浅谈上海中国航海博物馆中央帆体索网索力监测研究

摘 要：索网作为索网玻璃幕墙中的重要构件，索网的预张力大小是索结构设计中的重要参数，索力监测为总体评价索网状况，进而评定索网总体结构的性能提供重要依据。文章介绍了EM传感器技术在中国航海博物馆中央帆体玻璃幕墙索网索力监测中的应用。通过监测获取的实际数据分析，为中央帆体索网玻璃幕墙结构的安全评估提供依据，也可为未来设计施工同类复杂结构提供借鉴。
　　关键词：双曲索网玻璃幕墙；索力监测；EM传感器
　　1 概述
　　上海中国航海博物馆中央帆体玻璃幕墙采用双曲索网玻璃幕墙设计，造型优美独特。索网作为幕墙结构中的重要构件， 其服役状况直接关系到建筑物的安全运营与使用寿命。因此，对索网索力进行安全监测，及时了解索网的工作状态是十分必要的。索网的安全监测，主要是通过监测拉索的索力，来判断其使用状况，评定其安全性。通过对索网索力的监测，不仅能为总体评价其技术状况提供依据，同时也可以在一定程度上发现拉索锚固系统、防护系统是否完好。
　　目前，索力监测所应用的传统技术主要有：压力传感器法、振动频率法等。不同索力测量方法，各有其特点。压力型传感器法是比较传统的传感器技术，需要串接在受力结构中，将传递到传感器上面的力直接测量出来，在荷载长期作用下，受到材料变形、传递失真等方面的影响，精度和耐久性难以保证，在受力状态下无法更换也无法重新进行校准，因此传统压力型的传感器对于长期监测有一定的局限性。振动频率法是通过建立索网的简化模型，实测索网的振动频率，经过计算间接得出索力，因为受实际拉索的长度、减震器、外护套等客观因素的影响，其测量精度比较差。磁弹法（Elastic Magnetic，简称EM）监测技术，是最近兴起的一项索力无损检测技术，相对传统的传感器技术的局限，EM监测技术较好地解决了这些问题，可以直接在已受力的索网上制作及安装，通过非接触式测量解决传感器寿命问题，实现预应力多截面应力监测，解决了建筑运营中的索力长期监测问题。
　　2 EM监测原理及设备
　　EM监测技术是通过铁磁性材料的磁弹效应原理进行测量。铁磁性材料受到外力作用时内部产生机械应变，其磁导率会发生相应的变化，通过测定磁导率的变化可以来反映索网索力的变化情况。因为电磁感应产生的电流强度以及电压的大小与材料的磁导率有着直接的关系，而材料的磁导率又与材料所受应力状态相关，通过该电磁感应系统测量得到的输出电压以及索网材料的其他的一些参数，如材料温度、材料的横截面积等，可计算得到索网材料的磁导率，因而也就可以间接地得到索网的应力状态。
　　EM监测设备就是基于以上原理研发的测量系统，该系统中包括冲击电压设备、感生电压测量设备、温度测量设备以及结果计算输出软件。监测设备及其软件如图1所示。图中，双线圈设备为输入电压、感生电压的测量部分以及温度测量系统；测量仪器是将冲击电压电源、感生电压测量以及结果输出软件集成后形成的仪器；测量软件负责钢索索力的计算以及结果输出。
　　3 工程项目实例
　　3.1 工程项目概况
　　上海中国航海博物馆位于浦东新区南汇新城镇，总规划用地面积约为48660平方米，建筑物占地面积约为24830平方米，总建筑面积约为46434平方米。本建筑为地上四层，由两侧裙楼和中央帆体建筑构成，屋面檐口高度约24米，中央帆体高度约70米。中央帆体结构在造型上模仿了帆船的风帆，结构体系是由三铰拱、空间管桁架、双曲索网玻璃幕墙等共同作用而形成的空间结构体系，如图2所示。
　　该建筑的中央帆体的壳体结构的高度从悬挑顶点到三层平台高度约58米，双曲索网玻璃幕墙立面的高度约40米，玻璃幕墙立面在不同的高度的宽度不一，最宽处宽约24米。玻璃幕墙的索网通过万向球铰装置铰接于帆体钢结构三角共桁架、边缘桁架以及三层平台梁等主体结构上。玻璃幕墙的索网是由横竖钢索编成的双曲索网，南北两片索网分别由18根竖钢索和56根横钢索构成，竖钢索和横钢索相互制约，共同形成一个张紧的双曲面，其中最长竖钢索弧长约52米，钢索索径32毫米，最长横钢索弧长约24米，钢索直径24毫米。索网的每一根索的张力大小各不相同，受索网结构特点的影响，考虑到长期监测的需要，传统的测量方法难以采用，因此本项目采用EM监测法进行索网索力测试。
　　3.2 项目监测目的
　　中央帆体索网的索力水平能否在使用过程中满足设计要求，关系到索网玻璃幕墙结构是否安全。本工程双曲索网玻璃幕墙钢索的索力控制是关键，索力能否达到最初设计值则是结构是否安全可靠的重要标志。因此，为保证结构在运营阶段的安全使用以及保障人民群众的生命和财产安全，有必要对该玻璃幕墙索网的索力进行长期监测。
　　3.3 监测点位布置
　　该项目索网索力监测点位的布置主要基于如下几点考虑：监测点点位分布均匀，横竖钢索均布有监测点位，张拉钢索与辅助钢索均布有监测点位；单根钢索不同位置应布置有对比性的监测点位，这样可获得同一根钢索在不同区段的索力变化情况；同时应综合考虑，全面分析，尽量做到索网钢索监测点位具有代表性，兼顾经济适用。综合考虑以上几点，该项目监测点位布置如图3所示。
　　3.4 监测数据分析
　　建筑中央帆体双曲索网玻璃幕墙索力的2015年度各季度监测的实测数据及结构施工张拉完成时测量的拉力值如表1所示。