國家速滑館“冰絲帶”屋面 課題組供圖

國家速滑館“冰絲帶”縮尺模型 課題組供圖

洪恒飛 柯溢能 吳雅蘭 科技日報(bào)記者 江耘

由22條晶瑩的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞，遠(yuǎn)觀飄逸，近看宏偉……作為2022北京冬奧會的唯一新建的冰上競賽場館——國家速滑館“冰絲帶”的設(shè)計(jì)、技術(shù)、材料、制造均采用了“中國方案”。

其中，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院羅堯治教授團(tuán)隊(duì)和鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)為“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)施工與運(yùn)維保障提供了重要的技術(shù)保障。

部署傳感設(shè)備 實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼索

“冰絲帶”的屋面體系采用雙曲面馬鞍形單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可理解為被一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)扣緊，相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結(jié)構(gòu)體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿足結(jié)構(gòu)功能的前提下減少了結(jié)構(gòu)的用鋼量。

“由于每根鋼索就有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)?！?月19日， 羅堯治教授向科技日報(bào)記者介紹道，在施工過程中，這些鋼索的受力狀態(tài)非常關(guān)鍵，稍有不慎就會影響施工質(zhì)量與安全。

為了摸清鋼索狀態(tài)，羅堯治團(tuán)隊(duì)在施工環(huán)節(jié)安裝上了浙大自主開發(fā)的無線傳感器，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測和力學(xué)分析。

“冰絲帶”屋蓋結(jié)構(gòu)是由49對承重索和30對穩(wěn)定索編織成長跨198米、短跨124米的馬鞍形索網(wǎng)。該如何布局傳感器網(wǎng)絡(luò)、保證索網(wǎng)升到高空后傳感器能長期正常穩(wěn)定地工作？

2018年9月到2020年12月，羅堯治團(tuán)隊(duì)就在一線開展數(shù)據(jù)處理，時(shí)刻關(guān)注穿針引線、織開大網(wǎng)的各個節(jié)點(diǎn)，為施工過程提供決策支撐。

在索網(wǎng)的施工過程中，施工方采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過“瓶頸”。倘若沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，不能輕易彎折動輒幾噸的鋼索。

“現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)掌握彎曲對鋼索的影響，為現(xiàn)場決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)?！惫こ淌┕し皆u價(jià)說，“這些無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊盯著工程的建設(shè)全過程?！?/p>

構(gòu)建索網(wǎng)模型 模擬精確施工

鋪在地上的索網(wǎng)怎樣平穩(wěn)提起、到達(dá)屋面高度后需要張拉哪些索才能繃緊索網(wǎng)、最終可以容忍多大的誤差……在“冰絲帶”建設(shè)期間，這些都需要進(jìn)行敏感性分析。

“國家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內(nèi)力協(xié)調(diào)復(fù)雜，這要求結(jié)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)高精度的建造?！编嚾A介紹，索網(wǎng)中需要施加巨大的張拉力，且必須保證與環(huán)桁架和幕墻索高精度地協(xié)同工作，索網(wǎng)由地面提升的步驟和鋼索的張拉順序都將影響到整個“冰絲帶”的最終施工質(zhì)量，確定安全、高效、精確的索網(wǎng)施工方案尤為關(guān)鍵。

為解決屋頂?shù)慕ㄔO(shè)難題，鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)通過12：1的縮尺模型，開展了國家速滑館大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)建造關(guān)鍵技術(shù)及模型試驗(yàn)研究。

縮尺模型試驗(yàn)從2018年6月初開始持續(xù)到8月底，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于大量的數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗(yàn)收和預(yù)張力監(jiān)測等方面提出了系統(tǒng)性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。

此外，團(tuán)隊(duì)還通過沙袋等形式，為張拉好的索網(wǎng)施加荷載?！拔覀冊谀Ｐ蜕系鯍觳煌暮奢d物來模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗(yàn)證屋頂?shù)膹?qiáng)度和抗形變能力?！编嚾A說。

依托后方平臺 遠(yuǎn)程分析診斷

走進(jìn)位于浙大紫金港校區(qū)的空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測平臺，記者看到，這里實(shí)時(shí)處理著來自“冰絲帶”的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

據(jù)了解，這套監(jiān)測系統(tǒng)由浙大自主開發(fā)設(shè)計(jì)，早在2010年就開始應(yīng)用于國家體育館“鳥巢”、大興國際機(jī)場等建筑物的運(yùn)營監(jiān)測。

羅堯治團(tuán)隊(duì)成員、許賢教授說，團(tuán)隊(duì)通過該平臺對速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力等六大類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，測試點(diǎn)數(shù)也達(dá)千余個，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結(jié)構(gòu)之最?！拔覀儠鶕?jù)每個項(xiàng)目的具體需求來改造這套系統(tǒng)，在施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和惡劣天氣條件，我們還會加密監(jiān)測?！?/p>

除了對“冰絲帶”屋頂?shù)谋O(jiān)測，浙大團(tuán)隊(duì)還對速滑館的賽場冰下混凝土開展了健康監(jiān)測。據(jù)悉，“冰絲帶”采用全冰面設(shè)計(jì)，冰面溫差可控制在0.5℃以內(nèi)，這對混凝土的質(zhì)量提出了更高要求。

如何監(jiān)測冰下混凝土服役狀態(tài)下的受力情況，這對羅堯治團(tuán)隊(duì)來說，又是一個嶄新課題。為此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了低溫惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和溫度監(jiān)測技術(shù)，提出了冰下混凝土長期服役過程中性能狀態(tài)評估方法。

深度參與這個項(xiàng)目的浙大建工學(xué)院2017級直博生傅文煒說：“在這個偉大的時(shí)代，通過自己的科研工作為國家速滑館建設(shè)作出小小的貢獻(xiàn)，是人生難得的際遇?！?/p>

關(guān)鍵詞： 跨度 絲帶