南沙体育馆永久健康监测方案.docx

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南沙体育馆永久健康监测方案

1监测的背景

国家体育馆为北京2008年奥运会的重点工程，位于北京奥林匹克公园南部，是中心区三大件之一。

国家体育馆为2万坐席的国家级综合性体育馆，总建筑面积约8.1万平方米。

2008年奥运会期间，将举行奥运会体操、手球、排球等比赛，赛后将举办其他国际、国内比赛、大型国际、国内文艺术演出以及其他文化活动。

国家体育馆工程从建筑方案到工程初步设计、施工图设计及施工、材料选用全部由国内的建筑师、工程师完成，是北京2008奥运会场馆中规模较大、少有的自主创新工程项目，备受业界关注。

国家体育馆从功能上分为比赛馆和热身馆两个馆，比赛馆平面尺寸为114×144.5米，热身馆平面尺寸为51×63米，从建筑外型上看整个屋面呈单向波浪形将两个馆连在一起，屋盖高度约为38～43～34～28米。

为了充分体现节俭办奥运的精神，在最大限度满足建筑功能使用和造型要求的前提下使结构体系先进合理、安全可靠、经济美观，国家体育馆的下部主体结构采用了钢筋混凝土框架剪力墙结构与型钢混凝土框架钢支撑相结合的混合型结构体系，屋盖则采用了造型新颖、结构先进的大跨度空间结构体系---双向张弦空间网格结构体系。

层盖结构单线图

屋盖结构下层杆件图

国家体育馆工程是北京2008奥运会场馆工程和目前国内已建成的体育馆中规模最大的室内馆，同时也是本次奥运场馆中开工较晚的工程，下部结构施工将于2006年10月完成，屋盖结构施工将于2006年7月完成，整个工程定于2007年10月竣工，将为北京2008年奥运会成功举行提供可靠的保证。

国家体育馆屋盖双向张弦桁架结构新颖，其科技含量高，设计、施工难度很大，但工程意义重大、影响深远，为了确保本工程安全先进和顺利实施，结合工程特点进一步加强深入的科研和试验工作迫在眉睫。

2监测的目的、意义及必要性

1）国家体育馆屋盖双向张弦空间网格结构跨度为114×144.5米，建成后将成为目前国内外同类结构中跨度最大的双向张弦桁架结构。

由于缺少相关研究成果和其它工程应用经验，为确保本工程的安全先进和顺利实施深入研究此类型结构在施工过程及正常使用时的受力和变形特点，有必要进行结构永久健康监测；

2）根据国家体育馆工程可行性研究报告的专家审查意见、本工程结构初步设计土建机电技术审查组审查意见、本工程屋盖钢结构施工图设计审查意见书和由“08办”参加的国家体育馆工程屋盖双向张弦网格结构专家论证会专家意见（会议纪要），均提出了对于本工程屋盖结构其科技含量高，有必要进行整体模型试验和节点试验的建议，同时还提出本工程应在施工和使用过程中加强监测；

3）国家体育馆在奥运会期间担负重要比赛任务，需要在整个奥运会期间尤其是赛时对结构进行安全监测。

在结构上布置永久监测设备，可以随时查看结构的受力，从而有效地保证奥运会的顺利进行；

4）除了在奥运会期间担负重要比赛任务外，国家体育馆赛后还需要满足多功能的使用要求，将承担重要的纪念性集会和大型文艺、体育演出任务，因而预期吊挂物重量大、分布广、不确定因素多。

对结构进行永久健康监测，则可以监测在设计不可预见的荷载作用下结构的受力情况，从而保证国家体育馆能够长久地为社会服务；

5）国家体育馆工程的设计使用年限为100年，与此同时，目前基于各类结构材料和保护材料的使用寿命有限，如何保证国家体育馆屋盖双向张弦结构在预期年限内安全服役，也是一个非常重要的课题。

因此在使用过程中对重要的结构杆件、钢索进行长期的监测（平时定期监测，重要活动时加强监测）是非常必要的，它可使屋盖结构始终处于有序的掌控之中，使用者可以根据构件的状态随时调整，必要时进行相应的处理，使屋盖结构始终处于健康状态。

3监测方案

3.1测点布置

国家体育馆屋盖为双向张弦结构，拉索和钢结构为主要受力构件，所以选取适当的测点对索力和钢结构应力进行安全监测，就显得尤为重要。

测点的选取是根据有限元软件MIDAS的理论计算结果进行的，并通过模型实验数据进一步论证说明。

3.1.1理论计算

本健康监测主要是在结构正常工作下进行，所以理论计算的数据提取以屋面恒载（100kg/㎡）作用下索力及钢结构应力分布为代表。

在标准荷载及设计荷载作用下结构的应力分布与屋面荷载作用下是一致的，只是大小不同，对于布置测点来说,屋面恒载完全能够满足参照要求。

上弦杆应力分布（MPa）

（最大拉应力在H、J轴上，最大压应力在F、L轴上）

下弦杆应力分布（MPa）

（最大拉应力在H、J、E、F、L、M轴上，最大压应力在15、16轴上）

腹杆应力分布（MPa）

（最大拉应力和最大压应力都在C、P轴上）

索力分布（T）

（最大拉力在16轴上）

所选6根轴线

由以上应力及索力分布图可以看出，钢结构应力及索力最大值分布不均，在布置测点时不可能全部考虑到，经过对比分析，主要选取6个轴线（15轴，16轴，19轴，H轴，J轴和M轴）进行钢结构应力监测，选取四个轴线（15轴，19轴，J轴和M轴）进行索力监测。

下面根据理论分析在每个轴上选取上弦杆、下弦杆及腹杆的测点位置。

15轴上弦杆应力（MPa）

15轴下弦杆应力（MPa）

15轴腹杆应力（MPa）

15轴钢结构应力测点布置及其编号

16轴上弦杆应力（MPa）

16轴下弦杆应力（MPa）

16轴腹杆应力（MPa）

16轴钢结构应力测点布置及其编号

考虑到16轴钢结构应力与15轴的大小基本相同，分布大体一致，所以在最大应力处不再布置测点，而是在结构网格最中间的上下弦杆上布置两个点，加上15轴、H轴和J轴在此处的测点，正好使该处测点的布置形成一个闭合的“口”字。

由理论分析及试验都可证明，结构承受荷载时，结构中间部位的竖向位移最大，当荷载足够大时，该处容易产生强度或者稳定性的问题，而在此处布置这么多测点的目的正是要更加严密的监测该处杆件的应力变化。

19轴上弦杆应力（MPa）

19轴下弦杆应力（MPa）

19轴腹杆应力（MPa）

19轴钢结构应力测点布置及其编号

J轴上弦杆应力（MPa）

J轴下弦杆应力（MPa）

J轴腹杆应力（MPa）

J轴钢结构应力测点布置及其编号

H轴上弦杆应力（MPa）

H轴下弦杆应力（MPa）

H轴腹杆应力（MPa）

H轴钢结构应力测点布置及其编号

此处H轴与J轴是完全对称的，其测点的布置原则跟以上15轴和16轴时所提及的相同，在此不再累述。

M轴上弦杆应力（MPa）

M轴下弦杆应力（MPa）

M轴腹杆应力（MPa）

M轴钢结构应力测点布置及其编号

15轴索拉力（T）

19轴索拉力（T）

H轴索拉力（T）

M轴索拉力（T）

可以看出，索力最大处基本都出现在端部，所以索的测点在横向上布在远离热身馆的一端，在纵向上根据现场情况，布在任何一端都是可以的。

以上测点布置综合起来，具体如下：

共布置测点94个，其中索力监测仪器6个，钢结构应力监测点88个。

下图为总体监测仪器布置图及其对应编号（索测点的布置比较简单，略去）。

3.1.2模型实验

模型实验按缩尺比例1：

10制作。

在标准荷载（150kg/㎡）下，取15轴钢结构应力大小如下：

15轴钢结构应力（MPa）

其中方形区域表示试验测点，圆形区域表示目前健康监测测点。

可以看出，目前15轴的健康监测测点基本涵盖了模型实验中钢结构应力的最大值。

索力大小分布（T）

通过以上理论计算和试验数据分析可以得出结论，本监测方案测点的布置基本符合监测要求，能够获取结构在正常使用期间的关键数据，在出现紧急状况时可以提前发出预警信息，减少或避免损失。

3.2监测仪器

国家体育馆永久健康监测所使用的监测仪器由两类组成：

锚索测力记和振弦式应变仪。

均为美国基康公司生产的仪器。

下图为4000弧焊型应变仪将端块电弧焊或螺栓固定在钢结构表面监测钢结构的应变。

该仪器标准量程为3000με，灵敏度为1.0με。

本次永久监测测点为96个。

锚索计外形及安装方法如下图所示。

在现场安装时，锚索计安装在缆索端头螺母的下面，缆索的受力通过锚索计的读数反映出来。

在结构的整个使用期间，缆索的受力始终处于监测之中。

3.3数据采集系统

3.3.1数据采集仪器

由于建筑物永久健康监测的周期与建筑物使用年限匹配，所使用的数据采集设备需要永久地放置在建筑物上，从而对数据采集设备提出了较高的要求。

鉴于此，国家体育馆永久健康监测拟使用澳大利亚DATATAKER系列数采设备，该设备具有智能化、可编程、尺寸小、工作可靠稳定、使用寿命长、供电方式灵活、数据存储方便、通讯方式多样等特点，完全能够满足国家体育馆的永久健康监测。

根据检测现场传感器的类型，选择dataTaker数采型号为DT615。

根据现场布点情况，准备采用2台DT615仪器和4台CEM扩展模块。

如下图所示。

DT615岩土型智能可编程数据采集器具有如下特点：

钢制结构适用于恶劣的环境；10到30个模拟通道，7个数字和计数通道，支持频率范围从500Hz到5kHz的振弦式传感器，独特的相位锁定环路滤波，可拆卸的螺口接线端便于操作。

采集的数据能够方便和安全地存储到电池备份的RAM内存和可插拔的、存储量多达1,390,000个数据点的PC存储卡中。

所有通道都可以进行报警设置。

支持Windows版软件。

3.3.2电源供电

可提供三种供电方式供实际选择：

1）采用高精度11–24VDC稳压电源，可为数据采集器及其内部电池和传感器供电2）采用内部电池供电，可自动休眠和低耗模式3）采用外部12V可充电电池供电。

3.3.3数据传输

可提供三种数据传输方式供实际选择：

1）

现场通过RS232串口直接连接获取数据，如下图所示。

这种方式用于现场便携式电脑直接通过智能数采仪获取数据，当便携式电脑无RS232串口时，可配置USB转RS232串口转换器。

主机RS232串口通讯有如下特点：

全双工，波特率从300到9600可调，光电隔离达500V，双向的XON/XOFF协议，选择高位协议带16位CRC检查。

2）远程通过PSTN公共电话网拨号连接获取数据，如下图所示。

这种方式用于远程获取现场监测点的数据，通过PSTN公共电话网络，需要获取数据时，远程主计算机端拨号连接现场数采仪，数采仪接受拨叫请求后，则数据链路建立完毕，即可进行数据的交换。

3）远程通过GPRS手机网络无线数据透明传输获取数据，如下图所示。

这种方式采用GPRS无线数据传输终端，可为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，利用手机GPRS网络平台实现数据信息的透明传输。

支持根据域名和IP地址访问中心多种工作模式选择，支持串口软件升级和远程维护，使用方便、灵活。

GPRS可以利用现有GSM网进行实时数据传输，实现无线上网，无线接入，提供真正的广域无线数据网。

GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。

GPRS可以在高速运动时保证最低13.4KBPS的传输速度，峰值可以高达53.6KBPS，一般能够稳定在23KBPS左右。

特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

3.3.4保护机箱

由于数据采集设备在建筑物内需放置很长时间，因此需要有可靠的措施对数采设备进行保护，拟采用的保护措施为防水型机箱。

根据测点个数以及现场情况，选择两台防水保护机箱，集中放置在一个测试点处。

如下图所示。

防水型机箱一般用于固定的安装，可以用于室内或室外。

机箱内板坚固，配有设备安装螺纹孔及标准DIN导轨可供仪器灵活配置。

机箱提供一个基础的、功能化的保护机架。

机箱主体和门是钢制的，内外都覆盖有坚韧的、本身具有抗腐蚀性的粉末涂层。

机箱门有聚亚安酯封条，防止灰尘和雨水的进入。

机箱门采用合叶设计，可以很容易地进入内部。

可以使用多种类型的锁，包括标准类型和钥匙锁类型。

3.3.5数据分析与处理软件

数据采集设备的可靠能够保证所得数据准确、稳定，但是同时还需要有相应的数据采集软件把数据采集设备采集的数据收集整理，显示为可读的数据。

　　dataTaker智能可编程数据采集器提供许多软件包用于界面控制智能数采仪。

国家体育馆拟采用的数据采集系统软件为采用工程监测专用的组态软件进行开发的DTS-BJNIS监测软件。

如下图所示。

本监测系统的设计方针是专为国家体育馆工程监测提供最好的解决方案，系统性能稳定、可靠性高，测试精度满足要求，在施工和使用阶段可以长时间不间断地对国家体育馆进行监测。

其可实现主要功能有：

1）操作界面清晰直观，工具条与按钮操作。

显示界面可分为主界面和各子界面，各界面间切换灵活。

2）可实时远程监测国家体育馆的各测点应力参数，可根据需要设定测点数据，对原始数据可进行滤波、计算。

3）实现GPRS网络通讯的数据传输，数据采用全透明方式，最大支持五个数据中心，支持域名和固定IP地址访问方式。

4）数据可以各种图形方式显示，包括时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式。

5）数据能够以数据库形式保存并可进行历史数据查询，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。

6）具有数据越限报警功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示。

7）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系统访问、操作权限级别，保障运行系统的安全性。

8）实现对系统信息打印的管理功能，提供实时打印、定时打印、随机打印功能。

支持对图形、报表、曲线、报警信息、各种统计计算结果等的打印。

9）在线编辑、维护、修改、扩展功能。

系统硬件和软件都满足开放性标准的要求，满足今后系统在硬件节点的增加、数据库容量的扩充、系统软件功能的增强等方面的要求。

3.3.6系统性能分析

1）系统寿命和稳定性

智能可编程数据采集器通过国际CE认证，该系统的工作温度范围从-45℃到70℃。

并能在恶劣环境下具有很高的稳定性，系统已成功应用于南、北极航线地面臭养监测、美国太空总署和欧洲宇航局航天项目。

系统的各个器件都选用了适用于恶劣环境的高可靠性产品，确保了系统的使用寿命和稳定性。

2）抗干扰性

智能可编程数据远程单元通过自身的隔离装置解决了传感器和采集系统的接地回路问题，并被设计成抗噪音。

在解决接地回路和抗噪音方面达到世界领先水平。

通讯串口具有抗500V的光电隔离功能，通道之间也有很好的隔离。

这些性能确保在国家体育馆采集信号的精确度。

3）远程监控

通过应用GPRS通讯技术来实现国家体育馆监测数据自动采集，达到真正意义上的远程监控，可以确保通讯数据的可靠性和实时性。

公用电话网进行远程监控可以作为远程监控的辅助手段，充分保证系统的有效性。

4项目进度与计划

根据目前国家体育馆现场施工进度，永久健康监测的进度计划如下表所示。

时间

内容

2006.7.1～2006.7.15

监测方案确定

2006.7.15～2006.8.15

联系定购传感器和数据采集仪器、设计传感器传输电线布置图、开发并调试针对国家体育馆工程的永久健康监测软件

2006.8.15～2006.9.31

现场安装传感器，布置传输电线和数据采集仪器；开始进行监测

2006.9.31～2006.12.31

第一阶段监测

2007.1.1～2007.9.31

第一阶段监测，分析结构一年来监测结果

2007.10.1～2008.7.31

第二阶段监测

2008.8.1～2008.8.31

第三阶段，奥运期间重点监测

2008.9.1～2008.10.31

对长期监测结果进行整理

2008.11.1～

永久定期监测