作者:崔雪芹 柯益能 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/19 17:21:22
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浙大助力织就冬奥酷炫 “冰丝带”

 

效果图。(浙大供图)

 现场安装。(浙大供图)

再过几天,举世瞩目的北京冬奥会即将开幕。作为唯一新建冰上竞赛场馆——国家速滑馆“冰丝带”为世界贡献了由中国设计、中国技术、中国材料、中国制造组成的奥运场馆建设“中国方案”。

环形的“冰丝带”造型灵动,由22条晶莹美丽的“丝带”状曲面玻璃幕墙环绕,远观飘逸,近看宏伟。“冰丝带”的屋面体系采用了双曲面马鞍形单层索网结构,是目前世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。

这其中,浙江大学建筑工程学院教授罗尧治团队和教授邓华、袁行飞团队为“冰丝带”超大跨度索网结构建设施工与运维保障提供了重要的科技支撑。

精益求精造就索网结构

所谓的索网结构,简单地说,就是一张由钢索编织而成的大网。这样一张大网“扣”在了速滑馆的上方,形成一个马鞍形双曲面屋顶。

相较于传统的刚性屋面结构体系,柔性的索网屋面在满足结构功能的前提下大大减小了结构的用钢量,这样精巧的空间设计为节能环保提供了保障。但是可想而知,它的施工难度也非常大,再加上工期紧,项目参与各方都悬着一颗心。

这是因为每根索网就有几吨重,而只有通过合理的张拉,才能织成一张网。在施工过程中,这些钢索的受力状态就非常关键了,稍有不慎就会影响施工质量与安全。为了更好摸清钢索状态,罗尧治团队在施工环节就安装上浙大自主开发的无线传感器,用以实时监测和力学分析。“施工的过程中,千斤顶下面也有传感器,但是它们随着工程的进展要撤下来的,只能监测短时的数据,但我们的监测是全过程的。”罗尧治说。

“冰丝带”屋盖结构是由49对承重索和30对稳定索编织成长跨198米、短跨124米的马鞍形索网,如何布局传感器网络,又如何保证索网升到高空后传感器能长期正常稳定地工作呢?

精益求精是他们此次工作的关键所在。从2018年9月到2020年的12月,罗尧治团队就在一线开展数据处理,时刻关注着穿针引线、织开大网的各个节点,为施工方案提供决策支持。

在索网的施工过程中,采取“先地面拼装、再整体提升”的工序,但由于场地空间限制,铺在地面等待张拉的钢索需要微微拱起才能越过“瓶颈”。倘若没有准确的数据支撑,谁也不能轻易下令弯折动辄几吨的钢索。“这时候,我们的现场监测数据能够实时掌握弯曲对钢索的影响,为现场决策指挥和安全施工提供了重要依据。”施工方评价说:“浙大的无线传感器就像一双双眼睛,紧紧‘盯’着工程的建设全过程。”

千里一线的“最强大脑”

不仅在建设时发挥作用,如今建成后的“冰丝带”依旧通过“健康医生”的方式测量着“脉搏”与“心跳”。

“拿到数据、传输数据、处理数据,是我们开展监测分析的全过程。” 罗尧治团队的教授许贤说,团队对速滑馆的应力、位移、加速度、温度、风压、索力等六大类参数进行监测,测试点数也达千余个,数量之多创下了单一建筑结构之最。

那么这些监测大数据如何更好地决策呢?

走进位于紫金港校区的空间结构健康监测平台,记者看到,这里汇集着来自各地的监测数据,也实时处理着来自“冰丝带”的数据。作为多学科融合的云端数据库,浙大团队采用的是统一的数据标准、统一的数据系统,这种数据融合便于更好地开展建筑物结构分析。

这套监测系统是由浙大自主开发设计的,早在2010年就开始应用于国家体育馆“鸟巢”的运营监测,也就是说已经有了10多年的工程经验,同时大兴国际机场用的也是这套监测技术,而且监测面积是世界最大。“我们会根据每个项目的具体需求来改造这套系统,在施工的关键环节和恶劣天气条件,我们还会加密监测。”

除了对“冰丝带”屋顶的监测,浙大团队还对速滑馆的赛场冰下混凝土开展了结构监测。“冰丝带”采用了全冰面设计,同时也采用最先进的制冰技术,冰面温差可控制在0.5℃以内。

这对混凝土的质量提出了更高要求。如何监测冰下混凝土服役状态下的受力情况,这对罗尧治团队来说,又是一个崭新课题。为此,团队研发了低温恶劣环境下混凝土结构的内力和温度监测技术,提出了冰下混凝土长期服役过程中性能状态评估方法。

深度参与这个项目的建工学院2017级直博生傅文炜说:“在这个伟大的时代,通过自己的科研工作为国家速滑馆建设作出小小的贡献,是人生难得的际遇。”

“风吹雪打都不怕”

在“冰丝带”建设期间,浙江大学建筑工程学院的另一拨人马也发挥了重要作用。为了更好解决屋顶的建设难题,教授邓华、袁行飞团队通过12:1的缩尺模型,开展了国家速滑馆大跨度索网屋盖结构建造关键技术及模型试验研究。

“国家速滑馆屋盖跨度大、钢索多、内力协调复杂,这要求结构必须实现高精度的建造。”邓华介绍,索网中需要施加巨大的张拉力,且必须保证与环桁架和幕墙索高精度地协同工作,然而索网由地面提升的步骤和钢索的张拉顺序都将影响到整个“冰丝带”的最终施工质量,因此确定安全、高效、精确的索网施工方案是关键技术问题。

“设计难,但要将‘冰丝带’从图纸打造成冬奥会的标志性场馆同样困难。”铺在地上的索网怎样平稳提起来,到达屋面高度后需要张拉哪些索才能绷紧索网,最终可以容忍多大的误差……这些都需要进行敏感性分析。于是,团队在浙大打造了一个缩小版的“冰丝带”模型,模拟索网结构的建造全过程,并验证结构的设计性能。

缩尺模型试验从2018年6月初开始持续到8月底,期间董石麟院士也多次前往试验现场指导。一整个暑期的加班加点没有白费,最终,“冰丝带”索网结构模型在浙大诞生,此后各项试验测试和数据分析工作有序开展。

团队基于大量的数值仿真结果和试验测试数据,在索网的整体提升、张拉控制、施工验收和预张力监测等方面提出了系统性的方案和建议,为“冰丝带”大跨度索网屋盖结构的高精度建造提供了有力的技术支撑。

此外,团队还通过沙袋等形式,在张拉好的索网施加荷载。“我们在模型上吊挂不同的荷载来模拟风吹雪打的环境,验证屋顶的强度和抗形变能力。”邓华说。

 
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