服役期雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)與分析

張清允，陳志華，劉紅波

服役期雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)與分析

張清允1, 2，陳志華1，劉紅波1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)超大跨空間而發(fā)展出的新結(jié)構(gòu)形式，由空腹桁架與懸索的組合結(jié)構(gòu)和索桁架正交而成，分別為整體結(jié)構(gòu)的主、次受力方向．對(duì)于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，具有非均勻性和時(shí)變性的環(huán)境作用影響其在役期間實(shí)際的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律．以石家莊國(guó)際會(huì)展中心屋蓋為例，基于雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力、索力、位移進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)測(cè)．以大量的服役期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究分析溫度作用及雨荷載作用下雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力、索力、位移響應(yīng)規(guī)律，對(duì)比分析各構(gòu)件的溫度敏感性、雨荷載敏感性．研究發(fā)現(xiàn)溫度是雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)在役期間影響其結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)鍵因素．經(jīng)過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)主懸索桁架上弦桿的溫度敏感性最高，應(yīng)力變化幅度最大可達(dá)設(shè)計(jì)值的78%，位移變化幅值約為對(duì)應(yīng)位置下弦桿的1.5倍．主懸索桁架自錨桿與主懸索及橫向索桁架的拉索溫度敏感性相近，其中除柱側(cè)一端受溫度影響較小外，其余部位相應(yīng)的應(yīng)力、索力變化幅度為設(shè)計(jì)值的22%～32%．此外，通過(guò)對(duì)集中降雨時(shí)間段構(gòu)件應(yīng)力響應(yīng)的計(jì)算分析，表明主懸索桁架上弦桿對(duì)雨荷載的敏感性最高，應(yīng)力變化最大幅度可達(dá)相應(yīng)應(yīng)力設(shè)計(jì)值的20.6%．

雙向索桁架結(jié)構(gòu)；監(jiān)測(cè)；環(huán)境作用；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；敏感性

雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)是主次受力方向分別為索桁架和空腹桁架與懸索的組合結(jié)構(gòu)，其主次方向都利用預(yù)應(yīng)力使柔性拉索受拉，剛性撐桿受壓，使鋼材發(fā)揮其最大效能并產(chǎn)生足夠結(jié)構(gòu)剛度，特別適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)．溫度是影響預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)的重要因素，升溫會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的下降，而且空間結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)高，所以溫度影響不容忽視[1-5]．

在目前的工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)分析通常是參考結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的極端溫度，取一個(gè)整體、均勻的溫度作用[6-7]，然而這種方式與實(shí)際情況差別較大，未考慮在不同程度太陽(yáng)輻射下的結(jié)構(gòu)溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度且結(jié)構(gòu)溫度具有非均勻性和時(shí)變性，這也是有限元模擬困難的原因．此外，對(duì)于雨荷載這種環(huán)境荷載，有學(xué)者[8]以實(shí)測(cè)的方式研究了其對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)，但對(duì)雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)這種新結(jié)構(gòu)缺少此方面研究．

為研究雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)在役期間在溫度和暴雨的環(huán)境荷載影響下的實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，本文以石家莊國(guó)際會(huì)展中心屋蓋為例，通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)，研究環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)并分析不同構(gòu)件對(duì)溫度作用和雨荷載的敏感性．

1?雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)體系

1.1?工程概況

石家莊國(guó)際展覽中心[9-10]位于石家莊市正定新區(qū)，總建筑面積35.6×104m2，是由周邊展廳和中間核心會(huì)議區(qū)組成的集展覽、會(huì)議于一體的大型會(huì)展中心(如圖1所示)．其中，綜合展廳(D廳)屋蓋采用雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)，即橫向?yàn)橹饕沙兄厮?、穩(wěn)定索、吊索等構(gòu)成的索桁架結(jié)構(gòu)，縱向主要由空腹桁架與主懸索等構(gòu)成(見(jiàn)圖2和圖3)．橫向索桁架邊跨為27m，中間跨度為54m．縱向主懸索桁架跨度為105m，且兩側(cè)各挑出12.9m．屋蓋結(jié)構(gòu)整體布置如圖4所示．

圖1?石家莊國(guó)際展覽中心效果圖

圖2?橫向索桁架構(gòu)造

圖3?主懸索桁架構(gòu)造

圖4?石家莊國(guó)際展覽中心典型結(jié)構(gòu)布置

1.2?受力特點(diǎn)

如圖5所示，橫向索桁架結(jié)構(gòu)中，屋面承重索承受由檁條傳來(lái)的屋面重量，穩(wěn)定索補(bǔ)充反向剛度，中間以吊索連接，屋面承重索與穩(wěn)定索拉力的水平分量相互平衡，豎向分量作為荷載施加在主懸索桁架的豎桿上(見(jiàn)圖3)；主懸索桁架中，荷載由空腹桁架豎桿傳至主懸索形成索力1，由節(jié)點(diǎn)1的平衡可知，主懸索索力的水平分量主要由端斜索2的水平分量平衡，少部分由上弦桿平衡．由節(jié)點(diǎn)2的平衡可知，自錨桿可以平衡端斜索產(chǎn)生的水平分量，從而可以用端豎索代替端斜索，滿足建筑使用要求．此外通過(guò)端斜索與端豎索張拉力的調(diào)配，使得由自錨桿主要承擔(dān)主懸索在自重荷載下的水平拉力[10]．

圖5?主懸索桁架傳力途徑示意

由項(xiàng)目中采用的雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)可以看出，主懸索桁架為整體結(jié)構(gòu)的主受力方向，橫向索桁架為整體結(jié)構(gòu)的次受力方向；在主懸索桁架中，自錨桿較比上弦桿為承擔(dān)屋面荷載的主要受力構(gòu)件．此項(xiàng)目中，自錨桿截面為1000mm×30，上弦桿截面為500mm×30．

2?雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)方案

2.1?測(cè)量方法

本工程的監(jiān)測(cè)方法[11-13]為通過(guò)振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)力及通過(guò)全站儀測(cè)量結(jié)果計(jì)算測(cè)點(diǎn)的位移．其中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)量分別采用振弦式鋼板及鋼筋應(yīng)變計(jì)焊接在鋼構(gòu)件上下表面的方法，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變進(jìn)而得到相應(yīng)的應(yīng)力．值得說(shuō)明的是，因?yàn)樗髁艽?，不能通過(guò)斷索中間串聯(lián)拉力傳感器的方式，并且兼顧經(jīng)濟(jì)效益，索力的監(jiān)測(cè)采用節(jié)點(diǎn)靜力平衡法[14]通過(guò)測(cè)試?yán)鞲浇鼦U件的軸力間接求得拉索的索力．如圖6所示，主懸索桁架豎桿和左右兩段拉索組成靜力平衡體系，兩段拉索與水平線夾角不等，設(shè)左側(cè)索段與水平線夾角為，右側(cè)索段與水平線夾角為，桁架上段豎桿軸壓力為1，下段豎桿軸壓力為2，左側(cè)索段拉力為1，右側(cè)索段拉力為2．由1、2可求得

(2)

2.2?測(cè)點(diǎn)布置

基于上述監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)受力不利的關(guān)鍵區(qū)域的原則，制定了如下的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置方案．

2.2.1?桁架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

由第1節(jié)傳力路徑可知，主懸索桁架的主要承重構(gòu)件為主懸索、自錨桿、上弦桿以及豎向受力構(gòu)件的“A形柱”，所以桁架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選擇布置在自錨桿和上弦桿的跨中以及與立柱交點(diǎn)附近(如圖7所示).測(cè)點(diǎn)編號(hào)采用形如X1-2的形式，X表示西側(cè)主桁架，D表示東側(cè)主桁架，Z表示中部主桁架．X1-2中，“1”表示第1個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，“2”表示該測(cè)點(diǎn)處的第2個(gè)振弦計(jì)，末尾沒(méi)有字母表示振弦式鋼板計(jì)，末尾帶有字母“G”表示振弦式鋼筋計(jì)．

圖7?主懸索桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

2.2.2?索力測(cè)點(diǎn)

索力監(jiān)測(cè)包括主懸索桁架及橫向索桁架的拉索索力監(jiān)測(cè)．

以選取受力最不利位置為原則，索力監(jiān)測(cè)選取中部主桁架以及端部和中部的兩榀橫向索桁架進(jìn)行監(jiān)測(cè)．對(duì)于主桁架懸索，測(cè)點(diǎn)選取跨中及立柱兩側(cè)，本文采用間接靜力平衡法，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在跨中拉索-豎桿-下弦桿三者交界處，立柱兩側(cè)(與端斜索交界的自錨桿端及與拉索交界的立柱內(nèi)側(cè)豎桿端)，布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用形如SZ1-2表示，如圖8所示．對(duì)于橫向索桁架，在正常使用工況下的主要承重構(gòu)件為上方的承重索，但因本項(xiàng)目沒(méi)有設(shè)置馬道，所以受操作空間限制，其索力測(cè)點(diǎn)布置在主懸索桁架豎桿與穩(wěn)定索的交點(diǎn)處，每榀6個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用形如SSX1-2表示，Z表示跨中一榀索桁架，D表示北起第1榀索桁架．如圖9所示．其他編號(hào)說(shuō)明同第2.2.1節(jié)．

圖8?主懸索桁架索力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

圖9?橫向索桁架索力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

2.2.3?位移測(cè)點(diǎn)

兼顧最不利位置及反映結(jié)構(gòu)位移變化的全面性，主懸索桁架在豎桿與上下弦桿節(jié)點(diǎn)處，A形柱與上弦節(jié)點(diǎn)及其與自錨桿節(jié)點(diǎn)處，共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖10所示．對(duì)于橫向索桁架，同樣選取中間一榀及邊跨一榀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，承重索的每一段索段均布置一個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，另外在承重索與立柱節(jié)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)．主懸索桁架中，東部主桁架測(cè)點(diǎn)編號(hào)ZDX，西部主桁架測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZXX，中部主桁架測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZZX．橫向索桁架中，北起第1榀測(cè)點(diǎn)編號(hào)為SDX，跨中一榀測(cè)點(diǎn)編號(hào)為SZX(如圖10和圖11所示).其他編號(hào)說(shuō)明同第2.2.1節(jié)．

圖10?主懸索桁架位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

圖11?橫向索桁架位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

3?結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)分析

根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，本文選取施工完成態(tài)起1年的時(shí)間跨度(2018年5月7日—2019年5月7日)進(jìn)行溫度響應(yīng)的分析研究．根據(jù)氣象資料，對(duì)每日氣溫做日平均可得這一年間的溫度變化曲線如圖12所示，年最大溫差35.5℃．

圖12?年氣溫變化

計(jì)算桁架桿件的應(yīng)力、拉索索力及測(cè)點(diǎn)位移，比較發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力變化曲線的波動(dòng)趨勢(shì)與氣溫變化曲線基本一致，可以認(rèn)為溫度是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律的關(guān)鍵因素[15-16]，因篇幅所限只取東部主懸索桁架測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力曲線對(duì)此作圖示說(shuō)明，如圖13所示．

本節(jié)從應(yīng)力、索力、位移3個(gè)方面研究雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)并對(duì)比分析不同構(gòu)件的溫度敏感性．

圖13?應(yīng)力變化對(duì)比

3.1?應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

由監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在夏季溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較為顯著．為研究各類構(gòu)件應(yīng)力的溫度敏感性，即構(gòu)件應(yīng)力受溫度影響的變化程度，且排除因分?jǐn)偤奢d的不同對(duì)東部、中部、西部主懸索桁架對(duì)應(yīng)相同測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)應(yīng)力值的影響，對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值做如下處理：將某日測(cè)得的應(yīng)力值與2018年5月7日的“初始”應(yīng)力值做差，以得到的代數(shù)差值表示應(yīng)力變化幅度，利用由此得到的相對(duì)應(yīng)力值研究構(gòu)件的溫度敏感性．圖14為主懸索桁架測(cè)點(diǎn)在2018年5月7日—2018年9月16日的應(yīng)力及溫度響應(yīng)曲線，其中縱軸為測(cè)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)力變化值．由圖14可以看出，應(yīng)力變化曲線與溫度曲線之間表現(xiàn)出不同程度的“相位差”，即兩者變化不完全同步．其中，對(duì)于同一編號(hào)的測(cè)點(diǎn)，西側(cè)主懸索桁架中的該編號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線與溫度曲線之間的相位差最為明顯．說(shuō)明雖然本項(xiàng)目的雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)處于室內(nèi)封閉環(huán)境，但不同方位的構(gòu)件隨氣溫的變化仍有差異，這也說(shuō)明了通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度響應(yīng)分析的必要性．

此外，上弦桿測(cè)點(diǎn)1、3在隨氣溫升降變化的同時(shí)，整體應(yīng)力水平呈上升趨勢(shì)，即夏季上弦壓桿受壓減小，上弦桿壓力減小的最大值為3.9MPa；而自錨桿的相對(duì)應(yīng)力水平在零值上下波動(dòng)，壓力最大減小10.4MPa，在跨中一段，壓力最大增加7.1MPa，在柱內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)附近．取2018年5月7日—2019年5月7日一整年為計(jì)算周期，計(jì)算上弦桿和自錨桿應(yīng)力變化總幅值，并得到與對(duì)應(yīng)桿件設(shè)計(jì)應(yīng)力值的比值，如圖15所示．可得上弦桿應(yīng)力變化幅值基本在42%左右，極端幅值可以達(dá)到78%，且上弦桿方位不同差異明顯，說(shuō)明相對(duì)而言，上弦桿的溫度敏感性較大．同時(shí)由圖15可發(fā)現(xiàn)，同類測(cè)點(diǎn)中，跨中比柱側(cè)應(yīng)力變化幅度大，說(shuō)明溫度敏感性也與周圍桿件的變形及約束相關(guān)．

圖15?主懸索桁架測(cè)點(diǎn)年應(yīng)力變化幅值對(duì)比

3.2?索力監(jiān)測(cè)結(jié)果

同樣取一年中變化最大的夏季即2018年5月7日—2018年9月16日間的索力監(jiān)測(cè)值，并將絕對(duì)索力值轉(zhuǎn)化為相對(duì)索力值，同第3.1節(jié)．對(duì)比索力變化曲線與氣溫變化曲線，如圖16所示，其中縱軸為測(cè)點(diǎn)的相對(duì)索力變化值，即為某日測(cè)得的索力值與2018年5月7日的“初始”索力值做差得到的代數(shù)差值．因北起第1榀橫向索桁架測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)損壞無(wú)法讀數(shù)，所以本文只分析跨中一榀．由圖可以發(fā)現(xiàn)主懸索桁架的主懸索以及橫向索桁架拉索的所有測(cè)點(diǎn)索力變化曲線均與溫度曲線有明顯的相位差，并且除主懸索桁架柱側(cè)索段外，其余測(cè)點(diǎn)索力變化曲線整體呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明溫度的變化對(duì)拉索索力有顯著影響．

取2018年5月7日—2019年5月7日一整年為計(jì)算周期，計(jì)算服役期間拉索各段的索力變化幅度，如圖17所示，縱軸表示索力變化值與索力設(shè)計(jì)值的比值．由圖可知，除主懸索桁架柱側(cè)一段索力變化值在10%以內(nèi)外，索力變化值均在22%以上，其中主懸索桁架的主懸索與左起第1根豎桿相交一段索力變化幅值最大為索力設(shè)計(jì)值的32.5%．以上說(shuō)明構(gòu)件的溫度響應(yīng)與其周圍構(gòu)件的變形及約束相關(guān)．

結(jié)合應(yīng)力、索力隨時(shí)間的變化曲線，并將計(jì)算得到的一年間各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、索力變化幅值做對(duì)比，如圖18所示．可以發(fā)現(xiàn)，服役期間在溫度變化的影響下，主懸索桁架上弦桿應(yīng)力變化幅值最大，平均變化幅度為設(shè)計(jì)值的40%左右．其次，主懸索桁架的自錨桿應(yīng)力和各拉索索力變化幅值相近為相應(yīng)設(shè)計(jì)值的22%～32%，并且兩者都是柱側(cè)的測(cè)點(diǎn)變化幅度較小，只有其余索段測(cè)點(diǎn)的1/3左右．以上說(shuō)明相較而言主懸索桁架的上弦桿溫度敏感性最高，且應(yīng)力及索力的溫度響應(yīng)程度與周圍構(gòu)件的變形及約束有關(guān)．但值得注意的是，本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)方案為拉索及自錨桿為主要承重構(gòu)件，所以其溫度響應(yīng)不容忽視．

圖16?主懸索及橫向索桁架拉索索力溫度響應(yīng)

圖17?索力測(cè)點(diǎn)年變化幅值對(duì)比

圖18?全部應(yīng)力及索力測(cè)點(diǎn)年變化幅值對(duì)比

3.3?位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

由位移監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一年中的7月、8月、9月，結(jié)構(gòu)位移變化明顯，呈拋物線波動(dòng)趨勢(shì)，其余月份位移響應(yīng)規(guī)律與溫度變化相似，但位移變化幅度很小．受篇幅所限，取中部主懸索桁架及跨中一榀橫向索桁架為例，如圖19、圖20所示．可得，6月24日起氣溫高于30℃，位移-時(shí)間曲線開(kāi)始呈現(xiàn)拋物線波動(dòng)趨勢(shì)，持續(xù)到9月9日，此后氣溫下降至20℃以下，結(jié)構(gòu)恢復(fù)平穩(wěn)波動(dòng)，規(guī)律基本吻合氣溫-時(shí)間變化規(guī)律但幅度很?。送?，可以看出這些測(cè)點(diǎn)在8月中旬位移變化達(dá)到極值，即一年中的8月中旬是結(jié)構(gòu)位移變化最不利時(shí)期，這與連續(xù)的氣溫升高造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度不斷升高積累有關(guān)．拋物線波段的測(cè)點(diǎn)位移變動(dòng)大小關(guān)系大致如下：主懸索桁架中測(cè)點(diǎn)3、4＞測(cè)點(diǎn)5、6＞測(cè)點(diǎn)7、8，橫向索桁架中測(cè)點(diǎn)2、3、4分別大于測(cè)點(diǎn)5、6、7，結(jié)果呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性．

進(jìn)一步取2018年5月7日—2019年5月7日為計(jì)算周期，以2018年5月7日各測(cè)點(diǎn)向高度為位移零點(diǎn)，計(jì)算該周期內(nèi)各測(cè)點(diǎn)最大正負(fù)向位移代數(shù)差，得到三榀主懸索桁架各測(cè)點(diǎn)位移幅值對(duì)比，如圖21所示，其中西部主桁架測(cè)點(diǎn)5(ZX5)、測(cè)點(diǎn)7(ZX7)后期因視線遮擋影響數(shù)據(jù)測(cè)量，故未參與比較．比較發(fā)現(xiàn)東部(ZDX)、中部(ZZX)、西部(ZXX)三榀主懸索桁架的上弦測(cè)點(diǎn)3、5、7位移變化幅度都分別大于相應(yīng)的下弦測(cè)點(diǎn)4、6、8位移變化幅度．

圖19?中部主懸索桁架位移-時(shí)間曲線對(duì)比

圖20?跨中一榀索桁架位移-時(shí)間曲線對(duì)比

圖21?主懸索桁架位移響應(yīng)幅度對(duì)比

綜上，說(shuō)明雖然結(jié)構(gòu)處于室內(nèi)封閉環(huán)境，但構(gòu)件受溫度作用的敏感性仍有不同，其敏感性與方位有關(guān)，并且受太陽(yáng)直射的上弦桿件溫度敏感性更高．

4?結(jié)構(gòu)雨荷載響應(yīng)分析

2018年8月7日—2018年8月19日期間石家莊連日暴雨，平均降雨量15.7mm，最大降雨量達(dá)68.4mm．為研究雨荷載下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)，本節(jié)對(duì)這期間主懸索桁架測(cè)點(diǎn)(東部DX、中部ZX、西部XX)的應(yīng)力變化進(jìn)行分析．連日降雨同時(shí)會(huì)造成溫度變化，為去除溫度變化對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值變化的影響，選取同時(shí)期并且與下雨時(shí)段溫度變化區(qū)間相似一段，即6月24日—7月8日這一溫度下降段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別對(duì)該區(qū)間內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的溫度-應(yīng)力曲線進(jìn)行線性擬合[17]，2值介于0.9138～0.9973之間，均大于0.9000，擬合效果良好，說(shuō)明應(yīng)力變化與溫度近似呈線性關(guān)系．進(jìn)而，利用已得的線性關(guān)系方程對(duì)8月7日—8月19日測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的預(yù)測(cè)值即可理解為沒(méi)有雨荷載只考慮溫度作用的基礎(chǔ)值．將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，因篇幅所限，選取中部主懸索桁架上弦測(cè)點(diǎn)3(Z3)及自錨桿測(cè)點(diǎn)4(Z4)進(jìn)行示意說(shuō)明，如圖22所示．

圖22?雨荷載影響

計(jì)算實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之差，差值可認(rèn)為是雨荷載的附加影響．圖23為計(jì)算得到的雨荷載造成的附加應(yīng)力變化幅值除以對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力設(shè)計(jì)值的百分比，以此來(lái)分析主懸索桁架各構(gòu)件對(duì)雨荷載的敏感度．由圖23可以發(fā)現(xiàn)，東部和中部主懸索桁架受雨荷載影響很小，雨荷載引起的應(yīng)力變化主要集中在西部主懸索桁架區(qū)域，這可能與積水的不均勻分布有關(guān)．在西部主懸索桁架區(qū)域，自錨桿的測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4受雨荷載影響很小，上弦桿的測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3受雨荷載影響較大，應(yīng)力變化幅值分別達(dá)到設(shè)計(jì)值的14.8%、20.6%．可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)受雨荷載影響程度相比溫度作用而言較小，但對(duì)上弦桿而言仍不容忽視．

圖23?雨荷載下應(yīng)力變化幅度

5?結(jié)?論

對(duì)石家莊國(guó)際會(huì)展中心采用的雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了服役期的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析研究在溫度作用及雨荷載作用下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論．

(1)通過(guò)應(yīng)力響應(yīng)曲線與氣溫曲線對(duì)比，說(shuō)明雙向索桁架屋蓋結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非均勻溫度場(chǎng)，不同桿件溫度“滯后”程度不同；計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)主懸索桁架的上弦桿溫度敏感性最大，應(yīng)力變化幅值最大可達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)力值的78%．

(2)主懸索桁架自錨桿與主懸索及橫向索桁架的拉索溫度敏感性相近，相應(yīng)的應(yīng)力、索力變化幅度為22%～32%．其中自錨桿及拉索的柱側(cè)一段變化幅度最小，說(shuō)明構(gòu)件的溫度響應(yīng)程度與周圍構(gòu)件的變形及約束有關(guān)．

(3)由位移溫度響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，夏季結(jié)構(gòu)位移變化最大，在8月中旬達(dá)到極值．服役期間主懸索桁架上弦桿的位移變化幅度分別大于對(duì)應(yīng)下弦桿的位移變化，約為對(duì)應(yīng)下弦桿變化幅值的1.5倍，說(shuō)明受太陽(yáng)直射的上弦桿溫度敏感性更高．

(4)主懸索桁架構(gòu)件受雨荷載影響程度與積水分布有關(guān)，且上弦桿受雨荷載影響更為顯著，應(yīng)力變化幅值可達(dá)其設(shè)計(jì)值的20.6%．

［1］ 劉紅波，陳志華，王小盾，等．太陽(yáng)輻射下弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43(8)：705-711．

Liu Hongbo，Chen Zhihua，Wang Xiaodun，et al.Temperature effects of superimposed arches on a dome under solar radiation[J]. Journal of Tianjin University，2010，43(8)：705-711(in Chinese).

［2］ 馬?青，陳志華，支家強(qiáng)，等. 天津體育中心自行車館服役期結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)分析[J]. 工業(yè)建筑，2015，45(8)：48-52.

Ma Qing，Chen Zhihua，Zhi Jiaqiang，et al. Monitoring and analysis of structural response of Tianjin Sports Center velodrome in service period[J]. Industrial Structure，2015，45(8)：48-52(in Chinese).

［3］ 張愛(ài)林，劉學(xué)春，馮?姍，等. 大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33(4)：40-46.

Zhang Ailin，Liu Xuechun，F(xiàn)eng Shan，et al. Temperature response analysis of large-span cable dome structure[J]. Journal of Building Structure，2012，33(4)：40-46(in Chinese).

［4］ 王小盾，方志偉，劉紅波，等. 北方學(xué)院體育館弦支穹頂施工過(guò)程溫度效應(yīng)研究[J]. 工業(yè)建筑，2016，46(11)：1-6.

Wang Xiaodun，F(xiàn)ang Zhiwei，Liu Hongbo，et al. Analysis of temperature effect in construction process of gymnasium suspen-dome structure in North University[J]. Industrial Structure，2016，46(11)：1-6(in Chinese).

［5］ 李?博，劉紅波，周?婷. 膜下索穹頂太陽(yáng)輻射非均勻性溫度效應(yīng)研究[J]. 工業(yè)建筑，2016，46(11)：13-19.

Li Bo，Liu Hongbo，Zhou Ting. Research on solar radiation non-uniform temperature effect on cable dome under membrane[J]. Industrial Structure，2016，46(11)：13-19(in Chinese).

［6］ 牟在根，楊雨青，李?夏，等．超長(zhǎng)航站樓結(jié)構(gòu)溫度作用分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2017，50(增1)：147-154．

Mou Zaigen，Yang Yuqing，Li Xia，et al. Analysis of temperature action of super long terminal structure[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology, 2017，50(Suppl 1)：147-154(in Chinese).

［7］ 陳高峰，區(qū)?彤，李紅波，等．廣州亞運(yùn)城臺(tái)球壁球綜合館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31(3)：97-104.

Chen Gaofeng，Ou Tong，Li Hongbo，et al. Structure design of billiards and squash complex hall in Guangzhou Asian Games City[J]. Journal of Building Structure，2010，31(3)：97-104(in Chinese).

［8］ 梅宇佳. 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載作用下受力特性實(shí)測(cè)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2013.

Mei Yujia. Research on the Performance of the National Stadium’s Steel Structure Under Environmental Loads by Field Measurements[D]. Hangzhou：School of Civil Engineering，Zhejiang University，2013(in Chinese).

［9］ 李青翔，劉彥生，陳宇軍，等. 石家莊國(guó)際展覽中心展廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2020，50(12)：1-8.

Li Qingxiang，Liu Yansheng，Chen Yujun，et al. Structural design of exhibition hall of Shijiazhuang International Center[J]. Architectural Structure，2020，50(12)：1-8(in Chinese).

［10］ 陳宇軍，劉彥生，李青翔，等. 石家莊國(guó)際展覽中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2020，50(12)：9-21.

Chen Yunjun，Liu Yansheng，Li Qingxiang，et al. Structural design of exhibition hall of Shijiazhuang International Center[J]. Architectural Structure，2020，50(12)：9-21(in Chinese).

［11］ 徐瑞龍，雷俊方，沈?斌，等. 虹橋機(jī)場(chǎng)二期屋蓋張弦結(jié)構(gòu)內(nèi)力和溫度監(jiān)測(cè)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(10)：82-86.

Xu Ruilong，Lei Junfang，Shen Bin，et al. Research on force and temperature monitoring for beam string structure of Hongqiao Airport[J]. Architectural Struc-ture，2012，42(10)：82-86(in Chinese).

［12］ 楊姝姮，陳志華，劉紅波. 既有空間結(jié)構(gòu)檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)概述[J]. 工業(yè)建筑，2015，45(增)：370-373.

Yang Shuheng，Chen Zhihua，Liu Hongbo. Overview of the existing spatial structure detection and health monitoring[J]. Industrial Structure，2015，45(Suppl)：370-373(in Chinese).

［13］ 趙中偉，陳志華，王小盾，等. 于家堡交通樞紐站房網(wǎng)殼施工仿真分析與監(jiān)測(cè)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36(1)：136-142.

Zhao Zhongwei，Chen Zhihua，Wang Xiaodun，et al. Simulation and monitoring of whole erection process for Yujiapu railway station building[J]. Journal of Building Structure，2015，36(1)：136-142(in Chinese).

［14］ 張愛(ài)林，劉學(xué)春，王冬梅，等. 2008奧運(yùn)會(huì)羽毛球館新型預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)全壽命健康監(jiān)控研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28(6)：92-99.

Zhang Ailin，Liu Xuechun，Wang Dongmei，et al. Health monitoring of the prestressing suspend-dome of the badminton gymnasium for 2008 Olympic Games[J]. Journal of Building Structure，2007，28(6)：92-99(in Chinese).

［15］ 陳志華，牛?犇，張智升. 天津圖書館鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析[J]. 工業(yè)建筑，2015，45(2)：154-158.

Chen Zhihua，Niu Ben，Zhang Zhisheng. Analysis of stress monitoring results of key joints in steel structure of Tianjin Library[J]. Industrial Structure，2015，45(2)：154-158(in Chinese).

［16］ 劉秀明，陳博軒，武?岳，等. 氣肋組合式冰殼結(jié)構(gòu)受力性能分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，https:// doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.0855，2020-06-22.

Liu Xiuming，Chen Boxuan，Wu Yue，et al. Structural performance investigations and field monitoring of an air-rib combined ice shell structure[J]. Journal of Building Structure，https：//doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019. 0855，2020-06-22(in Chinese).

［17］ 羅堯治，梅宇佳，沈雁彬，等. 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)溫度及應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34(11)：24-32.

Luo Yaozhi，Mei Yujia，Shen Yanbin，et al. Field measurement of temperature and stress on steel structure of the National Stadium and analysis of temperature action[J]. Journal of Building Structure，2013，34(11)：24-32(in Chinese).

Monitoring and Analysis of Bidirectional Cable Truss Structural Characteristics During a Service Period

Zhang Qingyun1, 2，Chen Zhihua1，Liu Hongbo1

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tongji Architectural Design，Shanghai 200092，China)

The bidirectional cable truss structure is a new form developed to realize a super-large span space. A combination of the vierendeel truss and suspension cable forms the structure of the main force direction，while the structure of the secondary force direction consists of the cable truss. Heterogeneous and time-varying environmental loads influence the structural performance of the large-span spatial steel structure. Taking the roof of Shijiazhuang International Convention and Exhibition Center as an example，a reasonable monitoring program was designed to record the law of stress，cable force，and displacement development on the account of mechanical characteristics. According to numerous monitoring data，the law under environment load was studied and temperature sensitivity and rain force sensitivity were analyzed. Temperature was observed to be a vital element. Through comparison，it is concluded that the temperature sensitivity of the upper chord of the main cable truss is the highest，the amplitude of stress variation is up to 78% of the designed value，and the amplitude of displacement variation is about 1.5 times than that of the lower chord of the corresponding position. Furthermore，the sensitivity of the self-anchored member and cable performed similarly with 22%—32% amplitude variation besides those located nearby the columns. These upper chords also showed higher sensitivity under the rain load，with the amplitude variation reaching up to 20.6%.

bidirectional cable truss structure；monitoring；environmental load；structure performance；sensitivity

TU393.3

A

0493-2137(2021)08-0807-09

10.11784/tdxbz202008079

2020-07-15；

2020-10-16.

張清允（1992—??），女，碩士，助理工程師，13821253289@163.com.

陳志華，zhchen@tju.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2018YFC0705500，2018YFC0705504).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2018YFC0705500，No. 2018YFC0705504).

(責(zé)任編輯：金順愛(ài))