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

時(shí)間:2008-08-22 09:37:00來源:fenghy

導(dǎo)語:?研制開發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)本體溫度無線測(cè)試系統(tǒng),對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)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(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度監(jiān)測(cè)
摘要:研制開發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)本體溫度無線測(cè)試系統(tǒng),對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)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(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度監(jiān)測(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)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(guó)家體育場(chǎng);鳥巢鋼結(jié)構(gòu);合攏;卸載;無線溫度測(cè)試 國(guó)家體育場(chǎng)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(chǎng)。體育場(chǎng)建筑頂面呈鞍形,長(zhǎng)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(chǎng)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(guó)家體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,監(jiān)測(cè)范圍覆蓋面廣,如采用有線傳輸方案,勢(shì)必影響施工單位的組裝作業(yè),若單點(diǎn)逐一測(cè)試,則測(cè)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(chǎng)的客觀條件,開發(fā)研制了無線溫度測(cè)試系統(tǒng),既保證測(cè)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(cè),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(chǎng)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(cè)系統(tǒng) 1.1傳感器 監(jiān)測(cè)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(cè)試精度 0.5℃時(shí)溫度量程-10℃~85℃,測(cè)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(cè)試盒中。測(cè)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(cè)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(cè)量和各點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的需要,測(cè)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(jiǎn)潔明了,便于操作,見圖4和圖5。
本測(cè)試系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是避免了現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)不用外接電源線,由儀器直接攜帶電池?,F(xiàn)場(chǎng)沒有冗長(zhǎng)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(chǎng)施工的影響。 測(cè)試前對(duì)該系統(tǒng)測(cè)試輸出結(jié)果與ADT-I數(shù)字式鋼軌測(cè)溫儀(量程:-45℃~+80℃)的點(diǎn)溫測(cè)試讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比,兩種方式的測(cè)試讀數(shù)誤差為1%以下,算術(shù)差小于±0.5℃,說明本測(cè)試系統(tǒng)滿足精度要求。 2 施工過程及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 2.1測(cè)點(diǎn)布置 共布置60個(gè)測(cè)點(diǎn),分別擺放在測(cè)試桿件的上表面或測(cè)點(diǎn)附近斜桿表面,立面結(jié)構(gòu)擺放在桿件的側(cè)面。測(cè)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(cè)點(diǎn)。通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度實(shí)際測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)能夠代表鋼結(jié)構(gòu)整體溫度情況。測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果見圖7。
3數(shù)據(jù)分析 3.1鋼結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)規(guī)律 從各點(diǎn)測(cè)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(zhǎng),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(zhǎng)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(chǎng)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(yáng)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(cè)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(cè)點(diǎn)溫差大的原因,均產(chǎn)生于太陽(yáng)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(yáng)措施改善其溫度應(yīng)力狀態(tài)。 4 結(jié)語 采用無線溫度測(cè)試系統(tǒng)可有效測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)本體表面溫度,無需拉線,全部測(cè)試數(shù)據(jù)正常,系統(tǒng)穩(wěn)定,測(cè)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(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)溫度自動(dòng)測(cè)試方案[C],鐵道科學(xué)研究院、北京城建集團(tuán)國(guó)家體育場(chǎng)工程總承包部,2006年7月. [2] 張玉玲、王麗. 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度自動(dòng)測(cè)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(guó)家體育場(chǎng)工程鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載操作程序手冊(cè)[C],北京城建集團(tuán)國(guó)家體育場(chǎng)工程總承包部,2006年9月. [4] 張玉玲、王麗. 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度自動(dòng)測(cè)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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