1、国家大剧院壳体测量测试方案国家大剧院壳体测试方案一、工程概况国家大剧院位于工地中心的202区，由顶环梁、梁架（分长轴梁架和短轴梁架）、斜撑和环向连杆组成。顶环梁呈椭圆形，长轴长约60m，短轴长约38m，由环形钢管、箱形梁和H型钢等构件组成；长轴梁架由H型钢拼焊而成；短轴梁架由60mm厚钢板拼焊而成。梁架呈中心对称辐射状放置。斜撑和连杆采用140195mm直径的钢管制作。连杆呈水平环向布置，上下、里外共82道。壳体结构具有以下特点：（1）该壳体为超大型空间结构。结构体量巨大，其长轴为212.24m，短轴为143.64m，竖轴为45.35m。整个结构等壳体完全形成后，方为稳定的空间结构。所以保证施
2、工阶段的结构稳定至关重要，特别是在卸载时。（2）该壳体为非标准椭球体，且壳体内外两球面的曲面方程并不一样，所以施工中平面、空间定位测量难度大。（3）壳体主要构件梁架的平面外刚度极差，所以其吊装、搬运难度很大；另外，同类型构件数量少，对构件制作放样和安装顺序要求高。（4）需要进行空间整体预拼装。二、测试目的1、 为永久结构和临时结构的施工过程提供安全保障；2、 保证永久结构线形符合设计要求；3、 保证结构内力处于合理的状态；4、 使永久结构在施工完成后，处于健康状态；5、 为今后同类工程施工积累数据。三、测试项目及内容测试点项目包括：应力、变形（控制点的坐标）和温度。1、应力测试监测部分关键点位
3、的应力，包括顶环梁、钢壳体和临时支撑。必须时时监测以保证结构安全，特别是在卸载过程中。2、几何线形的测量国家大剧院钢壳体的几何形状的准确定位是安装屋面板（特别是玻璃幕墙）的前提，是工程的关键；同时结构的变形是对内力影响非常关键的一个因素。在本测试方案中，主要选取对结构的内力造成较大影响的关键点位进行变形测量。通过对这些点的测量以研究结构变形对结构内力的影响规律。3、环境因素测量包括温度、风和雪荷载的测量。国家大剧院的钢结构壳体受外界环境影响较大，必须在施工中考虑这些因素影响。在本方案中，主要考虑温度的影响。四、施工工艺流程国家大剧院钢壳体是在三道临时支撑（S0、S1、S2都为网架结构）上安装完
4、成的。其施工流程为：1. 混凝土圈梁的浇筑首先浇筑钢壳体的永久支撑混凝土圈梁。2. 吊装顶环梁在浇筑混凝土圈梁的同时，组装好顶环梁的临时支撑S0，以S0为操作平台，安装顶环梁。3. 临时支撑S1和S2的组装4. 梁架的吊装梁架的吊装分四个工作面，八条工作线，从四个有斜撑区域开始，沿两边逐渐向钢壳体的长短轴方向合拢。每榀梁架分三段吊装，即首先吊装第一段，以混凝土圈梁和S1为支撑点，定位后，将梁架与圈梁连接；然后吊装第二段，以S1和S2为支撑点，定位后，将第一段与第二段焊接；最后吊装第三段，以S2和顶环梁为支撑点，定位后，焊接，即梁架、顶环梁和混凝土圈梁连接成整体。梁架的具体吊装顺序为：（1） 同
5、时吊装W18、W19、W56、W57，E18、E19、E56、E57，定位焊接后，焊接梁架间的水平杆；（2） 在安装好上述八榀梁架后，每个工作面往长短轴方向各安装一榀，每一阶段共安装八榀，同时完成梁架间水平杆的焊接，即完成一个吊装阶段；（3） 最后安装W37、W38，E37、E38及其之间的水平杆，壳体闭合。每一个吊装阶段作为一个工况。5. 临时支撑的拆除临时支撑的拆除采用分步下调支撑点的千斤顶，逐步拆除支撑的施工步骤。原则上先卸完S1，然后S0和S2间隔卸载。由于安装墙面玻璃还会产生变形，使环梁下降数厘米，S0在卸载后并不拆除，以保证安装玻璃幕墙时的工程安全。在分步下调过程中，一道支撑点下调
6、作为一次大工况；由于一道支撑点整体同时下调在操作上无法实施，在施工中采取分步，即一次下调8个或16个点，每下调一次作为一次小工况。五、壳体测量测试方案（一）梁架应力测试1、测点布置其应力测点布置原则如下：（1） 最大应力点；（2） 应力变化较大的点；（3） 施工关键节点；（4） 反映环境影响特征的点；根据现场施工环境，应力测点主要布置在钢壳体的西南1/4区域，共计20个测点左右。测点始终与数据采集系统联接，实时、全程监控应力和温度。测点的布置如附图所示：在梁架与混凝土圈梁交接处布置的应力测点，以监测这些梁架的整体应力变化状况；在梁架的临时支撑S1与S2及S2与S0的跨中再各布置一个应力测点，以
7、监测该榀梁架局部应力变化情况；最后在顶环梁的中央点位置布置一个测点。由于所需检验的结构内力以轴力为主，应变计一般安装在构件腹板中部。2、测试仪器的选择本工程的测试拟采用振弦式应变计和数据采集仪组成的系统来测试、收集和整理数据。考虑到现场的变化因素及不可预见情况，同时准备一些应变片作补充。（1）应变计选择根据项目要求，须进行长期测试，因此测试仪器的长期稳定性就成为最重要的性能指标之一。根据在卢浦大桥的测试经验，采用电阻式应变计难以满足工程要求；而振弦式应变计的性能比较稳定，能够满足工程要求；另有一种性能非常优异的光纤应变计，但是价格很高。关于振弦式应变计和光纤应变计的工作原理和特点，本文附录部分
8、会给予介绍。结合实际工程应用性和价格的综合评估，本工程拟采用能够同时测量温度和频率的振弦式应变计。（2）数据采集仪的选择本工程拟采用的数据采集仪具有同时测量多个通道的功能，而且能够根据需要设定采集频率，并可存储数据。所采用的数据采集仪具有通用接口，能够与电脑相连，将数据转移到电脑内以便进一步处理。3、应变计的安装在现场，吊装有测点的梁架之前，先在预定位置进行打磨和清洁，然后配合现场工人搭建焊接所需的平台和固定导线所需的走道；在场外，除了准备安装所需的部分工具外，必须事先计算各测点应变计的导线长度，并编号做上标记，然后将导线裁剪到计算长度。实际焊接应变计一般在梁架吊装到位之前。安装完成后将导线引
9、到预定的测站。4、测站位置选择由于导线长度影响测试信号的准确程度，为了保证测试质量，采用了国外的屏蔽线，由此导致测试成本上升。为了达到成本与性能的最佳组合，测站位置选择是其中的关键。根据现场位置综合比较的结果，决定将测站设置在西面影剧院的屋顶上，由现场制作一个工作室以保护仪器。这个位置基本处在测点分布的中心区域，而且高度也合适，能够缩短测点应变计的导线长度，是一个十分理想的地点。具体位置的安排需要和现场人员协商解决。5、测试时间在梁架吊装过程中，每一个工况（参考前文施工工艺流程）前后测试一次测点位置的应力。在卸载过程中，每一个小工况前后测试一次所有测点的应力，直至所有临时支撑拆除。如果有特殊需
10、要，可以对测试时间进行加密。6、测试报告提交时间在梁架吊装期间，原则上每一个工况结束后提交一份测试报告，内容包括时间、天气、测点编号、测点应力、测试人员等。测试报告在工况结束后一个工作日内提交。测试报告样本见附录。测试结果以书面和计算机文件这两种方式提交。（二）临时结构应力测试临时结构的应力测试作为永久结构应力测试的补充，主要用在卸载时监测临时结构的应力。它一般布置在临时结构应力最大的部件上，具体布置位置见附图。计划在S0网架上设置近20个点位，在S2网架上设置5个左右点位。临时结构的测试所用的应变计为日本产的电阻应变计，具有一定防水功能，能够进行长期测试。数据采集仪采用与测试永久结构时相同的
11、仪器。电阻应变计的安装需要在临时结构上进行打磨、清洁，在计算好导线长度后，用胶水（最好是防水的）将应变计固定在清洁过的构件表面，进行编号后捆扎成束并做好保护。进行测试时测站就设在测点附近。在卸载过程中，每一个工况（参考前文施工工艺流程）前后测试一次测点位置的应力。在临时支撑拆除过程中，每一个工况前后测试一次所有测点的应力，直至所有临时支撑拆除。如果有特殊需要，可以对测试时间进行加密。在卸载阶段，由于时间紧迫，拟采用现场反馈的方式报告测试结果，等卸载工作告一段落后编写小结。（三）变形测量1、测点布置其变形测点布置原则如下：（1） 应力变化影响较大点位；（2） 反映环境影响特征的点位；（3） 尽量
12、与应力测试点位配套。上述测点布置的最终目标之一是能够建立一个完整的体系，将内力和变形融合起来，作为进一步分析研究的基础。测点布置如附图所示，即在有应力测点的梁架上布置四个变形测点，两个测点位置在临时支撑S1与S2及S2与S0的跨中，另两个测点位于临时支撑S1与S2所在的位置。鉴于进行测量需要临时安装小棱镜和全站仪，还要专门搭设脚手架，工作量大，所以将所需测的梁架定为5榀，根据工程进度不同分别测量其中几榀梁架。根据工艺流程，计划在W56、W45、W67和长短轴上设置变形的测点，长短轴上的测点只能在卸载时使用。平时按工程进度测量变形，卸载时测量长短轴和W45梁架上的变形。在卸载的时候，增加在顶环梁
13、上的测点，而且只测量顶环梁上和梁架支撑点上的测点。2、测量仪器采用全站仪、经纬仪、水准仪等仪器。进行测量时以全站仪为主，在通视条件允许的前提下，可以进行实时测量。所使用全站仪的型号为TCA2003，精度达到1+1ppm，并具有测量机器人的功能，能够自动跟踪并切换目标，为目前工程测量领域顶尖的测量设备。3、测站设置在工地的西南角有两座楼房，建造时间都在10年以上，其屋顶的高度与顶环梁高度相当，是绝佳的观测地点。在这个位置上架设全站仪，可以很方便地观测西面的梁架。这台全站仪支持自动观测的记录数据的功能，可以对西部梁架上的变形测点进行不间断地扫描，实现实时测量的功能。在测量工作开始之前，需要将这个点
14、位纳入工程控制网。4、测量时间在钢壳体安装过程中，必须每个工况前后各测量一次；在卸载过程中，每个小工况前后测试一次所有测点的变位，直到所有临时支撑拆除。本方案不涉及安装构件时的测量控制。5、测量数据提交本课题的测量任务是施工测量任务的一部分，只要求对所设定的测点进行测量和记录。一般来说，每个工况结束后就应该对所有已经安装好的测点进行测量和记录，并在一个工作日内提交测量报告。测量报告内容包括时间、天气、测点编号、测点位置、测量人员等。由于测量数据种类多，包括焊前、焊后等等，为统一起见，报告里的测量数据拟采用水平杆焊接后的测量数据。测量报告样本见文后附录。（四）温度测量1、 测点布置同应力测试。2
15、、 测量仪器同应力测试。3、 测量时间除平时按照测试应力的同时测量温度外，施工过程中，每个月选取23天作不间断测量，即每隔一个小时测量一次温度，并测试应力。同时，与测量单位取得协调，用全站仪同步扫描温度测点的变形情况。附录一、振弦式仪器的工作原理和精度控制（一）振弦式仪器的工作原理振弦式仪器通常包括固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力应变等物理量，钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：0.5*L*（T/M）0.5这里：钢弦的自振频率钢弦的长度单位长度钢弦的质量钢弦的张力。实践证明，弦式仪器的技术难点在于其长期稳定性，影响振弦式仪器长期稳定性的因素很多，最重
16、要的因素包括钢弦及其相关部件材料的选择、钢弦的固定技术、尽可能地减小由于温度和应变引起的弦线徐变以及减小潜在的腐蚀。高质量的振弦式传感器应具有良好的设计工作特性和较低的长期漂移。（二）振弦式传感器的精度精度的含义是测值与真实值的接近程度，为了真实反映传感器的精度，应该考虑所有的误差来源。通常误差来源包括标准精度误差、温度误差和长期稳定性。标准精度误差通常是由非线性，滞后现象和不可重复性等引起的误差的综合。一般对振弦传感器进行标定是采用可示踪的0.1%或更高的标准来确定振弦传感器的精度和重复性。实践证明了振弦传感器在0.025%F.S.（即全量程）范围内是可重复的。温度误差是由零点误差（在空载情
17、况下，由于温度的变化引起的输出读数的改变）和温度间隔误差（在全量程范围内由于温度变化引起的读数的改变）决定的。典型的弦式传感器的温度误差小于0.02%F.S./F。长期稳定性或漂移的定义是指已标定的输出读数相对于时间的变化情况。如果传感器没有很好的长期稳定性，那么就无法精确确定其它误差来源，除非对传感器进行定期标定，然而这在大多数工程中是难以做到的。因此，弦式仪器长期稳定性一直是工程界最为关心的问题。随着振弦式传感器的技术的日趋完善，通过谨慎选择材料和使用适当的技术，振弦式传感器可以具有很高的精度和耐恶劣环境能力，很低的温度灵敏度以及很小的长期漂移。系统控制这些材料的选择及技术的使用可以确保所
18、有批量生产的传感器具有相同的长期稳定性。二、光纤传感器的工作原理近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有
19、测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10-4弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的柔韧性和
20、低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。光纤传感器流量计原理另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为
21、光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。光纤传感器外形光纤在传感器家族中是后期之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。应力测试报告测试时间天气状况工况简介：壳体测点应力（Mpa）测点测点应力测点测点应力1112123134145156167178189191020测试人员：备注：测量报告测量时间天气状况构件位置坐标测量值梁架W56XYZXYZXYZXYZ梁架W45XYZXYZXYZXYZ梁架W67XYZXYZXYZXYZ测量人员：
