無線溫度測試系統在鳥巢鋼結構合攏和卸載施工中的應用

摘要：研制開發了鋼結構本體溫度無線測試系統，對國家體育場即“鳥巢”鋼結構的合攏施工和卸載過程進行了現場鋼結構本體溫度監測。根據均勻分布于鳥巢鋼結構本體頂面、立面和立面次結構上的監測點數據，評價了鋼結構構件在合攏和卸載施工過程的實際溫度狀態和分布規律。分析認為，合攏期間鋼結構本體溫度均滿足設計規定的要求，各階段溫度測試數據可為鳥巢鋼結構的后續施工應力分析提供依據。所建立的鋼結構本體溫度無線測試系統可推廣應用于類似鋼結構工程。

關鍵詞：國家體育場；鳥巢鋼結構；合攏；卸載；無線溫度測試

國家體育場位于北京市成府路南側，奧林匹克公園中心區內，是2008年北京第29屆奧運會的主體育場。體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點高度為68.5m，最低點高度為40.1m，總建筑面積約為25.8萬㎡。

體育場鋼結構采用的基本施工順序如下：1）安裝桁架柱柱腳、立面次結構柱腳、樓梯柱柱腳；設置78個臨時支撐塔架；2）分段吊裝桁架柱、立面次結構（倒角區以下部分）、樓梯柱的下半部分、立面樓梯；3）開始主桁架分段吊裝工作。4）主桁架分段吊裝工作完成；5）進行主桁架各分區之間的整體合攏工作；6）臨時支撐塔架卸載；7）安裝頂面次結構與轉角區立面次結構、樓梯柱的上半部分；8）安裝馬道及各種設備吊掛支架、屋面PTFE膜結構及下弦PTFE聲學吊頂、燈光、音響、大屏幕等設備。

北京地區屬于大陸性氣候，晝夜溫差大，冬夏季溫度差別也大，溫度對鋼結構的作用明顯。為減少溫度對鋼結構的影響，在結構形成整體前按要求留設了四條合攏線，各部分結構施工完畢后進行合攏，形成鳥巢主結構。合攏時，鋼結構本體溫度必須達到合理范圍，才能保證結構在任何氣候狀況下，各項指標變化都在規定范圍內。卸載時，鳥巢將經歷一次使鋼結構龐大的自重荷載承重部位從臨時塔架到自身承重的體系轉換過程，每個步驟對鋼結構是否安全合理受力有重要的影響，需要掌握鋼結構構件的實際溫度狀態，以便有效分析卸載時鋼結構體系轉換的受力狀態。

由于國家體育場結構復雜，監測范圍覆蓋面廣，如采用有線傳輸方案，勢必影響施工單位的組裝作業，若單點逐一測試，則測試效率太低，影響數據的及時反饋。為此，專門針對體育場的客觀條件，開發研制了無線溫度測試系統，既保證測試數據的穩定可靠和高效率，又使對施工影響降到最低。通過合攏時段和卸載階段的溫度實時監測，保證了合攏溫度控制準確，掌握了卸載施工的溫度狀態。為體育場鋼結構工程的施工提供了重要的科學決策依據。

1監測系統

1.1傳感器

監測傳感器為DS18B20型號的一線式數字溫度傳感器，3個引腳。在測試精度 0.5℃時溫度量程-10℃～85℃，測溫分辨率0.0625℃。傳感器導線與數據采集、發射裝置以及電源相連，一并密封存放于測試盒中。測試盒下表面附有永磁旋鈕，便于在鋼結構表面任意部位磁力安設。見圖1和圖2。

整個系統由傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統和數據管理分析子系統構成。數據的采集和信號的發射采用自帶電池。

在選定的部位設置熱電偶傳感器，所測到的鋼板表面溫度信號通過數據采集與傳輸子系統轉換為數字信號，由無線發射裝置將信號傳輸到信號接收儀，其與計算機相連，信號進入數據管理與分析子系統。

數據管理與分析子系統包括進行數據采集、數據處理和分析、數據存儲和終端管理等，由VC可視化編程語言編制，實現了自動和手動兩種溫度采集模式，以滿足任意時間間隔采集頻次的數據測量和各點實時溫度監測的需要，測試結果自動保存在程序的配置文件中。各子系統在物理上、邏輯上和功能上聯動和協同工作，軟件對各子系統進行統一控制。終端界面簡潔明了，便于操作，見圖4和圖5。

本測試系統最大的特點是避免了現場布線。采集到的數字信號通過無線發射和接收直接傳輸給計算機進行處理，避免了采用電纜線傳輸時信號的衰減。測試現場不用外接電源線，由儀器直接攜帶電池。現場沒有冗長而煩瑣的各種信號線和電源線，最大限度地降低了對現場施工的影響。

測試前對該系統測試輸出結果與ADT-I數字式鋼軌測溫儀（量程：-45℃～+80℃）的點溫測試讀數進行對比，兩種方式的測試讀數誤差為1％以下，算術差小于±0.5℃，說明本測試系統滿足精度要求。

2 施工過程及現場監測

2.1測點布置

共布置60個測點，分別擺放在測試桿件的上表面或測點附近斜桿表面，立面結構擺放在桿件的側面。測點分布在頂面桁架上弦18個點、下弦18個點；立面結構分別布置在4個桁架柱上，每柱5點；對應的柱間次結構布設4個測點。通過對鋼結構本體溫度實際測試情況的分析，表明在后半夜時段不受白天日照影響等干擾的情況下，上述60個測點的溫度分布規律、離散幅度很小，因此可以認為所布設的60個測點能夠代表鋼結構整體溫度情況。測點布置圖[1]見圖6。

2.2合攏施工

共留有4條合攏線，一般需要分成四個夜間才能焊完。施工中根據具體情況將其中的兩條合攏線連續施工，故最后合攏日僅用了3天，分別在2006年8月25日、28日和30日的夜間進行。

測試數據表明，鋼結構本體在三天合攏日的溫度平均值分別于夜間22:00降到22.8℃；2:15達到22.9℃；1:15降到22.9℃，之后之后溫度平穩下降。各點間的溫度差每半小時變化均在±0.2℃范圍內。頂面結構的最高溫度點和最低溫度點，均在平均溫度±2℃范圍內，滿足設計對合攏溫度的要求[2]。25日溫度監測結果見圖7。

3數據分析

3.1鋼結構溫度場規律

從各點測試規律看，白天溫度升高，夜間溫度下降；8月上旬晴天時白天鋼構件本體溫度離散性很大，相應時段在12:00～17:00，14:00～15:00出現最高溫度；陰天離散性較小，最高溫度出現在13:00～15:00。

鋼結構本體各構件的晝夜溫差變化較大，頂面結構構件更為明顯，8月份晴天最高可達25℃。

白天同一時刻的上弦溫度比對應的下弦溫度高，8月份最高約達10℃。

立面結構在白天同一時刻平均溫度較頂面結構低。

總體來說，8月下旬夜間00:00以后鋼結構本體溫度與氣溫差距不大，各點溫度數據均勻性較好，溫度上下限均在平均溫度的±2℃以內，符合合攏要求的溫度出現較早，且持續時間較長，對鋼結構的合攏有利。

3.2合攏溫度

三天的合攏溫度各有特征。8月25日第一個合攏日的可施工時間到來很早，22:00以后已經滿足合攏設計溫度要求；8月28日第二個合攏日天氣最熱，直至夜間2:30以后鋼結構溫度才降到可施工的范圍；8月30日第三個合攏日是個陰天，雖然白天溫度不高，但真正到夜間降到合攏溫度，卻用去相當長的時間，到0:00才能夠施工。

合攏時頂面結構的平均溫度范圍：8月25日為21.6℃～20.6℃，8月28日為22.6℃～22.4℃，8月30日為22.6℃～21.4℃；8月30日立面結構合攏時的平均溫度范圍為22.6℃～22.4℃。鋼結構本體溫度均達到設計規定的合攏溫度，合攏工作進展順利。

3.3卸載溫度

卸載日期中，總體平均氣溫的從高到低的順序為：13日、17日、16日、15日、14日。

卸載期間鋼結構總體的溫度場狀態是，上弦桿件的北側和西側構件溫差變化比南側和東側構件要高。這與陽光照射角度有關。

立面結構離散性較小，溫度曲線較平緩，白天同一時刻平均溫度較頂面結構低。

立面結構溫差大的桿件多發生在外圈測點。在卸載時間內，南側溫度偏高。

頂面結構的上弦表面、立面結構的外圈測點溫差大的原因，均產生于太陽直射。
因此，可推斷對溫度應力有較大影響的構件可通過遮陽措施改善其溫度應力狀態。

4 結語

采用無線溫度測試系統可有效測試鋼結構本體表面溫度，無需拉線，全部測試數據正常，系統穩定，測試結果可以作為鋼結構施工各步驟決策依據參考，以及鳥巢鋼結構本體溫度的檔案資料，可供相關分析和計算使用，同時也可以作為今后類似工程參考。

參考文獻
[1] 國家體育場鋼結構溫度自動測試方案[C]，鐵道科學研究院、北京城建集團國家體育場工程總承包部，2006年7月.
[2] 張玉玲、王麗. 國家體育場鋼結構本體溫度自動測試及分析報告（合攏階段）[R]. TY字第2157號2006年鐵字第0735-1號，北京：鐵道科學研究院研究報告，2006年9月.
[3] 國家體育場工程鋼結構支撐塔架卸載操作程序手冊[C]，北京城建集團國家體育場工程總承包部，2006年9月.
[4] 張玉玲、王麗. 國家體育場鋼結構本體溫度自動測試及分析報告（卸載階段）[R]. TY字第2157號2006年鐵字第0735-2號，北京：鐵道科學研究院研究報告，2006年9月.