由22條晶瑩的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞，遠(yuǎn)觀飄逸，近看宏偉……作為2022北京冬奧會(huì)的唯一新建冰上競(jìng)賽場(chǎng)館，國(guó)家速滑館“冰絲帶”的設(shè)計(jì)、技術(shù)、材料、制造均采用了“中國(guó)方案”。
其中，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院羅堯治教授團(tuán)隊(duì)和鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)為“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)施工與運(yùn)維保障提供了重要的技術(shù)保障。
部署傳感設(shè)備 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼索
“冰絲帶”的屋面體系采用雙曲面馬鞍形單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可理解為被一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)扣緊，相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結(jié)構(gòu)體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)功能的前提下減少了結(jié)構(gòu)的用鋼量。
“由于每根鋼索就有幾噸重，只有通過(guò)合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)?！?月19日，羅堯治教授向科技日?qǐng)?bào)記者介紹道，在施工過(guò)程中，這些鋼索的受力狀態(tài)非常關(guān)鍵，稍有不慎就會(huì)影響施工質(zhì)量與安全。
為了摸清鋼索狀態(tài)，羅堯治團(tuán)隊(duì)在施工環(huán)節(jié)安裝上了浙大自主開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)傳感器，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和力學(xué)分析。
“冰絲帶”屋蓋結(jié)構(gòu)是由49對(duì)承重索和30對(duì)穩(wěn)定索編織成長(zhǎng)跨198米、短跨124米的馬鞍形索網(wǎng)。該如何布局傳感器網(wǎng)絡(luò)、保證索網(wǎng)升到高空后傳感器能長(zhǎng)期正常穩(wěn)定地工作？
2018年9月到2020年12月，羅堯治團(tuán)隊(duì)就在一線(xiàn)開(kāi)展數(shù)據(jù)處理，時(shí)刻關(guān)注穿針引線(xiàn)、織開(kāi)大網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，為施工過(guò)程提供決策支撐。
在索網(wǎng)的施工過(guò)程中，施工方采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場(chǎng)地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過(guò)“瓶頸”。倘若沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，不能輕易彎折動(dòng)輒幾噸的鋼索。
“現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)掌握彎曲對(duì)鋼索的影響，為現(xiàn)場(chǎng)決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)?！惫こ淌┕し皆u(píng)價(jià)說(shuō)，“這些無(wú)線(xiàn)傳感器就像一雙雙眼睛，緊盯著工程的建設(shè)全過(guò)程。”
構(gòu)建索網(wǎng)模型 模擬精確施工
鋪在地上的索網(wǎng)怎樣平穩(wěn)提起、到達(dá)屋面高度后需要張拉哪些索才能繃緊索網(wǎng)、最終可以容忍多大的誤差……在“冰絲帶”建設(shè)期間，這些都需要進(jìn)行敏感性分析。
“國(guó)家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內(nèi)力協(xié)調(diào)復(fù)雜，這要求結(jié)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)高精度的建造?！编嚾A介紹，索網(wǎng)中需要施加巨大的張拉力，且必須保證與環(huán)桁架和幕墻索高精度地協(xié)同工作，索網(wǎng)由地面提升的步驟和鋼索的張拉順序都將影響到整個(gè)“冰絲帶”的最終施工質(zhì)量，確定安全、高效、精確的索網(wǎng)施工方案尤為關(guān)鍵。
為解決屋頂?shù)慕ㄔO(shè)難題，鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)12∶1的縮尺模型，開(kāi)展了國(guó)家速滑館大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)建造關(guān)鍵技術(shù)及模型試驗(yàn)研究。
縮尺模型試驗(yàn)從2018年6月初開(kāi)始持續(xù)到8月底， 聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于大量的數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗(yàn)收和預(yù)張力監(jiān)測(cè)等方面提出了系統(tǒng)性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。
此外，團(tuán)隊(duì)還通過(guò)沙袋等形式，在張拉好的索網(wǎng)施加荷載?！拔覀?cè)谀Ｐ蜕系鯍觳煌暮奢d物來(lái)模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗(yàn)證屋頂?shù)膹?qiáng)度和抗形變能力。”鄧華說(shuō)。
依托后方平臺(tái) 遠(yuǎn)程分析診斷
走進(jìn)位于浙大紫金港校區(qū)的空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，記者看到，這里實(shí)時(shí)處理著來(lái)自“冰絲帶”的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
據(jù)了解，這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由浙大自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，早在2010年就開(kāi)始應(yīng)用于國(guó)家體育館“鳥(niǎo)巢”、大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等建筑物的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)。
羅堯治團(tuán)隊(duì)成員許賢教授說(shuō)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)該平臺(tái)對(duì)速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力等六大類(lèi)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試點(diǎn)數(shù)也達(dá)千余個(gè)，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結(jié)構(gòu)之最?！拔覀儠?huì)根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的具體需求來(lái)改造這套系統(tǒng)，在施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和惡劣天氣條件，我們還會(huì)加密監(jiān)測(cè)。”
除了對(duì)“冰絲帶”屋頂?shù)谋O(jiān)測(cè)，浙大團(tuán)隊(duì)還對(duì)速滑館的賽場(chǎng)冰下混凝土開(kāi)展了健康監(jiān)測(cè)。據(jù)悉，“冰絲帶”采用全冰面設(shè)計(jì)，冰面溫差可控制在0.5℃以?xún)?nèi)，這對(duì)混凝土的質(zhì)量提出了更高要求。
如何監(jiān)測(cè)冰下混凝土服役狀態(tài)下的受力情況，這對(duì)羅堯治團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，又是一個(gè)嶄新課題。為此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了低溫惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了冰下混凝土長(zhǎng)期服役過(guò)程中性能狀態(tài)評(píng)估方法。
深度參與這個(gè)項(xiàng)目的浙大建工學(xué)院2017級(jí)直博生傅文煒說(shuō)：“在這個(gè)偉大的時(shí)代，通過(guò)自己的科研工作為國(guó)家速滑館建設(shè)作出小小的貢獻(xiàn)，是人生難得的際遇?！保ê楹泔w 柯溢能 吳雅蘭 記者 江 耘）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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