淺談上海中國航海博物館中央帆體索網(wǎng)索力監(jiān)測研究

摘 要：索網(wǎng)作為索網(wǎng)玻璃幕墻中的重要構(gòu)件，索網(wǎng)的預(yù)張力大小是索結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，索力監(jiān)測為總體評價索網(wǎng)狀況，進而評定索網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)的性能提供重要依據(jù)。文章介紹了EM傳感器技術(shù)在中國航海博物館中央帆體玻璃幕墻索網(wǎng)索力監(jiān)測中的應(yīng)用。通過監(jiān)測獲取的實際數(shù)據(jù)分析，為中央帆體索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的安全評估提供依據(jù)，也可為未來設(shè)計施工同類復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻；索力監(jiān)測；EM傳感器

1 概述

上海中國航海博物館中央帆體玻璃幕墻采用雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻設(shè)計，造型優(yōu)美獨特。索網(wǎng)作為幕墻結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件， 其服役狀況直接關(guān)系到建筑物的安全運營與使用壽命。因此，對索網(wǎng)索力進行安全監(jiān)測，及時了解索網(wǎng)的工作狀態(tài)是十分必要的。索網(wǎng)的安全監(jiān)測，主要是通過監(jiān)測拉索的索力，來判斷其使用狀況，評定其安全性。通過對索網(wǎng)索力的監(jiān)測，不僅能為總體評價其技術(shù)狀況提供依據(jù)，同時也可以在一定程度上發(fā)現(xiàn)拉索錨固系統(tǒng)、防護系統(tǒng)是否完好。

目前，索力監(jiān)測所應(yīng)用的傳統(tǒng)技術(shù)主要有：壓力傳感器法、振動頻率法等。不同索力測量方法，各有其特點。壓力型傳感器法是比較傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，需要串接在受力結(jié)構(gòu)中，將傳遞到傳感器上面的力直接測量出來，在荷載長期作用下，受到材料變形、傳遞失真等方面的影響，精度和耐久性難以保證，在受力狀態(tài)下無法更換也無法重新進行校準(zhǔn)，因此傳統(tǒng)壓力型的傳感器對于長期監(jiān)測有一定的局限性。振動頻率法是通過建立索網(wǎng)的簡化模型，實測索網(wǎng)的振動頻率，經(jīng)過計算間接得出索力，因為受實際拉索的長度、減震器、外護套等客觀因素的影響，其測量精度比較差。磁彈法（Elastic Magnetic，簡稱EM）監(jiān)測技術(shù)，是最近興起的一項索力無損檢測技術(shù)，相對傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)的局限，EM監(jiān)測技術(shù)較好地解決了這些問題，可以直接在已受力的索網(wǎng)上制作及安裝，通過非接觸式測量解決傳感器壽命問題，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力多截面應(yīng)力監(jiān)測，解決了建筑運營中的索力長期監(jiān)測問題。

2 EM監(jiān)測原理及設(shè)備

EM監(jiān)測技術(shù)是通過鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理進行測量。鐵磁性材料受到外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生機械應(yīng)變，其磁導(dǎo)率會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測定磁導(dǎo)率的變化可以來反映索網(wǎng)索力的變化情況。因為電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流強度以及電壓的大小與材料的磁導(dǎo)率有著直接的關(guān)系，而材料的磁導(dǎo)率又與材料所受應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，通過該電磁感應(yīng)系統(tǒng)測量得到的輸出電壓以及索網(wǎng)材料的其他的一些參數(shù)，如材料溫度、材料的橫截面積等，可計算得到索網(wǎng)材料的磁導(dǎo)率，因而也就可以間接地得到索網(wǎng)的應(yīng)力狀態(tài)。

EM監(jiān)測設(shè)備就是基于以上原理研發(fā)的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括沖擊電壓設(shè)備、感生電壓測量設(shè)備、溫度測量設(shè)備以及結(jié)果計算輸出軟件。監(jiān)測設(shè)備及其軟件如圖1所示。圖中，雙線圈設(shè)備為輸入電壓、感生電壓的測量部分以及溫度測量系統(tǒng)；測量儀器是將沖擊電壓電源、感生電壓測量以及結(jié)果輸出軟件集成后形成的儀器；測量軟件負責(zé)鋼索索力的計算以及結(jié)果輸出。

3 工程項目實例

3.1 工程項目概況

上海中國航海博物館位于浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn)，總規(guī)劃用地面積約為48660平方米，建筑物占地面積約為24830平方米，總建筑面積約為46434平方米。本建筑為地上四層，由兩側(cè)裙樓和中央帆體建筑構(gòu)成，屋面檐口高度約24米，中央帆體高度約70米。中央帆體結(jié)構(gòu)在造型上模仿了帆船的風(fēng)帆，結(jié)構(gòu)體系是由三鉸拱、空間管桁架、雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻等共同作用而形成的空間結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示。

該建筑的中央帆體的殼體結(jié)構(gòu)的高度從懸挑頂點到三層平臺高度約58米，雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻立面的高度約40米，玻璃幕墻立面在不同的高度的寬度不一，最寬處寬約24米。玻璃幕墻的索網(wǎng)通過萬向球鉸裝置鉸接于帆體鋼結(jié)構(gòu)三角共桁架、邊緣桁架以及三層平臺梁等主體結(jié)構(gòu)上。玻璃幕墻的索網(wǎng)是由橫豎鋼索編成的雙曲索網(wǎng)，南北兩片索網(wǎng)分別由18根豎鋼索和56根橫鋼索構(gòu)成，豎鋼索和橫鋼索相互制約，共同形成一個張緊的雙曲面，其中最長豎鋼索弧長約52米，鋼索索徑32毫米，最長橫鋼索弧長約24米，鋼索直徑24毫米。索網(wǎng)的每一根索的張力大小各不相同，受索網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點的影響，考慮到長期監(jiān)測的需要，傳統(tǒng)的測量方法難以采用，因此本項目采用EM監(jiān)測法進行索網(wǎng)索力測試。

3.2 項目監(jiān)測目的

中央帆體索網(wǎng)的索力水平能否在使用過程中滿足設(shè)計要求，關(guān)系到索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)是否安全。本工程雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻鋼索的索力控制是關(guān)鍵，索力能否達到最初設(shè)計值則是結(jié)構(gòu)是否安全可靠的重要標(biāo)志。因此，為保證結(jié)構(gòu)在運營階段的安全使用以及保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，有必要對該玻璃幕墻索網(wǎng)的索力進行長期監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測點位布置

該項目索網(wǎng)索力監(jiān)測點位的布置主要基于如下幾點考慮：監(jiān)測點點位分布均勻，橫豎鋼索均布有監(jiān)測點位，張拉鋼索與輔助鋼索均布有監(jiān)測點位；單根鋼索不同位置應(yīng)布置有對比性的監(jiān)測點位，這樣可獲得同一根鋼索在不同區(qū)段的索力變化情況；同時應(yīng)綜合考慮，全面分析，盡量做到索網(wǎng)鋼索監(jiān)測點位具有代表性，兼顧經(jīng)濟適用。綜合考慮以上幾點，該項目監(jiān)測點位布置如圖3所示。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

建筑中央帆體雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻索力的2015年度各季度監(jiān)測的實測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)施工張拉完成時測量的拉力值如表1所示。

根據(jù)中央帆體雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻索力2015年度的實測數(shù)據(jù)，繪制的玻璃幕墻南北橫豎索網(wǎng)索力變化如圖4所示。

3.5 監(jiān)測結(jié)論

由以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，2015年度測量值與索網(wǎng)幕墻施工完成時的測量值相比，未出現(xiàn)過大變化，說明索網(wǎng)索力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由2015年度內(nèi)各次測量值相比較分析，部分測點的索力出現(xiàn)退化，部分索力反而上升，說明由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，索網(wǎng)索力的變化規(guī)律并不明顯，但索力無論是退化還是上升，幅度均不大，說明本工程索網(wǎng)玻璃幕墻的安全性可以得到保證。

4 結(jié)束語

上海中國航海博物館的中央帆體幕墻設(shè)計采用的是雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻形式，目前在我國應(yīng)用較少，可借鑒內(nèi)容較少。在日常運營使用過程中，有必要對雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻的索網(wǎng)構(gòu)件進行監(jiān)測分析。全面跟蹤中央帆體索網(wǎng)玻璃幕墻在使用階段的重要工程參數(shù)，根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過與初始張拉數(shù)據(jù)結(jié)果進行比較分析，對保障建筑運營安全，把安全隱患消除在萌芽狀態(tài)，具有重要的意義，同時也為以后設(shè)計施工同類結(jié)構(gòu)提供參考。

參考文獻

[1]姜守鵬，賈寶榮，郭新雅.北京東方文化藝術(shù)中心單層索網(wǎng)幕墻設(shè)計與施工[J].建筑科學(xué)，2008.

[2]蔡杰，高偉，黃樹紅，等.網(wǎng)架干煤棚安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004.

[3]張心斌，紀(jì)強，張莉.振弦式應(yīng)變傳感器特性研究[J].傳感器世界，2003.

[4]張其林.索和膜結(jié)構(gòu)[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2002.

[5]魏建東.索力測量技術(shù)[J].中外公路，2001.