上海旗忠网球中心预应力混凝土看台结构施工监测研究

第40卷第6期建 筑 结 构2010年6月上海旗忠网球中心预应力混凝土看台结构施工监测研究*薛伟辰1, 姜东升1, 徐壮涛1, 陈以一1, 林颖儒2(1同济大学建筑工程系,上海200092;2上海建筑设计研究院有限公司,上海200041)[摘要] 上海旗忠网球中心预应力混凝土看台结构体系新颖,施工工艺复杂。

应用Bragg 光栅光纤应变传感器、振弦式智能钢筋应力计以及混凝土应变计等先进传感器件,对看台结构在混凝土浇筑、预应力张拉以及钢屋盖吊装等关键施工阶段控制截面的混凝土、钢筋和预应力筋应力,整体与局部变形等进行了监测与研究。

研究表明:在施工全过程中结构基本处于弹性工作状态,控制截面应力与结构变形均处于安全范围内;在预应力张拉前部分截面混凝土出现了较大的拉应力,但在张拉后结构基本处于全截面受压状态;对于预应力混凝土空间结构体系,宜采用先径向后环向的预应力张拉顺序;Bragg 光栅光纤应变传感器、振弦式智能钢筋应力计以及混凝土应变计的工作性能稳定且精度较高,可应用于重大工程结构的施工过程监测。

[关键词] 预应力混凝土;看台结构;施工监测;Bragg 光栅Study on construction monitoring for prestressed concrete stand of Shanghai Qizhong Tennis C enterXue Weichen 1,Jiang Dongsheng 1,Xu Zhuangtao 1,Chen Yiyi 1,Lin Yingru2(1Department of Building Engineering,Tongji University ,Shanghai 200092,China;2Shanghai Institute of Architectural Design &Research Co.,Ltd.,Shanghai 200041,China)Abstract :The structural system of Shanghai Qizhong T enni s Center is novel,and the cons truction is complicated.Fiber Bragg grating strain sensors,i ntelligen t concrete sensors and steel bar sensors were used to monitor stresses of concrete,steel bars and prestressing tendons at the i mportant secti ons of the prestressed concrete stand during the key construction stages,such as concrete casting,prestress stretching and the steel roof lifting and installing.Observati ons and investi gations indicate that this structure is mainly in elastic range and the stresses and deformations remain in safety ranges during the global construction process;the tensile stresses of concrete in partial sections are relatively large before prestress stretching,but after prestress stretching the sections are all in compression;the radial tendons should be s tretched prior to the circumferential tendons.It can be observed that fiber Bragg grating strain sensors,intelligent concrete sensors and steel bar sensors have stable behavior and high precision during prestress detecting,which are alternatives to be used in construction monitoring of importan t engineering structures.Keywords :prestressed concrete;stand structure;construction monitoring;Bragg*上海旗忠森林体育城网球中心重点科研项目。

作者简介:薛伟辰,教授,博导,Email:Xue w c@0 前言对重大结构进行施工监测,可以有效预防结构在施工过程中发生事故[1]。

目前,国内外很多重大工程都开展了施工监测,如上海八万人体育场大斜柱施工监测[2];广州地铁二号线鹭中区间隧道施工对地表沉降、空隙水压力、支护土压力的全过程监测[3];荷兰Botlek 铁路隧道施工过程中对盾构机、衬砌的结构特性以及隧道动力性状的监测等。

近年来振弦式传感器因其适用性强和性能稳定等优点而得到广泛的应用,其输出的是数字频率信号,抗干扰能力较强,对电缆要求低,并可用于远程测量。

另外,基于智能材料的新型传感器已成功地应用于各类土木工程结构的施工监测,新型智能传感器主要有光纤布拉格光栅传感器、纤维增强聚合物 光纤光栅筋及其应变传感器、压电薄膜传感器、形状记忆合金传感器和疲劳寿命丝传感器等[4]。

布拉格(Bra gg)光栅(FBG)传感器是在一根光纤的纤面刻出一个光栅,通过应变与衍射条纹的变化之间的关系可以由探测器所接收到的光信号得到这一微小区域的应变值。

在光纤的长度上可分布一系列不同波长的光栅,从而可以获得多个点的参量信息,因而FBG 传感器可进行准分布式测量[5]。

采用振弦式混凝土应变计、钢筋应力计以及Bragg 光栅光纤应变传感器对上海旗忠网球中心预应力混凝土看台结构进行了施工全过程监测,并提出了大型预应力混凝土空间结构的施工和监测建议。

1工程背景上海旗忠网球中心位于上海市闵行区马桥镇,总建筑面积85436m 2。

该网球中心作为亚洲最大的网球场,是2005~2007年国际网球大师杯总决赛的举办场地,整个工程由上海建筑设计研究院有限公司设计。

该网球中心主赛场结构包括预应力混凝土看台结构与可开启式钢屋盖两部分,其中预应力混凝土看台结构直径为128m,高度约为24m 。

钢屋盖部分重达4000t 左右,由一圈封闭的钢桁架及8片巨型叶片组成,其开启方式模仿上海市市花 白玉兰的开花过程。

图1,2分别为主赛场鸟瞰图和看台主体结构示意图。

图1 上海旗忠网球中心主赛场鸟瞰图图2 混凝土看台主体结构示意图上海旗忠网球中心预应力混凝土看台结构的主体承载部分是由64根混凝土斜梁、2根环梁和32根立柱组成的倒锥台形整体空间结构,通过分段、分批张拉64根斜梁和2根环梁的预应力束,将混凝土斜梁与环梁连成整体结构。

该结构的主要施工工序为:支撑体系布置、分区浇筑斜梁和环梁混凝土、张拉径向与环向预应力束等。

待预应力混凝土看台主体结构完成后,吊装钢结构屋盖,由于吊装场地和吊装机械的限制,采用一点吊装。

因此须将先批吊装的构件在看台顶部滑移一定角度后吊装下批构件。

为了确保预应力混凝土看台结构在上述复杂施工过程中的施工质量,确保预应力筋的有效预应力 pe 满足设计要求,防止施工过程中出现过大的变形,有效预防重大工程质量事故的发生,对结构在施工全过程中的应力、应变、变形等受力状态进行了监测与分析。

2监测方案2 1监测内容上海旗忠网球中心预应力混凝土结构在施工过程中,按照设计要求设置分仓缝,把平面(圆环形)均匀地分为八个施工区域。

监测时选取第八区作为主监测区,同时在其对称区域第四区也布置部分测点。

根据结构的受力特点以及控制结构性能的关键参数确定如下监测内容:1)斜梁控制截面的混凝土、普通钢筋及钢绞线应力;2)环梁控制截面的混凝土、普通钢筋及钢绞线应力;3)结构竖向及水平变形;4)预应力筋有效应力、预应力筋张拉控制力和预应力筋伸长值。

2 2监测方法为了确保长期测量的数据稳定性和精度,采用了较先进的测量仪器和方法:(1)混凝土和钢筋应力分别采用振弦式智能混凝土应变计和钢筋应力计,见图3,4。

该传感器具有高灵敏度和高稳定性等特性。

应变与频率的变化关系为:=4mL 2f 2 EA式中,m 为钢弦单位长度的质量 kg m,L 为钢弦两支点间距离 m,A 和E 分别为钢弦截面面积与弹性模量,f 为钢弦振动的频率。

(2)预应力筋有效应力由应变片测量。

(3)预应力筋应力增量采用Bragg 光栅(FBG)光纤应变传感器量测。

光纤传感器具有极高的灵敏度和精度、抗电磁干扰、高绝缘强度和耐高温等优点。

图5,6分别是Bragg 光栅(FBG)光纤应变传感器和光纤光栅传感网格分析仪。

FBG 应变传感器应变与波长的换算公式为:=( B, - B, 0) 1000-24 5 !T 1 2其中, B, 为应变传感器测得的Bra gg 波长, B , 0为自由状态时应变传感器测得的Bragg 波长,!T 为温度相对变化量 !。

(4)结构的变形通过设定的基准点,利用水准仪和经纬仪测量斜梁顶部、跨中及根部的竖向及水平向变形。

图3 振弦式智能混凝土应变计图4 振弦式智能钢筋应力计图5 光纤光栅应变传感器图6 光纤光栅传感网络分析仪2 3测点布置径向测点布置在斜梁118和斜梁120上(64根斜梁按顺时针以2,4,6∀128依次编号),每根斜梁选取3个截面布置测点。

环向选取8个截面,分别布置在斜梁54~56间、斜梁116~118间、斜梁118~120间和斜梁120~122间的环梁PL4和环梁PL3上,各截面位置及截面中测点布置示意见图7。

图7 测点布置图3测试结果及分析3 1混凝土应力图8~10分别为斜梁、环梁PL4和环梁PL3截面混凝土应力曲线。

应力值均以受压为正,其值由混凝土应变换算得到,在换算中采用了相应时期的混凝土实测弹性模量。

图中的日期对应的主要施工工况如下:2004年10月1日进行第四区和第八区混凝土浇筑;10月22日进行径向预应力张拉;10月27日完成环向预应力张拉;11月20日开始吊装钢桁架;2005年1月12日所有钢桁架闭合;3月16日开始吊装第1片叶片;4月26日完成第8片叶片吊装;5月24日钢屋盖闭合,支撑撤除;6月2日钢屋盖开启。