包头体育场钢结构安全监测与评估

田志昌，冯继帅，赵 升，孟庆炎，尹烁朝

(内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引言

包头市奥林匹克体育场是一个大跨度钢结构的标志性建筑物，由于东、西钢罩棚主拱弦杆表面出现了凹凸、不可恢复的变形，如图1，图2所示。为保证体育场的正常使用，对钢结构进行病害分析是非常必要的。

为研究体育场支座与上部钢结构是否产生滑动，对支座节点处上部钢结构和下部混凝土柱头进行几何位移监测，并记录相应的环境温度。通过建立固定支座、滑动支座和改进支座三种不同类型的SAP2000支座模型，将监测的位移和温度带入SAP2000中进行模拟，计算杆件的受力情况，由此确定目前结构的支座类型，判断结构的安全性。

1 监测概况

1.1 监测前提

通过采用力平衡加速度传感器[1]对体育场进行整体刚度研究，力平衡加速度传感器安装在钢桁架受风荷载、雪荷载和地震荷载响应振型幅度比较大的位置，如图3所示。监测时间从2018年持续至2021年，覆盖了春、夏、秋、冬四个季节并且于白天和晚上各监测 一次。

接下来将监测数据进行处理，通过功率谱曲线[2]进行呈现，如图4所示，发现结构的自振频率大体上没有偏离其理论值，偶尔会出现低频漂移现象，所以可以认为结构主体仍然呈现弹性性能。在接下来的几年内虽然发现飘零现象逐年增加，如图5所示，但是每批次监测都能发现功率谱密度函数的峰值基本出现在结构理论频率的附近，说明结构自身仍然保持了一定的稳定。

2019年对东、西罩棚上44个不同关键点上的棱镜进行24 h不间断监测，分析出温度对钢结构的温度效应[3-10]，得出东、西罩棚主拱上22个观测节点的位移与不同时间段的温度呈现了相关性，然而钢结构下部支撑柱节点处的另外22个监测点位移与温度并没有呈现很明显的相关性，由此推断出支撑柱松动了，甚至产生了滑移现象。

1.2 监测方案及原理

为了精确的解释产生病害的原因，将监测的工作重心放在钢罩棚下面每一根支撑柱中间的节点处。

使用两台全站仪同时对支座节点处的上部钢结构和下部混凝土柱头进行24 h不间断的几何位移监测，同时记录环境温度。

采用反光反射片进行测量，如图6所示。每当观察的结构发生位移时，全站仪观测镜中的“十”字丝就会偏离原来在反射片中心的位置，通过记号笔标记“十”字丝的位置来换算结构的水平、竖直和横向的位移。

1.3 监测位置

该体育厂东西罩棚各有14根柱子和2个固定拱脚，将每一根柱子上分别贴2个反射片，贴片位置为支撑柱节点上部钢结构表面处和支撑柱节点下部钢筋混凝土柱的柱头处(下文以“钢片处”和“柱头处”代替)，如图7所示。

对24根柱子的其中6根，即东、西罩棚各三根进行监测，东罩棚3根柱子的编号分别记为DZ1，DZ5和DZ9，西罩棚3根柱子的编号分别是XZ1，XZ7和XZ11，监测位置位于力平衡加速度传感器下方的支撑柱，具体位置如图8所示。

1.4 监测结果

记录了2020年5月至10月东、西罩棚各三根支撑柱钢片处和柱头处的相关数据。将6根柱子的测量工作记做一个轮回，共监测十个轮回，测量数据格式如图9所示。

2 有限元分析

2.1 模型建立及参数选取

计算机模拟采用有限元分析设计软件SAP2000对结构处于不同温度工况和位移工况下横截面正应力值进行模拟分析，模型如图10所示。软件设置荷载工况和钢材相关参数按照建筑设计图纸文件和国家出台的相关规范进行设定[11-13]。

2.2 有限元模拟方案

体育场东、西罩棚一共有28根支撑柱和4个拱脚，4个拱 脚柱子内部有大量的钢筋网架盘踞形成，钢筋密集。拱脚基础截面面积大，钢筋、模板施工需要进行大量放样，所以拱脚处并没有位移量产生，设定拱脚处三个方向的位移量均为0 mm。根据已知6根柱子的位移和拱脚位移利用二次抛物线内插法推算出其他22根柱子的位移量。将28根柱子三个方向的位移代入SAP2000中，对支座弦杆进行应力值分析，支座弦杆是钢罩棚与混凝土支撑柱中间连接的部分，每一根支座上各有4根支座弦杆支撑着上部罩棚，如图11所示。

根据监测数据推测[14-16]体育场支座有可能发生了松动现象，正确的支座模型应该处于固定和滑动中间，因此根据实验数据模拟需要在SAP2000中建立三种支座模型进行计算分析，三种支座模型细部如图12所示。

第一类支座类型为固定端，在自重荷载作用下，分析支座弦杆的正应力值，温度变化取值从19 ℃上升到35 ℃和从19 ℃降到-35 ℃，其中±35 ℃分别为包头市最高、最低环境温度，19 ℃为结构合拢时的环境温度。

第二类支座类型为滑动端，将自重荷载和温度荷载(升温和降温)作为设计值，分析结构在同时受到温度荷载和支座节点实际位移组合作用下支座弦杆的正应力值。

改进模型是根据后期柱子扩口观察改进而形成的第三种支座模型，改进模型是将支座节点处的扭矩、次轴和主轴的弯矩释放，分析受到自重和温度(升温和降温)组合时支座弦杆的正应力值。

2.3 有限元模拟结果

2.3.1 固定端支座分析

1)东罩棚固定端支座分析。

当支座类型为固定端时，模拟计算受自重荷载工况下支座弦杆的正应力值，如图13所示。根据图13中虚线可知大部分的杆件都在安全范围内，部分杆件应力值超出了强度设计值，说明在只承受自重荷载时，部分杆件承受不住上部钢结构作用发生了超过屈服强度值的异常现象。当自重荷载与升温工况组合作用时，一些杆件应力值远远地超过强度设计值，但是在自重荷载和降温工况作用下，全部杆件应力值都在强度设计值之内，且呈现有所下降的趋势。

2)西罩棚固定端支座分析。

西罩棚应力值情况比东罩棚更加严重，主要原因是西罩棚的跨度比东罩棚的大。如图14所示，在自重荷载作用下，部分支座弦杆就会发生破坏，当温度升高时，一些杆件(与上述破坏杆件为同一杆件)应力值会突变飙升，并且会波及到周围的支座弦杆发生破坏；当温度降低时，杆件应力有所减缓，但是还是存在极限接近强度设计值的杆件。

通过查询不安全杆件编号所在位置，其中东罩棚四个支座弦杆位于罩棚最左端支座上的杆件，而西罩棚不安全杆件也同样是罩棚的左右端。由此可以知道，罩棚两端支座受到的力压迫最严重，同时随着温度变化，两端支座弦杆会先于其他位置的杆件发生破坏。根据现场勘查体育场钢结构并没有发现损坏或裂缝，所以现阶段支座类型并不是固定端支座。

2.3.2 滑动端支座分析

1)东罩棚滑动端支座分析。

当支座类型为滑动支座时，以自重荷载和温度荷载(升温和降温)的组合作用作为设计值计算依据，杆件应力值如图15所示。在升温和降温工况下，所有支座弦杆的应力值都在安全范围内，只有个别杆件比较接近屈服强度值。

为了使数据趋于正确理想状态，采用平均值、方差计算和概率统计计算等方法对其位移差无规律作出了误差处理，其中概率统计计算主要运用了正态分布中的分布规律。当施加上位移方差工况时，一个位移方差和两个位移方差表现出的应力值曲线均在概率范围内并且与只受自重和升温(降温)荷载曲线相吻合，只是数值大小上存在了差异，一个位移方差的数值曲线比两个位移方差数值曲线偏大，其中出现临界屈服强度设计值的杆件与固定支座拱两端出现问题的支座弦杆相同。

2)西罩棚滑动端支座分析。

西罩棚和东罩棚杆件应力值相似，如图16所示。所有杆件应力值都在屈服强度设计值内，但是在降温工况中施加一个位移方差时，应力曲线表现的与其他三个工况下有所不同，如图16(b)所示，这就体现出概率统计计算的目的，一个位移方差概率大约为60%，而两个位移方差可以达到90%以上，并且根据图像可知两个位移方差工况更符合。一个位移方差应力曲线有可能是在特定的温度和位移数值下杆件所表现出的异常状态，在模拟中两个位移方差要比一个位移方差偏大，表现出与自重荷载工况下相符合的曲线。

由于全部支座弦杆均在安全范围内，只有罩棚两端的杆件应力值接近设计值，说明体育场支撑柱节点可能已经开始松动逐渐滑动化，也有可能支座出现了轻微的错动，但并没有在混凝土保温层表面显现出来。

2.3.3 改进支座分析

改进模型支座是依据现场破口观察现象提出来的新型支座模型，目前软件模拟只有固结和铰接两种支座模型，所以进行软件设置具体操作是将模型支座节点处的扭矩、主轴弯矩和次轴弯矩释放。应力图见图17，图18。

全部杆件应力值都在安全范围内，在升温或降温工况作用下，并没有出现杆件超出钢材的强度设计值，并且在升温工况下，杆件应力值均比自重荷载作用下偏大，在降温工况下，应力值大部分都比自重荷载作用下偏小。

以结构自重荷载工况，降温工况和升温工况下支座弦杆杆件横截面应力值作为主要力学指标进行分析，为了更加直观掌握不同位置支座弦杆的应力值大小，将体育场整体结构对照折线图组合放在一块，可以更最准确的分析出哪个位置的支座处于危险边缘。如图19，图20所示，横坐标是以支座弦杆编号按照实际建筑结构从左到右进行排列，其中每一个支座球节点上面连接着四根支座弦杆，以四个支座弦杆为一个单元体分析其规律。由应力值分布图可知：拱中间的支座弦杆在温度升高时表现的十分敏感，比在自重荷载工况下大幅度升高，而在降温工况下杆件并没有表现出那么敏感，总体比自重荷载工况下应力值有所下降，但是下降幅度比升温工况下偏小。

杆件编号13～41之间，三种工况下的支座弦杆应力值都显示出齿轮规律性分布，主要原因是这几个杆件受到上部钢结构弧形圈梁和下部混凝土圈梁相互推拉引起的，而杆件编号9和45两个支座上部的支座弦杆没有混凝土圈梁所支撑，三种工况下的应力值均比其他位置偏大，与之不同的是在降温工况下表现的十分敏感，应力值比升温工况下偏大。这两个支座表现出反常现象，根据现场结构构造分析得出型钢混凝土柱的复核报告计算简图与工程实际不符合，主要有以下几点：复核模型支座为24个，而原设计计算模型支座为16个，复核计算罩棚支座框架截面为1 100 mm×1 300 mm，原设计东、西罩棚钢结构支座框架柱截面均为1 200 mm×1 500 mm，还有一部分原因是危险支座是整体钢结构罩棚自重荷载的支撑点，加上温度荷载和其他荷载相互作用，致使此处出现病害现象，而最靠近拱脚的支座处于正常状态是因为拱脚内部有大量钢筋盘踞而成，由此平衡上部传下来的推拉力。

由东罩棚支座弦杆应力值分布图可知：东罩棚和西罩棚是一对对称结构，应力分布规律与东罩棚基本一致，其主要不同的地方就是西罩棚的跨度要比东罩棚的跨度大将近20 m，杆件编号9和45处于安全的应力值范围内，升温工况下的应力值均比自重荷载和降温工况偏大，与东罩棚不一样的地方是靠近拱脚处支座的应力值要比其他地方大，其主要原因是跨度增加造成整体自重荷载的支撑点转移到此处，但是支座靠着拱脚支撑，危险程度就没有那么严重。

通过上述模拟计算确定问题支座的位置，到现场观察这些支座是否出现严重的损坏现象，如图21所示。现场支座上部钢结构和下部混凝土柱表面没有出现裂缝，但是这个支座整体结构为三角形，同时周围也没有混凝土圈梁相互支撑，在之后的健康监测体系列入重点关注对象。

3 结论

1)改进支座模拟计算出的应力值都处于安全屈服强度值内，相较于固定支座和滑动支座更符合现阶段建筑物的支座类型。

2)东罩棚支座危险程度要比西罩棚的大，主要是东罩棚危险支座承受不住整体结构自重和温度荷载组合作用，并且危险支座的支撑柱形状造型特殊造成此病害现象。

3)目前结构虽然存在安全隐患，但是型钢混凝土柱不需要立刻采取补救措施。