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(jì)中的重要參數(shù)，索力監(jiān)測(cè)為總體評(píng)價(jià)索網(wǎng)狀況，進(jìn)而評(píng)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(cè)中的應(yīng)用。通過監(jiān)測(cè)獲取的實(shí)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(píng)估提供依據(jù)，也可為未來設(shè)計(jì)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(cè)；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(jì)，造型優(yōu)美獨(dú)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(yùn)營與使用壽命。因此，對(duì)索網(wǎng)索力進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，及時(shí)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(cè)，主要是通過監(jiān)測(cè)拉索的索力，來判斷其使用狀況，評(píng)定其安全性。通過對(duì)索網(wǎng)索力的監(jiān)測(cè)，不僅能為總體評(píng)價(jià)其技術(shù)狀況提供依據(jù)，同時(shí)也可以在一定程度上發(fā)現(xiàn)拉索錨固系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)是否完好。

目前，索力監(jiān)測(cè)所應(yīng)用的傳統(tǒng)技術(shù)主要有：壓力傳感器法、振動(dòng)頻率法等。不同索力測(cè)量方法，各有其特點(diǎn)。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(cè)量出來，在荷載長(zhǎng)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(jìn)行校準(zhǔn)，因此傳統(tǒng)壓力型的傳感器對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)有一定的局限性。振動(dòng)頻率法是通過建立索網(wǎng)的簡(jiǎn)化模型，實(shí)測(cè)索網(wǎng)的振動(dòng)頻率，經(jīng)過計(jì)算間接得出索力，因?yàn)槭軐?shí)際拉索的長(zhǎng)度、減震器、外護(hù)套等客觀因素的影響，其測(cè)量精度比較差。磁彈法（Elastic Magnetic，簡(jiǎn)稱EM）監(jiān)測(cè)技術(shù)，是最近興起的一項(xiàng)索力無損檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)的局限，EM監(jiān)測(cè)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(cè)量解決傳感器壽命問題，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力多截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)，解決了建筑運(yùn)營中的索力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)問題。

2 EM監(jiān)測(cè)原理及設(shè)備

EM監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量。鐵磁性材料受到外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，其磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測(cè)定磁導(dǎo)率的變化可以來反映索網(wǎng)索力的變化情況。因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)產(chǎn)生的電流強(qiáng)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(cè)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(jì)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(cè)設(shè)備就是基于以上原理研發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括沖擊電壓設(shè)備、感生電壓測(cè)量設(shè)備、溫度測(cè)量設(shè)備以及結(jié)果計(jì)算輸出軟件。監(jiān)測(cè)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(cè)量部分以及溫度測(cè)量系統(tǒng)；測(cè)量?jī)x器是將沖擊電壓電源、感生電壓測(cè)量以及結(jié)果輸出軟件集成后形成的儀器；測(cè)量軟件負(fù)責(zé)鋼索索力的計(jì)算以及結(jié)果輸出。

3 工程項(xiàng)目實(shí)例

3.1 工程項(xiàng)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(diǎn)到三層平臺(tái)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(tái)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(gè)張緊的雙曲面，其中最長(zhǎng)豎鋼索弧長(zhǎng)約52米，鋼索索徑32毫米，最長(zhǎng)橫鋼索弧長(zhǎng)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(diǎn)的影響，考慮到長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要，傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以采用，因此本項(xiàng)目采用EM監(jiān)測(cè)法進(jìn)行索網(wǎng)索力測(cè)試。

3.2 項(xiàng)目監(jiān)測(cè)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(jì)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(dá)到最初設(shè)計(jì)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(yùn)營階段的安全使用以及保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，有必要對(duì)該玻璃幕墻索網(wǎng)的索力進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

該項(xiàng)目索網(wǎng)索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置主要基于如下幾點(diǎn)考慮：監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位分布均勻，橫豎鋼索均布有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，張拉鋼索與輔助鋼索均布有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位；單根鋼索不同位置應(yīng)布置有對(duì)比性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)應(yīng)綜合考慮，全面分析，盡量做到索網(wǎng)鋼索監(jiān)測(cè)點(diǎn)位具有代表性，兼顧經(jīng)濟(jì)適用。綜合考慮以上幾點(diǎn)，該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖3所示。

3.4 監(jiān)測(cè)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(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)施工張拉完成時(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)結(jié)論

由以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見，2015年度測(cè)量值與索網(wǎng)幕墻施工完成時(shí)的測(cè)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(cè)量值相比較分析，部分測(cè)點(diǎn)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(jì)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(yùn)營使用過程中，有必要對(duì)雙曲索網(wǎng)玻璃幕墻的索網(wǎng)構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過與初始張拉數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較分析，對(duì)保障建筑運(yùn)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(shí)也為以后設(shè)計(jì)施工同類結(jié)構(gòu)提供參考。

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