服役期双向索桁架屋盖结构性能监测与分析

张清允，陈志华，刘红波

服役期双向索桁架屋盖结构性能监测与分析

张清允1, 2，陈志华1，刘红波1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

双向索桁架屋盖结构是为实现超大跨空间而发展出的新结构形式，由空腹桁架与悬索的组合结构和索桁架正交而成，分别为整体结构的主、次受力方向．对于大跨空间钢结构，具有非均匀性和时变性的环境作用影响其在役期间实际的结构响应规律．以石家庄国际会展中心屋盖为例，基于双向索桁架屋盖结构的受力特点，设计了合理的监测方案，对结构各构件的应力、索力、位移进行长期实测．以大量的服役期监测数据为依据，研究分析温度作用及雨荷载作用下双向索桁架屋盖结构的构件应力、索力、位移响应规律，对比分析各构件的温度敏感性、雨荷载敏感性．研究发现温度是双向索桁架屋盖结构在役期间影响其结构响应的关键因素．经过对比，发现主悬索桁架上弦杆的温度敏感性最高，应力变化幅度最大可达设计值的78%，位移变化幅值约为对应位置下弦杆的1.5倍．主悬索桁架自锚杆与主悬索及横向索桁架的拉索温度敏感性相近，其中除柱侧一端受温度影响较小外，其余部位相应的应力、索力变化幅度为设计值的22%～32%．此外，通过对集中降雨时间段构件应力响应的计算分析，表明主悬索桁架上弦杆对雨荷载的敏感性最高，应力变化最大幅度可达相应应力设计值的20.6%．

双向索桁架结构；监测；环境作用；结构响应；敏感性

双向索桁架屋盖结构是主次受力方向分别为索桁架和空腹桁架与悬索的组合结构，其主次方向都利用预应力使柔性拉索受拉，刚性撑杆受压，使钢材发挥其最大效能并产生足够结构刚度，特别适用于大跨度空间结构．温度是影响预应力钢结构体系受力状态的重要因素，升温会导致预应力出现不同程度的下降，而且空间结构超静定次数高，所以温度影响不容忽视[1-5]．

在目前的工程设计中，结构的温度效应分析通常是参考结构所处环境的极端温度，取一个整体、均匀的温度作用[6-7]，然而这种方式与实际情况差别较大，未考虑在不同程度太阳辐射下的结构温度远高于环境温度且结构温度具有非均匀性和时变性，这也是有限元模拟困难的原因．此外，对于雨荷载这种环境荷载，有学者[8]以实测的方式研究了其对国家体育场钢结构应力响应，但对双向索桁架屋盖结构这种新结构缺少此方面研究．

为研究双向索桁架屋盖结构在役期间在温度和暴雨的环境荷载影响下的实际结构响应规律，本文以石家庄国际会展中心屋盖为例，通过长期实测，研究环境荷载作用下的结构响应并分析不同构件对温度作用和雨荷载的敏感性．

1 双向索桁架屋盖结构体系

1.1 工程概况

石家庄国际展览中心[9-10]位于石家庄市正定新区，总建筑面积35.6×104m2，是由周边展厅和中间核心会议区组成的集展览、会议于一体的大型会展中心(如图1所示)．其中，综合展厅(D厅)屋盖采用双向索桁架屋盖结构，即横向为主要由承重索、稳定索、吊索等构成的索桁架结构，纵向主要由空腹桁架与主悬索等构成(见图2和图3)．横向索桁架边跨为27m，中间跨度为54m．纵向主悬索桁架跨度为105m，且两侧各挑出12.9m．屋盖结构整体布置如图4所示．

图1 石家庄国际展览中心效果图

图2 横向索桁架构造

图3 主悬索桁架构造

图4 石家庄国际展览中心典型结构布置

1.2 受力特点

如图5所示，横向索桁架结构中，屋面承重索承受由檩条传来的屋面重量，稳定索补充反向刚度，中间以吊索连接，屋面承重索与稳定索拉力的水平分量相互平衡，竖向分量作为荷载施加在主悬索桁架的竖杆上(见图3)；主悬索桁架中，荷载由空腹桁架竖杆传至主悬索形成索力1，由节点1的平衡可知，主悬索索力的水平分量主要由端斜索2的水平分量平衡，少部分由上弦杆平衡．由节点2的平衡可知，自锚杆可以平衡端斜索产生的水平分量，从而可以用端竖索代替端斜索，满足建筑使用要求．此外通过端斜索与端竖索张拉力的调配，使得由自锚杆主要承担主悬索在自重荷载下的水平拉力[10]．

图5 主悬索桁架传力途径示意

由项目中采用的双向索桁架屋盖结构的受力特点可以看出，主悬索桁架为整体结构的主受力方向，横向索桁架为整体结构的次受力方向；在主悬索桁架中，自锚杆较比上弦杆为承担屋面荷载的主要受力构件．此项目中，自锚杆截面为1000mm×30，上弦杆截面为500mm×30．

2 双向索桁架屋盖结构的健康监测方案

2.1 测量方法

本工程的监测方法[11-13]为通过振弦式应变计测量构件的应力及通过全站仪测量结果计算测点的位移．其中每个测点的应力测量分别采用振弦式钢板及钢筋应变计焊接在钢构件上下表面的方法，通过测量应变进而得到相应的应力．值得说明的是，因为索力很大，不能通过断索中间串联拉力传感器的方式，并且兼顾经济效益，索力的监测采用节点静力平衡法[14]通过测试拉索附近杆件的轴力间接求得拉索的索力．如图6所示，主悬索桁架竖杆和左右两段拉索组成静力平衡体系，两段拉索与水平线夹角不等，设左侧索段与水平线夹角为，右侧索段与水平线夹角为，桁架上段竖杆轴压力为1，下段竖杆轴压力为2，左侧索段拉力为1，右侧索段拉力为2．由1、2可求得

(2)

2.2 测点布置

基于上述监测技术，针对双向索桁架屋盖结构的传力特点，根据监测测点应布置在结构受力不利的关键区域的原则，制定了如下的监测测点布置方案．

2.2.1 桁架应力测点

由第1节传力路径可知，主悬索桁架的主要承重构件为主悬索、自锚杆、上弦杆以及竖向受力构件的“A形柱”，所以桁架应力测点选择布置在自锚杆和上弦杆的跨中以及与立柱交点附近(如图7所示).测点编号采用形如X1-2的形式，X表示西侧主桁架，D表示东侧主桁架，Z表示中部主桁架．X1-2中，“1”表示第1个测点位置，“2”表示该测点处的第2个振弦计，末尾没有字母表示振弦式钢板计，末尾带有字母“G”表示振弦式钢筋计．

图7 主悬索桁架应力监测测点布置

2.2.2 索力测点

索力监测包括主悬索桁架及横向索桁架的拉索索力监测．

以选取受力最不利位置为原则，索力监测选取中部主桁架以及端部和中部的两榀横向索桁架进行监测．对于主桁架悬索，测点选取跨中及立柱两侧，本文采用间接静力平衡法，故监测点布置在跨中拉索-竖杆-下弦杆三者交界处，立柱两侧(与端斜索交界的自锚杆端及与拉索交界的立柱内侧竖杆端)，布置14个测点，采用形如SZ1-2表示，如图8所示．对于横向索桁架，在正常使用工况下的主要承重构件为上方的承重索，但因本项目没有设置马道，所以受操作空间限制，其索力测点布置在主悬索桁架竖杆与稳定索的交点处，每榀6个测点，采用形如SSX1-2表示，Z表示跨中一榀索桁架，D表示北起第1榀索桁架．如图9所示．其他编号说明同第2.2.1节．

图8 主悬索桁架索力监测测点布置

图9 横向索桁架索力监测测点布置

2.2.3 位移测点

兼顾最不利位置及反映结构位移变化的全面性，主悬索桁架在竖杆与上下弦杆节点处，A形柱与上弦节点及其与自锚杆节点处，共布置10个测点，如图10所示．对于横向索桁架，同样选取中间一榀及边跨一榀进行监测，承重索的每一段索段均布置一个位移测点，另外在承重索与立柱节点布置测点，共8个测点．主悬索桁架中，东部主桁架测点编号ZDX，西部主桁架测点编号为ZXX，中部主桁架测点编号为ZZX．横向索桁架中，北起第1榀测点编号为SDX，跨中一榀测点编号为SZX(如图10和图11所示).其他编号说明同第2.2.1节．

图10 主悬索桁架位移监测测点布置

图11 横向索桁架位移监测测点布置

3 结构温度响应分析

根据上述内容对双向索桁架屋盖结构进行长期监测，本文选取施工完成态起1年的时间跨度(2018年5月7日—2019年5月7日)进行温度响应的分析研究．根据气象资料，对每日气温做日平均可得这一年间的温度变化曲线如图12所示，年最大温差35.5℃．

图12 年气温变化

计算桁架杆件的应力、拉索索力及测点位移，比较发现，应力变化曲线的波动趋势与气温变化曲线基本一致，可以认为温度是影响结构响应规律的关键因素[15-16]，因篇幅所限只取东部主悬索桁架测点1的应力曲线对此作图示说明，如图13所示．

本节从应力、索力、位移3个方面研究双向索桁架屋盖结构的温度响应并对比分析不同构件的温度敏感性．

图13 应力变化对比

3.1 应力监测结果

由监测结果发现，在夏季温度对结构的影响较为显著．为研究各类构件应力的温度敏感性，即构件应力受温度影响的变化程度，且排除因分摊荷载的不同对东部、中部、西部主悬索桁架对应相同测点的绝对应力值的影响，对测点应力值做如下处理：将某日测得的应力值与2018年5月7日的“初始”应力值做差，以得到的代数差值表示应力变化幅度，利用由此得到的相对应力值研究构件的温度敏感性．图14为主悬索桁架测点在2018年5月7日—2018年9月16日的应力及温度响应曲线，其中纵轴为测点的相对应力变化值．由图14可以看出，应力变化曲线与温度曲线之间表现出不同程度的“相位差”，即两者变化不完全同步．其中，对于同一编号的测点，西侧主悬索桁架中的该编号测点的应力变化曲线与温度曲线之间的相位差最为明显．说明虽然本项目的双向索桁架屋盖结构处于室内封闭环境，但不同方位的构件随气温的变化仍有差异，这也说明了通过实际监测数据对双向索桁架屋盖结构进行温度响应分析的必要性．

此外，上弦杆测点1、3在随气温升降变化的同时，整体应力水平呈上升趋势，即夏季上弦压杆受压减小，上弦杆压力减小的最大值为3.9MPa；而自锚杆的相对应力水平在零值上下波动，压力最大减小10.4MPa，在跨中一段，压力最大增加7.1MPa，在柱内侧节点附近．取2018年5月7日—2019年5月7日一整年为计算周期，计算上弦杆和自锚杆应力变化总幅值，并得到与对应杆件设计应力值的比值，如图15所示．可得上弦杆应力变化幅值基本在42%左右，极端幅值可以达到78%，且上弦杆方位不同差异明显，说明相对而言，上弦杆的温度敏感性较大．同时由图15可发现，同类测点中，跨中比柱侧应力变化幅度大，说明温度敏感性也与周围杆件的变形及约束相关．

图15 主悬索桁架测点年应力变化幅值对比

3.2 索力监测结果

同样取一年中变化最大的夏季即2018年5月7日—2018年9月16日间的索力监测值，并将绝对索力值转化为相对索力值，同第3.1节．对比索力变化曲线与气温变化曲线，如图16所示，其中纵轴为测点的相对索力变化值，即为某日测得的索力值与2018年5月7日的“初始”索力值做差得到的代数差值．因北起第1榀横向索桁架测点应变计损坏无法读数，所以本文只分析跨中一榀．由图可以发现主悬索桁架的主悬索以及横向索桁架拉索的所有测点索力变化曲线均与温度曲线有明显的相位差，并且除主悬索桁架柱侧索段外，其余测点索力变化曲线整体呈上升趋势，说明温度的变化对拉索索力有显著影响．

取2018年5月7日—2019年5月7日一整年为计算周期，计算服役期间拉索各段的索力变化幅度，如图17所示，纵轴表示索力变化值与索力设计值的比值．由图可知，除主悬索桁架柱侧一段索力变化值在10%以内外，索力变化值均在22%以上，其中主悬索桁架的主悬索与左起第1根竖杆相交一段索力变化幅值最大为索力设计值的32.5%．以上说明构件的温度响应与其周围构件的变形及约束相关．

结合应力、索力随时间的变化曲线，并将计算得到的一年间各测点应力、索力变化幅值做对比，如图18所示．可以发现，服役期间在温度变化的影响下，主悬索桁架上弦杆应力变化幅值最大，平均变化幅度为设计值的40%左右．其次，主悬索桁架的自锚杆应力和各拉索索力变化幅值相近为相应设计值的22%～32%，并且两者都是柱侧的测点变化幅度较小，只有其余索段测点的1/3左右．以上说明相较而言主悬索桁架的上弦杆温度敏感性最高，且应力及索力的温度响应程度与周围构件的变形及约束有关．但值得注意的是，本项目中，设计方案为拉索及自锚杆为主要承重构件，所以其温度响应不容忽视．

图16 主悬索及横向索桁架拉索索力温度响应

图17 索力测点年变化幅值对比

图18 全部应力及索力测点年变化幅值对比

3.3 位移监测结果

由位移监测结果发现，一年中的7月、8月、9月，结构位移变化明显，呈抛物线波动趋势，其余月份位移响应规律与温度变化相似，但位移变化幅度很小．受篇幅所限，取中部主悬索桁架及跨中一榀横向索桁架为例，如图19、图20所示．可得，6月24日起气温高于30℃，位移-时间曲线开始呈现抛物线波动趋势，持续到9月9日，此后气温下降至20℃以下，结构恢复平稳波动，规律基本吻合气温-时间变化规律但幅度很小．此外，可以看出这些测点在8月中旬位移变化达到极值，即一年中的8月中旬是结构位移变化最不利时期，这与连续的气温升高造成结构构件温度不断升高积累有关．抛物线波段的测点位移变动大小关系大致如下：主悬索桁架中测点3、4＞测点5、6＞测点7、8，横向索桁架中测点2、3、4分别大于测点5、6、7，结果呈现明显的不对称性．

进一步取2018年5月7日—2019年5月7日为计算周期，以2018年5月7日各测点向高度为位移零点，计算该周期内各测点最大正负向位移代数差，得到三榀主悬索桁架各测点位移幅值对比，如图21所示，其中西部主桁架测点5(ZX5)、测点7(ZX7)后期因视线遮挡影响数据测量，故未参与比较．比较发现东部(ZDX)、中部(ZZX)、西部(ZXX)三榀主悬索桁架的上弦测点3、5、7位移变化幅度都分别大于相应的下弦测点4、6、8位移变化幅度．

图19 中部主悬索桁架位移-时间曲线对比

图20 跨中一榀索桁架位移-时间曲线对比

图21 主悬索桁架位移响应幅度对比

综上，说明虽然结构处于室内封闭环境，但构件受温度作用的敏感性仍有不同，其敏感性与方位有关，并且受太阳直射的上弦杆件温度敏感性更高．

4 结构雨荷载响应分析

2018年8月7日—2018年8月19日期间石家庄连日暴雨，平均降雨量15.7mm，最大降雨量达68.4mm．为研究雨荷载下的结构应力响应，本节对这期间主悬索桁架测点(东部DX、中部ZX、西部XX)的应力变化进行分析．连日降雨同时会造成温度变化，为去除温度变化对测点应力值变化的影响，选取同时期并且与下雨时段温度变化区间相似一段，即6月24日—7月8日这一温度下降段的监测数据，分别对该区间内所有测点的温度-应力曲线进行线性拟合[17]，2值介于0.9138～0.9973之间，均大于0.9000，拟合效果良好，说明应力变化与温度近似呈线性关系．进而，利用已得的线性关系方程对8月7日—8月19日测点的应力变化进行预测，得到的预测值即可理解为没有雨荷载只考虑温度作用的基础值．将预测值与实测值对比，因篇幅所限，选取中部主悬索桁架上弦测点3(Z3)及自锚杆测点4(Z4)进行示意说明，如图22所示．

图22 雨荷载影响

计算实测值与预测值之差，差值可认为是雨荷载的附加影响．图23为计算得到的雨荷载造成的附加应力变化幅值除以对应测点的应力设计值的百分比，以此来分析主悬索桁架各构件对雨荷载的敏感度．由图23可以发现，东部和中部主悬索桁架受雨荷载影响很小，雨荷载引起的应力变化主要集中在西部主悬索桁架区域，这可能与积水的不均匀分布有关．在西部主悬索桁架区域，自锚杆的测点2、测点4受雨荷载影响很小，上弦杆的测点1、测点3受雨荷载影响较大，应力变化幅值分别达到设计值的14.8%、20.6%．可以发现，结构受雨荷载影响程度相比温度作用而言较小，但对上弦杆而言仍不容忽视．

图23 雨荷载下应力变化幅度

5 结 论

对石家庄国际会展中心采用的双向索桁架屋盖结构进行了服役期的长期监测，分析研究在温度作用及雨荷载作用下的监测数据，得出以下结论．

(1)通过应力响应曲线与气温曲线对比，说明双向索桁架屋盖结构呈现非均匀温度场，不同杆件温度“滞后”程度不同；计算比较发现主悬索桁架的上弦杆温度敏感性最大，应力变化幅值最大可达设计应力值的78%．

(2)主悬索桁架自锚杆与主悬索及横向索桁架的拉索温度敏感性相近，相应的应力、索力变化幅度为22%～32%．其中自锚杆及拉索的柱侧一段变化幅度最小，说明构件的温度响应程度与周围构件的变形及约束有关．

(3)由位移温度响应曲线发现，夏季结构位移变化最大，在8月中旬达到极值．服役期间主悬索桁架上弦杆的位移变化幅度分别大于对应下弦杆的位移变化，约为对应下弦杆变化幅值的1.5倍，说明受太阳直射的上弦杆温度敏感性更高．

(4)主悬索桁架构件受雨荷载影响程度与积水分布有关，且上弦杆受雨荷载影响更为显著，应力变化幅值可达其设计值的20.6%．

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Monitoring and Analysis of Bidirectional Cable Truss Structural Characteristics During a Service Period

Zhang Qingyun1, 2，Chen Zhihua1，Liu Hongbo1

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tongji Architectural Design，Shanghai 200092，China)

The bidirectional cable truss structure is a new form developed to realize a super-large span space. A combination of the vierendeel truss and suspension cable forms the structure of the main force direction，while the structure of the secondary force direction consists of the cable truss. Heterogeneous and time-varying environmental loads influence the structural performance of the large-span spatial steel structure. Taking the roof of Shijiazhuang International Convention and Exhibition Center as an example，a reasonable monitoring program was designed to record the law of stress，cable force，and displacement development on the account of mechanical characteristics. According to numerous monitoring data，the law under environment load was studied and temperature sensitivity and rain force sensitivity were analyzed. Temperature was observed to be a vital element. Through comparison，it is concluded that the temperature sensitivity of the upper chord of the main cable truss is the highest，the amplitude of stress variation is up to 78% of the designed value，and the amplitude of displacement variation is about 1.5 times than that of the lower chord of the corresponding position. Furthermore，the sensitivity of the self-anchored member and cable performed similarly with 22%—32% amplitude variation besides those located nearby the columns. These upper chords also showed higher sensitivity under the rain load，with the amplitude variation reaching up to 20.6%.

bidirectional cable truss structure；monitoring；environmental load；structure performance；sensitivity

TU393.3

A

0493-2137(2021)08-0807-09

10.11784/tdxbz202008079

2020-07-15；

2020-10-16.

张清允（1992—  ），女，硕士，助理工程师，13821253289@163.com.

陈志华，zhchen@tju.edu.cn.

国家重点研发计划资助项目(2018YFC0705500，2018YFC0705504).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2018YFC0705500，No. 2018YFC0705504).

(责任编辑：金顺爱)