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【摘 要】空间大跨结构的发展是衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志之一，然而如何能够保证这些大跨结构在施工及运营阶段的安全也成为现在研究的热点。本文对大跨钢屋盖屋面板加载过程进行了实时在线监测，以确保结构的施工安全和正常使用，同时也可以验证监测过程中整个系统的有效性。
【关键词】空间大跨，屋面加载，模拟分析，健康监测
中图分类号：TU74文献标识码： A
大跨度空间结构的发展已经成为衡量一个国家建筑科学水平的重要标志之一。因为它的跨度大、质量轻、造型丰富优美，在一些大众文化交流、体育娱乐等重要设施，如体育场馆、展览会馆等已被广泛应用。由于这种大型公共建筑物具有很高的社会效益和经济效益，使之安全顺利的建造成型并投入正常使用就具有极其重要的意义[1]。
西宁体育场的修建是青海省的一项重要工程，亦是青海省的地标性建筑。屋面板的安装是一道复杂的工序，屋面板安装首先将主结构檩托调差完檩条，对施工作业面上已安装完成的钢结构檩条及各关键部位的标高进行复测，达到设计要求；屋面彩钢底板制作在工厂加工成形，包装成捆，直接由链葫芦成捆进行提升，在高空拆包进行屋面底板的安装作业。在施工过程中由于屋面板等材料的吊装及各种机械设备的来回移动，动载较大，施工人员很多，为了保证安全，同时也为了确保工程质量，依据《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)、《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)、《建筑结构检测技术标准》(GB/T50344-2004)、《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB/T11345)以及《网架结构工程质量检验评定标准》(JGJ78-91)等，在工程施工过程中(本文主要是指屋面板的加载过程)采取一系列的工程质量控制措施。在屋面板的加载期间，按照结构初始设计要求对结构的关键部位实施动态监测。
1 西宁体育场屋面加载施工健康监测
1.1 体育场在施工及运营阶段整体监测方案
钢构件的应力应变是体育场钢屋盖加载施工监测的主要对象[3]。传感子系统、数据采集与传输子系统和数据管理与分析子系统组成了它的监测系统。采用的仪器设备有光纤光栅钢结构应变传感器(FSS3211DS，量程3500με)、光纤光栅砼表面应变传感器(FSS0221DS，量程3500με)、钢弦表面应变计(YH0212A，量程3500με)、光纤光栅传感智能分析仪(FAS—B)、测读仪(YH6406)、自动采集无线传输模块(YH6601)、数据采控软件(YH9500)、电脑等。
测点布置及测点编号综合考虑结构受力分析结果，选择44根关键构件进行应变监测。如图2中平面布置图中4处位置，其中2处红色标记位置处选用光纤光栅应变传感器，2处绿色标记位置处用钢弦传感器，每处包括：4根撑杆、3根弦杆、2根腹杆、1根环形钢管(洋红色标记)、1个砼柱顶(蓝色标记)。每个构件测点的传感器数量应足以真实反映相应位置的应力情况。
本项目在屋面板加载施工阶段以及后面的长期运营阶段都是采用两套系统，在体育场的北面和西面采用钢弦传感器，南面和东面采用光纤光栅应力应变传感器及混凝土应变计，数据采集采用光纤光栅信号采集分析仪及钢弦采集分析仪。
传感器的安装采用焊接式，各杆件都是按照逆时针方向进行编号的。
1.2 体育场屋面板加载过程中西面和南面监测数据分析
考虑到结构东西对称、南北对称，所以在本文中只取了西面和南面管桁架关键杆件的监测数据进行分析。
分析监测结果可以看出，在卸载之后开始加载屋面板的过程当中，短轴方向的环杆主要以受压为主，从总体趋势看，环向杆的应力是逐渐减小的；下弦杆主要以受压为主，测点应力值以负值居多，其应力大小值呈现逐渐增大的趋势；从监测结果来看，上弦杆在这个过程中呈受压状态，应力值的大小是逐步减小的；腹杆受压，且应力值的变化比较平稳；混凝土柱上的应力虽然拉压都有，但是其正值居多，主要还是以受拉为主；撑杆上的应力值基本以负值为主，主要受压，撑杆ZC2和ZC4虽然在刚开始应力值的变化起伏较大，但是到后来都是趋于稳定的，撑杆的应力值大小逐渐增大，增大的幅度不大，较平稳。
分析应力变化图可以看出，长轴方向的环向杆以受压为主，且绝大多数的应力变化都比较平稳；下弦杆中，8#杆件主要受压，应力变化到后期趋于稳定，应力值的大小呈逐渐减小的趋势。12#杆件由受拉变为后面的以受压为主，应力值的变化较小，较平稳；上弦杆由刚开始的受拉变为后面的以受压为主，应力值的变化较缓，且应力值的大小逐渐减小；在本次监测中，长轴方向的腹杆都是以手拉为主的，应力值变化很小；混凝土柱上的应力主要也是受拉为主，应力变化虽有起伏，但是总体都是趋于稳定的；撑杆中，SZC5和SZC6受拉，应力值变化稳中有升。SZC7和SZC8受压，应力大小稳中有降。
通过对比可以发现最大的不同有两点：
第一，在本次监测的过程中，短轴方向腹杆主要受压，而长轴方向的腹杆以受拉为主；
第二，短轴方向的撑杆和长轴方向的撑杆SZC5与SZC6在单榀管桁架中处于同一位置，但撑杆ZC1与ZC2主要受压，撑杆SZC5与SZC6受拉。
究其原因，首先是因为在结构短轴和长轴的受力状况有些不同，短轴具有较大跨度的悬挑立体桁架，短轴屋盖的悬挑长度比长轴长18.2m。再加上在屋面板加载过程中屋面板及各种机械设备的吊装及移动等各种动荷载的施加会导致其受力会有不同。
总体而言，在本次监测中，不管是长轴方向还是短轴方向的管桁架，尽管其关键杆件应力会有波动，个别也会出现了波动较大的应力点，但随时间的进行各测点都会趋于平稳，说明可能是因为临时的局部荷载所造成的。几乎所有的杆件到后面應力都趋于稳定，说明在屋面板加载这一段时间内钢屋盖基本属于正常工作状态。
通过实时在线监测分析表明：由于西宁的高原气候及其一天的温差变化比较大，再加上它施工荷载的不定性等诸多因素的影响，结构杆件的微应变偏差值离散性有时变化较大，特别像是在混凝土柱上和撑杆上的微应变。各监测杆件都处于其弹性工作范围之内，都没有达到结构材料的应力设计值(345MPa)。
2结论
1、几乎所有的杆件到后面应力都趋于稳定，说明在屋面板加载的这一段时间内钢屋盖基本属于正常工作状态。
2、屋面板加载的实时在线监测分析表明：由于西宁的高原气候及其一天的温差变化比较大，再加上它施工荷载的不定性等诸多因素的影响，结构杆件的微应变偏差值离散性有时变化较大，特别像是在混凝土柱上和撑杆上的微应变。各监测杆件都处于其弹性工作范围之内，都没有达到结构材料的应力设计值(345MPa)。
3参考文献
刘涛. 大跨度空间结构施工的数值模拟与健康监测[D]. 天津: 天津大学, 2005
金恩平. 空间网格结构健康监测与安全性评价方法研究[D]. 兰州理工大学, 2011
张启伟, 袁万城, 崔飞. 桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J]. 同济大学学报.1999, 27(2): 11-14
【关键词】空间大跨，屋面加载，模拟分析，健康监测
中图分类号：TU74文献标识码： A
大跨度空间结构的发展已经成为衡量一个国家建筑科学水平的重要标志之一。因为它的跨度大、质量轻、造型丰富优美，在一些大众文化交流、体育娱乐等重要设施，如体育场馆、展览会馆等已被广泛应用。由于这种大型公共建筑物具有很高的社会效益和经济效益，使之安全顺利的建造成型并投入正常使用就具有极其重要的意义[1]。
西宁体育场的修建是青海省的一项重要工程，亦是青海省的地标性建筑。屋面板的安装是一道复杂的工序，屋面板安装首先将主结构檩托调差完檩条，对施工作业面上已安装完成的钢结构檩条及各关键部位的标高进行复测，达到设计要求；屋面彩钢底板制作在工厂加工成形，包装成捆，直接由链葫芦成捆进行提升，在高空拆包进行屋面底板的安装作业。在施工过程中由于屋面板等材料的吊装及各种机械设备的来回移动，动载较大，施工人员很多，为了保证安全，同时也为了确保工程质量，依据《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)、《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)、《建筑结构检测技术标准》(GB/T50344-2004)、《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB/T11345)以及《网架结构工程质量检验评定标准》(JGJ78-91)等，在工程施工过程中(本文主要是指屋面板的加载过程)采取一系列的工程质量控制措施。在屋面板的加载期间，按照结构初始设计要求对结构的关键部位实施动态监测。
1 西宁体育场屋面加载施工健康监测
1.1 体育场在施工及运营阶段整体监测方案
钢构件的应力应变是体育场钢屋盖加载施工监测的主要对象[3]。传感子系统、数据采集与传输子系统和数据管理与分析子系统组成了它的监测系统。采用的仪器设备有光纤光栅钢结构应变传感器(FSS3211DS，量程3500με)、光纤光栅砼表面应变传感器(FSS0221DS，量程3500με)、钢弦表面应变计(YH0212A，量程3500με)、光纤光栅传感智能分析仪(FAS—B)、测读仪(YH6406)、自动采集无线传输模块(YH6601)、数据采控软件(YH9500)、电脑等。
测点布置及测点编号综合考虑结构受力分析结果，选择44根关键构件进行应变监测。如图2中平面布置图中4处位置，其中2处红色标记位置处选用光纤光栅应变传感器，2处绿色标记位置处用钢弦传感器，每处包括：4根撑杆、3根弦杆、2根腹杆、1根环形钢管(洋红色标记)、1个砼柱顶(蓝色标记)。每个构件测点的传感器数量应足以真实反映相应位置的应力情况。
本项目在屋面板加载施工阶段以及后面的长期运营阶段都是采用两套系统，在体育场的北面和西面采用钢弦传感器，南面和东面采用光纤光栅应力应变传感器及混凝土应变计，数据采集采用光纤光栅信号采集分析仪及钢弦采集分析仪。
传感器的安装采用焊接式，各杆件都是按照逆时针方向进行编号的。
1.2 体育场屋面板加载过程中西面和南面监测数据分析
考虑到结构东西对称、南北对称，所以在本文中只取了西面和南面管桁架关键杆件的监测数据进行分析。
分析监测结果可以看出，在卸载之后开始加载屋面板的过程当中，短轴方向的环杆主要以受压为主，从总体趋势看，环向杆的应力是逐渐减小的；下弦杆主要以受压为主，测点应力值以负值居多，其应力大小值呈现逐渐增大的趋势；从监测结果来看，上弦杆在这个过程中呈受压状态，应力值的大小是逐步减小的；腹杆受压，且应力值的变化比较平稳；混凝土柱上的应力虽然拉压都有，但是其正值居多，主要还是以受拉为主；撑杆上的应力值基本以负值为主，主要受压，撑杆ZC2和ZC4虽然在刚开始应力值的变化起伏较大，但是到后来都是趋于稳定的，撑杆的应力值大小逐渐增大，增大的幅度不大，较平稳。
分析应力变化图可以看出，长轴方向的环向杆以受压为主，且绝大多数的应力变化都比较平稳；下弦杆中，8#杆件主要受压，应力变化到后期趋于稳定，应力值的大小呈逐渐减小的趋势。12#杆件由受拉变为后面的以受压为主，应力值的变化较小，较平稳；上弦杆由刚开始的受拉变为后面的以受压为主，应力值的变化较缓，且应力值的大小逐渐减小；在本次监测中，长轴方向的腹杆都是以手拉为主的，应力值变化很小；混凝土柱上的应力主要也是受拉为主，应力变化虽有起伏，但是总体都是趋于稳定的；撑杆中，SZC5和SZC6受拉，应力值变化稳中有升。SZC7和SZC8受压，应力大小稳中有降。
通过对比可以发现最大的不同有两点：
第一，在本次监测的过程中，短轴方向腹杆主要受压，而长轴方向的腹杆以受拉为主；
第二，短轴方向的撑杆和长轴方向的撑杆SZC5与SZC6在单榀管桁架中处于同一位置，但撑杆ZC1与ZC2主要受压，撑杆SZC5与SZC6受拉。
究其原因，首先是因为在结构短轴和长轴的受力状况有些不同，短轴具有较大跨度的悬挑立体桁架，短轴屋盖的悬挑长度比长轴长18.2m。再加上在屋面板加载过程中屋面板及各种机械设备的吊装及移动等各种动荷载的施加会导致其受力会有不同。
总体而言，在本次监测中，不管是长轴方向还是短轴方向的管桁架，尽管其关键杆件应力会有波动，个别也会出现了波动较大的应力点，但随时间的进行各测点都会趋于平稳，说明可能是因为临时的局部荷载所造成的。几乎所有的杆件到后面應力都趋于稳定，说明在屋面板加载这一段时间内钢屋盖基本属于正常工作状态。
通过实时在线监测分析表明：由于西宁的高原气候及其一天的温差变化比较大，再加上它施工荷载的不定性等诸多因素的影响，结构杆件的微应变偏差值离散性有时变化较大，特别像是在混凝土柱上和撑杆上的微应变。各监测杆件都处于其弹性工作范围之内，都没有达到结构材料的应力设计值(345MPa)。
2结论
1、几乎所有的杆件到后面应力都趋于稳定，说明在屋面板加载的这一段时间内钢屋盖基本属于正常工作状态。
2、屋面板加载的实时在线监测分析表明：由于西宁的高原气候及其一天的温差变化比较大，再加上它施工荷载的不定性等诸多因素的影响，结构杆件的微应变偏差值离散性有时变化较大，特别像是在混凝土柱上和撑杆上的微应变。各监测杆件都处于其弹性工作范围之内，都没有达到结构材料的应力设计值(345MPa)。
3参考文献
刘涛. 大跨度空间结构施工的数值模拟与健康监测[D]. 天津: 天津大学, 2005
金恩平. 空间网格结构健康监测与安全性评价方法研究[D]. 兰州理工大学, 2011
张启伟, 袁万城, 崔飞. 桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J]. 同济大学学报.1999, 27(2): 11-14