國家大劇院殼體測量測試方案

1、國家大劇院殼體測試方案一、工程概況國家大劇院位于工地中心的202區(qū)，由頂環(huán)梁、梁架（分長軸梁架和短軸梁架）、斜撐和環(huán)向連桿組成。頂環(huán)梁呈橢圓形，長軸長約60m，短軸長約38m，由環(huán)形鋼管、箱形梁和H型鋼等構(gòu)件組成；長軸梁架由H型鋼拼焊而成；短軸梁架由60mm厚鋼板拼焊而成。梁架呈中心對稱輻射狀放置。斜撐和連桿采用140195mm直徑的鋼管制作。連桿呈水平環(huán)向布置，上下、里外共82道。殼體結(jié)構(gòu)具有以下特點：（1）該殼體為超大型空間結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體量巨大，其長軸為212.24m，短軸為143.64m，豎軸為45.35m。整個結(jié)構(gòu)等殼體完全形成后，方為穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。所以保證施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要，

2、特別是在卸載時。（2）該殼體為非標(biāo)準(zhǔn)橢球體，且殼體內(nèi)外兩球面的曲面方程并不一樣，所以施工中平面、空間定位測量難度大。（3）殼體主要構(gòu)件梁架的平面外剛度極差，所以其吊裝、搬運難度很大；另外，同類型構(gòu)件數(shù)量少，對構(gòu)件制作放樣和安裝順序要求高。（4）需要進行空間整體預(yù)拼裝。二、測試目的1、 為永久結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)的施工過程提供安全保障；2、 保證永久結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計要求；3、 保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于合理的狀態(tài)；4、 使永久結(jié)構(gòu)在施工完成后，處于健康狀態(tài)；5、 為今后同類工程施工積累數(shù)據(jù)。三、測試項目及內(nèi)容測試點項目包括：應(yīng)力、變形（控制點的坐標(biāo)）和溫度。1、應(yīng)力測試監(jiān)測部分關(guān)鍵點位的應(yīng)力，包括頂環(huán)梁、鋼殼體

3、和臨時支撐。必須時時監(jiān)測以保證結(jié)構(gòu)安全，特別是在卸載過程中。2、幾何線形的測量國家大劇院鋼殼體的幾何形狀的準(zhǔn)確定位是安裝屋面板（特別是玻璃幕墻）的前提，是工程的關(guān)鍵；同時結(jié)構(gòu)的變形是對內(nèi)力影響非常關(guān)鍵的一個因素。在本測試方案中，主要選取對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力造成較大影響的關(guān)鍵點位進行變形測量。通過對這些點的測量以研究結(jié)構(gòu)變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律。3、環(huán)境因素測量包括溫度、風(fēng)和雪荷載的測量。國家大劇院的鋼結(jié)構(gòu)殼體受外界環(huán)境影響較大，必須在施工中考慮這些因素影響。在本方案中，主要考慮溫度的影響。四、施工工藝流程國家大劇院鋼殼體是在三道臨時支撐（S0、S1、S2都為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）上安裝完成的。其施工流程為：1.

4、混凝土圈梁的澆筑首先澆筑鋼殼體的永久支撐混凝土圈梁。2. 吊裝頂環(huán)梁在澆筑混凝土圈梁的同時，組裝好頂環(huán)梁的臨時支撐S0，以S0為操作平臺，安裝頂環(huán)梁。3. 臨時支撐S1和S2的組裝4. 梁架的吊裝梁架的吊裝分四個工作面，八條工作線，從四個有斜撐區(qū)域開始，沿兩邊逐漸向鋼殼體的長短軸方向合攏。每榀梁架分三段吊裝，即首先吊裝第一段，以混凝土圈梁和S1為支撐點，定位后，將梁架與圈梁連接；然后吊裝第二段，以S1和S2為支撐點，定位后，將第一段與第二段焊接；最后吊裝第三段，以S2和頂環(huán)梁為支撐點，定位后，焊接，即梁架、頂環(huán)梁和混凝土圈梁連接成整體。梁架的具體吊裝順序為：（1） 同時吊裝W18、W19、W5

5、6、W57，E18、E19、E56、E57，定位焊接后，焊接梁架間的水平桿；（2） 在安裝好上述八榀梁架后，每個工作面往長短軸方向各安裝一榀，每一階段共安裝八榀，同時完成梁架間水平桿的焊接，即完成一個吊裝階段；（3） 最后安裝W37、W38，E37、E38及其之間的水平桿，殼體閉合。每一個吊裝階段作為一個工況。5. 臨時支撐的拆除臨時支撐的拆除采用分步下調(diào)支撐點的千斤頂，逐步拆除支撐的施工步驟。原則上先卸完S1，然后S0和S2間隔卸載。由于安裝墻面玻璃還會產(chǎn)生變形，使環(huán)梁下降數(shù)厘米，S0在卸載后并不拆除，以保證安裝玻璃幕墻時的工程安全。在分步下調(diào)過程中，一道支撐點下調(diào)作為一次大工況；由于一道支

6、撐點整體同時下調(diào)在操作上無法實施，在施工中采取分步，即一次下調(diào)8個或16個點，每下調(diào)一次作為一次小工況。五、殼體測量測試方案（一）梁架應(yīng)力測試1、測點布置其應(yīng)力測點布置原則如下：（1） 最大應(yīng)力點；（2） 應(yīng)力變化較大的點；（3） 施工關(guān)鍵節(jié)點；（4） 反映環(huán)境影響特征的點；根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，應(yīng)力測點主要布置在鋼殼體的西南1/4區(qū)域，共計20個測點左右。測點始終與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)接，實時、全程監(jiān)控應(yīng)力和溫度。測點的布置如附圖所示：在梁架與混凝土圈梁交接處布置的應(yīng)力測點，以監(jiān)測這些梁架的整體應(yīng)力變化狀況；在梁架的臨時支撐S1與S2及S2與S0的跨中再各布置一個應(yīng)力測點，以監(jiān)測該榀梁架局部應(yīng)力變化情

7、況；最后在頂環(huán)梁的中央點位置布置一個測點。由于所需檢驗的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以軸力為主，應(yīng)變計一般安裝在構(gòu)件腹板中部。2、測試儀器的選擇本工程的測試擬采用振弦式應(yīng)變計和數(shù)據(jù)采集儀組成的系統(tǒng)來測試、收集和整理數(shù)據(jù)。考慮到現(xiàn)場的變化因素及不可預(yù)見情況，同時準(zhǔn)備一些應(yīng)變片作補充。（1）應(yīng)變計選擇根據(jù)項目要求，須進行長期測試，因此測試儀器的長期穩(wěn)定性就成為最重要的性能指標(biāo)之一。根據(jù)在盧浦大橋的測試經(jīng)驗，采用電阻式應(yīng)變計難以滿足工程要求；而振弦式應(yīng)變計的性能比較穩(wěn)定，能夠滿足工程要求；另有一種性能非常優(yōu)異的光纖應(yīng)變計，但是價格很高。關(guān)于振弦式應(yīng)變計和光纖應(yīng)變計的工作原理和特點，本文附錄部分會給予介紹。結(jié)合實際工程應(yīng)

8、用性和價格的綜合評估，本工程擬采用能夠同時測量溫度和頻率的振弦式應(yīng)變計。（2）數(shù)據(jù)采集儀的選擇本工程擬采用的數(shù)據(jù)采集儀具有同時測量多個通道的功能，而且能夠根據(jù)需要設(shè)定采集頻率，并可存儲數(shù)據(jù)。所采用的數(shù)據(jù)采集儀具有通用接口，能夠與電腦相連，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到電腦內(nèi)以便進一步處理。3、應(yīng)變計的安裝在現(xiàn)場，吊裝有測點的梁架之前，先在預(yù)定位置進行打磨和清潔，然后配合現(xiàn)場工人搭建焊接所需的平臺和固定導(dǎo)線所需的走道；在場外，除了準(zhǔn)備安裝所需的部分工具外，必須事先計算各測點應(yīng)變計的導(dǎo)線長度，并編號做上標(biāo)記，然后將導(dǎo)線裁剪到計算長度。實際焊接應(yīng)變計一般在梁架吊裝到位之前。安裝完成后將導(dǎo)線引到預(yù)定的測站。4、測站位置

9、選擇由于導(dǎo)線長度影響測試信號的準(zhǔn)確程度，為了保證測試質(zhì)量，采用了國外的屏蔽線，由此導(dǎo)致測試成本上升。為了達到成本與性能的最佳組合，測站位置選擇是其中的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場位置綜合比較的結(jié)果，決定將測站設(shè)置在西面影劇院的屋頂上，由現(xiàn)場制作一個工作室以保護儀器。這個位置基本處在測點分布的中心區(qū)域，而且高度也合適，能夠縮短測點應(yīng)變計的導(dǎo)線長度，是一個十分理想的地點。具體位置的安排需要和現(xiàn)場人員協(xié)商解決。5、測試時間在梁架吊裝過程中，每一個工況（參考前文施工工藝流程）前后測試一次測點位置的應(yīng)力。在卸載過程中，每一個小工況前后測試一次所有測點的應(yīng)力，直至所有臨時支撐拆除。如果有特殊需要，可以對測試時間進行加密

10、。6、測試報告提交時間在梁架吊裝期間，原則上每一個工況結(jié)束后提交一份測試報告，內(nèi)容包括時間、天氣、測點編號、測點應(yīng)力、測試人員等。測試報告在工況結(jié)束后一個工作日內(nèi)提交。測試報告樣本見附錄。測試結(jié)果以書面和計算機文件這兩種方式提交。（二）臨時結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試臨時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測試作為永久結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試的補充，主要用在卸載時監(jiān)測臨時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。它一般布置在臨時結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的部件上，具體布置位置見附圖。計劃在S0網(wǎng)架上設(shè)置近20個點位，在S2網(wǎng)架上設(shè)置5個左右點位。臨時結(jié)構(gòu)的測試所用的應(yīng)變計為日本產(chǎn)的電阻應(yīng)變計，具有一定防水功能，能夠進行長期測試。數(shù)據(jù)采集儀采用與測試永久結(jié)構(gòu)時相同的儀器。電阻應(yīng)變計的安裝需要

11、在臨時結(jié)構(gòu)上進行打磨、清潔，在計算好導(dǎo)線長度后，用膠水（最好是防水的）將應(yīng)變計固定在清潔過的構(gòu)件表面，進行編號后捆扎成束并做好保護。進行測試時測站就設(shè)在測點附近。在卸載過程中，每一個工況（參考前文施工工藝流程）前后測試一次測點位置的應(yīng)力。在臨時支撐拆除過程中，每一個工況前后測試一次所有測點的應(yīng)力，直至所有臨時支撐拆除。如果有特殊需要，可以對測試時間進行加密。在卸載階段，由于時間緊迫，擬采用現(xiàn)場反饋的方式報告測試結(jié)果，等卸載工作告一段落后編寫小結(jié)。（三）變形測量1、測點布置其變形測點布置原則如下：（1） 應(yīng)力變化影響較大點位；（2） 反映環(huán)境影響特征的點位；（3） 盡量與應(yīng)力測試點位配套。上述測

12、點布置的最終目標(biāo)之一是能夠建立一個完整的體系，將內(nèi)力和變形融合起來，作為進一步分析研究的基礎(chǔ)。測點布置如附圖所示，即在有應(yīng)力測點的梁架上布置四個變形測點，兩個測點位置在臨時支撐S1與S2及S2與S0的跨中，另兩個測點位于臨時支撐S1與S2所在的位置。鑒于進行測量需要臨時安裝小棱鏡和全站儀，還要專門搭設(shè)腳手架，工作量大，所以將所需測的梁架定為5榀，根據(jù)工程進度不同分別測量其中幾榀梁架。根據(jù)工藝流程，計劃在W56、W45、W67和長短軸上設(shè)置變形的測點，長短軸上的測點只能在卸載時使用。平時按工程進度測量變形，卸載時測量長短軸和W45梁架上的變形。在卸載的時候，增加在頂環(huán)梁上的測點，而且只測量頂環(huán)梁

13、上和梁架支撐點上的測點。2、測量儀器采用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等儀器。進行測量時以全站儀為主，在通視條件允許的前提下，可以進行實時測量。所使用全站儀的型號為TCA2003，精度達到1+1ppm，并具有測量機器人的功能，能夠自動跟蹤并切換目標(biāo)，為目前工程測量領(lǐng)域頂尖的測量設(shè)備。3、測站設(shè)置在工地的西南角有兩座樓房，建造時間都在10年以上，其屋頂?shù)母叨扰c頂環(huán)梁高度相當(dāng)，是絕佳的觀測地點。在這個位置上架設(shè)全站儀，可以很方便地觀測西面的梁架。這臺全站儀支持自動觀測的記錄數(shù)據(jù)的功能，可以對西部梁架上的變形測點進行不間斷地掃描，實現(xiàn)實時測量的功能。在測量工作開始之前，需要將這個點位納入工程控制網(wǎng)。4、測量

14、時間在鋼殼體安裝過程中，必須每個工況前后各測量一次；在卸載過程中，每個小工況前后測試一次所有測點的變位，直到所有臨時支撐拆除。本方案不涉及安裝構(gòu)件時的測量控制。5、測量數(shù)據(jù)提交本課題的測量任務(wù)是施工測量任務(wù)的一部分，只要求對所設(shè)定的測點進行測量和記錄。一般來說，每個工況結(jié)束后就應(yīng)該對所有已經(jīng)安裝好的測點進行測量和記錄，并在一個工作日內(nèi)提交測量報告。測量報告內(nèi)容包括時間、天氣、測點編號、測點位置、測量人員等。由于測量數(shù)據(jù)種類多，包括焊前、焊后等等，為統(tǒng)一起見，報告里的測量數(shù)據(jù)擬采用水平桿焊接后的測量數(shù)據(jù)。測量報告樣本見文后附錄。（四）溫度測量1、 測點布置同應(yīng)力測試。2、 測量儀器同應(yīng)力測試。3

15、、 測量時間除平時按照測試應(yīng)力的同時測量溫度外，施工過程中，每個月選取23天作不間斷測量，即每隔一個小時測量一次溫度，并測試應(yīng)力。同時，與測量單位取得協(xié)調(diào)，用全站儀同步掃描溫度測點的變形情況。附錄一、振弦式儀器的工作原理和精度控制（一）振弦式儀器的工作原理振弦式儀器通常包括固定在端塊或被測元件之間的鋼弦，通過測量張緊鋼弦的頻率變化來測量鋼弦的張力應(yīng)變等物理量，鋼弦的振動頻率與弦的張力之間的關(guān)系為：0.5*L*（T/M）0.5這里：鋼弦的自振頻率鋼弦的長度單位長度鋼弦的質(zhì)量鋼弦的張力。實踐證明，弦式儀器的技術(shù)難點在于其長期穩(wěn)定性，影響振弦式儀器長期穩(wěn)定性的因素很多，最重要的因素包括鋼弦及其相關(guān)部

16、件材料的選擇、鋼弦的固定技術(shù)、盡可能地減小由于溫度和應(yīng)變引起的弦線徐變以及減小潛在的腐蝕。高質(zhì)量的振弦式傳感器應(yīng)具有良好的設(shè)計工作特性和較低的長期漂移。（二）振弦式傳感器的精度精度的含義是測值與真實值的接近程度，為了真實反映傳感器的精度，應(yīng)該考慮所有的誤差來源。通常誤差來源包括標(biāo)準(zhǔn)精度誤差、溫度誤差和長期穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)精度誤差通常是由非線性，滯后現(xiàn)象和不可重復(fù)性等引起的誤差的綜合。一般對振弦傳感器進行標(biāo)定是采用可示蹤的0.1%或更高的標(biāo)準(zhǔn)來確定振弦傳感器的精度和重復(fù)性。實踐證明了振弦傳感器在0.025%F.S.（即全量程）范圍內(nèi)是可重復(fù)的。溫度誤差是由零點誤差（在空載情況下，由于溫度的變化引起的

17、輸出讀數(shù)的改變）和溫度間隔誤差（在全量程范圍內(nèi)由于溫度變化引起的讀數(shù)的改變）決定的。典型的弦式傳感器的溫度誤差小于0.02%F.S./°F。長期穩(wěn)定性或漂移的定義是指已標(biāo)定的輸出讀數(shù)相對于時間的變化情況。如果傳感器沒有很好的長期穩(wěn)定性，那么就無法精確確定其它誤差來源，除非對傳感器進行定期標(biāo)定，然而這在大多數(shù)工程中是難以做到的。因此，弦式儀器長期穩(wěn)定性一直是工程界最為關(guān)心的問題。隨著振弦式傳感器的技術(shù)的日趨完善，通過謹(jǐn)慎選擇材料和使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，振弦式傳感器可以具有很高的精度和耐惡劣環(huán)境能力，很低的溫度靈敏度以及很小的長期漂移。系統(tǒng)控制這些材料的選擇及技術(shù)的使用可以確保所有批量生產(chǎn)的傳

18、感器具有相同的長期穩(wěn)定性。二、光纖傳感器的工作原理近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完

19、成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測出10-4弧度的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的柔韌性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。光纖聲傳感器就是一