滿(mǎn)足精度要求。
    2施工過(guò)程及現場(chǎng)監測
    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，立面結構擺放在桿件的側面。測點(diǎn)分布在頂面桁架上弦18個(gè)點(diǎn)、下弦18個(gè)點(diǎn)；立面結構分別布置在4個(gè)桁架柱上，每柱5點(diǎn)；對應的柱間次結構布設4個(gè)測點(diǎn)。通過(guò)對鋼結構本體溫度實(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)的溫度分布規律、離散幅度很小，因此可以認為所布設的60個(gè)測點(diǎn)能夠代表鋼結構整體溫度情況。測點(diǎn)布置圖[1]見(jiàn)圖6。

    2.2合攏施工
    共留有4條合攏線(xiàn)，一般需要分成四個(gè)夜間才能焊完。施工中根據具體情況將其中的兩條合攏線(xiàn)連續施工，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。
    測試數據表明，鋼結構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達到22.9℃；1:15降到22.9℃，之后之后溫度平穩下降。各點(diǎn)間的溫度差每半小時(shí)變化均在±0.2℃范圍內。頂面結構的最高溫度點(diǎn)和最低溫度點(diǎn)，均在平均溫度±2℃范圍內，滿(mǎn)足設計對合攏溫度的要求[2]。25日溫度監測結果見(jiàn)圖7。



    3數據分析
    3.1鋼結構溫度場(chǎng)規律
    從各點(diǎn)測試規律看，白天溫度升高，夜間溫度下降；8月上旬晴天時(shí)白天鋼構件本體溫度離散性很大，相應時(shí)段在12:00～17:00，14:00～15:00出現最高溫度；陰天離散性較小，最高溫度出現在13:00～15:00。
    鋼結構本體各構件的晝夜溫差變化較大，頂面結構構件更為明顯，8月份晴天最高可達25℃。
    白天同一時(shí)刻的上弦溫度比對應的下弦溫度高，8月份最高約達10℃。
    立面結構在白天同一時(shí)刻平均溫度較頂面結構低。
    總體來(lái)說(shuō)，8月下旬夜間00:00以后鋼結構本體溫度與氣溫差距不大，各點(diǎn)溫度數據均勻性較好，溫度上下限均在平均溫度的±2℃以?xún)?，符合合攏要求的溫度出現較早，且持續時(shí)間較長(cháng)，對鋼結構的合攏有利。
    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(lái)很早，22:00以后已經(jīng)滿(mǎn)足合攏設計溫度要求；8月28日第二個(gè)合攏日天氣最熱，直至夜間2:30以后鋼結構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，卻用去相當長(cháng)的時(shí)間，到0:00才能夠施工。
    合攏時(shí)頂面結構的平均溫度范圍：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日立面結構合攏時(shí)的平均溫度范圍為22.6℃～22.4℃。鋼結構本體溫度均達到設計規定的合攏溫度，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為：13日、17日、16日、15日、14日。
    卸載期間鋼結構總體的溫度場(chǎng)狀態(tài)是，上弦桿件的北側和西側構件溫差變化比南側和東側構件要高。這與陽(yáng)光照射角度有關(guān)。
    立面結構離散性較小，溫度曲線(xiàn)較平緩，白天同一時(shí)刻平均溫度較頂面結構低。
    立面結構溫差大的桿件多發(fā)生在外圈測點(diǎn)。在卸載時(shí)間內，南側溫度偏高。
    頂面結構的上弦表面、立面結構的外圈測點(diǎn)溫差大的原因，均產(chǎn)生于太陽(yáng)直射。因此，可推斷對溫度應力有較大影響的構件可通過(guò)遮陽(yáng)措施改善其溫度應力狀態(tài)。
    4結語(yǔ)
    采用無(wú)線(xiàn)溫度測試系統可有效測試鋼結構本體表面溫度，無(wú)需拉線(xiàn)，全部測試數據正常，系統穩定，測試結果可以作為鋼結構施工各步驟決策依據參考，以及鳥(niǎo)巢鋼結構本體溫度的檔案資料，可供相關(guān)分析和計算使用，同時(shí)也可以作為今后類(lèi)似工程參考。
    參考文獻
    [1] 國家體育場(chǎng)鋼結構溫度自動(dòng)測試方案[C]，鐵道科學(xué)研究院、北京城建集團國家體育場(chǎng)工程總承包部，2006年7月.
    [2] 張玉玲、王麗. 國家體育場(chǎng)鋼結構本體溫度自動(dòng)測試及分析報告（合攏階段）[R]. TY字第2157號2006年鐵字第0735-1號，北京：鐵道科學(xué)研究院研究報告，2006年9月.
    [3] 國家體育場(chǎng)工程鋼結構支撐塔架卸載操作程序手冊[C]，北京城建集團國家體育場(chǎng)工程總承包部，2006年9月.
    [4] 張玉玲、王麗. 國家體育場(chǎng)鋼結構本體溫度自動(dòng)測試及分析報告（卸載階段）[R]. TY字第2157號2006年鐵字第0735-2號，北京：鐵道科學(xué)研究院研究報告，2006年9月.

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