淺談上海中國航海博物館中央帆體索網索力監測研究

摘 要：索網作為索網玻璃幕墻中的重要構件，索網的預張力大小是索結構設計中的重要參數，索力監測為總體評價索網狀況，進而評定索網總體結構的性能提供重要依據。文章介紹了EM傳感器技術在中國航海博物館中央帆體玻璃幕墻索網索力監測中的應用。通過監測獲取的實際數據分析，為中央帆體索網玻璃幕墻結構的安全評估提供依據，也可為未來設計施工同類復雜結構提供借鑒。

關鍵詞：雙曲索網玻璃幕墻；索力監測；EM傳感器

1 概述

上海中國航海博物館中央帆體玻璃幕墻采用雙曲索網玻璃幕墻設計，造型優美獨特。索網作為幕墻結構中的重要構件， 其服役狀況直接關系到建筑物的安全運營與使用壽命。因此，對索網索力進行安全監測，及時了解索網的工作狀態是十分必要的。索網的安全監測，主要是通過監測拉索的索力，來判斷其使用狀況，評定其安全性。通過對索網索力的監測，不僅能為總體評價其技術狀況提供依據，同時也可以在一定程度上發現拉索錨固系統、防護系統是否完好。

目前，索力監測所應用的傳統技術主要有：壓力傳感器法、振動頻率法等。不同索力測量方法，各有其特點。壓力型傳感器法是比較傳統的傳感器技術，需要串接在受力結構中，將傳遞到傳感器上面的力直接測量出來，在荷載長期作用下，受到材料變形、傳遞失真等方面的影響，精度和耐久性難以保證，在受力狀態下無法更換也無法重新進行校準，因此傳統壓力型的傳感器對于長期監測有一定的局限性。振動頻率法是通過建立索網的簡化模型，實測索網的振動頻率，經過計算間接得出索力，因為受實際拉索的長度、減震器、外護套等客觀因素的影響，其測量精度比較差。磁彈法（Elastic Magnetic，簡稱EM）監測技術，是最近興起的一項索力無損檢測技術，相對傳統的傳感器技術的局限，EM監測技術較好地解決了這些問題，可以直接在已受力的索網上制作及安裝，通過非接觸式測量解決傳感器壽命問題，實現預應力多截面應力監測，解決了建筑運營中的索力長期監測問題。

2 EM監測原理及設備

EM監測技術是通過鐵磁性材料的磁彈效應原理進行測量。鐵磁性材料受到外力作用時內部產生機械應變，其磁導率會發生相應的變化，通過測定磁導率的變化可以來反映索網索力的變化情況。因為電磁感應產生的電流強度以及電壓的大小與材料的磁導率有著直接的關系，而材料的磁導率又與材料所受應力狀態相關，通過該電磁感應系統測量得到的輸出電壓以及索網材料的其他的一些參數，如材料溫度、材料的橫截面積等，可計算得到索網材料的磁導率，因而也就可以間接地得到索網的應力狀態。

EM監測設備就是基于以上原理研發的測量系統，該系統中包括沖擊電壓設備、感生電壓測量設備、溫度測量設備以及結果計算輸出軟件。監測設備及其軟件如圖1所示。圖中，雙線圈設備為輸入電壓、感生電壓的測量部分以及溫度測量系統；測量儀器是將沖擊電壓電源、感生電壓測量以及結果輸出軟件集成后形成的儀器；測量軟件負責鋼索索力的計算以及結果輸出。

3 工程項目實例

3.1 工程項目概況

上海中國航海博物館位于浦東新區南匯新城鎮，總規劃用地面積約為48660平方米，建筑物占地面積約為24830平方米，總建筑面積約為46434平方米。本建筑為地上四層，由兩側裙樓和中央帆體建筑構成，屋面檐口高度約24米，中央帆體高度約70米。中央帆體結構在造型上模仿了帆船的風帆，結構體系是由三鉸拱、空間管桁架、雙曲索網玻璃幕墻等共同作用而形成的空間結構體系，如圖2所示。

該建筑的中央帆體的殼體結構的高度從懸挑頂點到三層平臺高度約58米，雙曲索網玻璃幕墻立面的高度約40米，玻璃幕墻立面在不同的高度的寬度不一，最寬處寬約24米。玻璃幕墻的索網通過萬向球鉸裝置鉸接于帆體鋼結構三角共桁架、邊緣桁架以及三層平臺梁等主體結構上。玻璃幕墻的索網是由橫豎鋼索編成的雙曲索網，南北兩片索網分別由18根豎鋼索和56根橫鋼索構成，豎鋼索和橫鋼索相互制約，共同形成一個張緊的雙曲面，其中最長豎鋼索弧長約52米，鋼索索徑32毫米，最長橫鋼索弧長約24米，鋼索直徑24毫米。索網的每一根索的張力大小各不相同，受索網結構特點的影響，考慮到長期監測的需要，傳統的測量方法難以采用，因此本項目采用EM監測法進行索網索力測試。

3.2 項目監測目的

中央帆體索網的索力水平能否在使用過程中滿足設計要求，關系到索網玻璃幕墻結構是否安全。本工程雙曲索網玻璃幕墻鋼索的索力控制是關鍵，索力能否達到最初設計值則是結構是否安全可靠的重要標志。因此，為保證結構在運營階段的安全使用以及保障人民群眾的生命和財產安全，有必要對該玻璃幕墻索網的索力進行長期監測。

3.3 監測點位布置

該項目索網索力監測點位的布置主要基于如下幾點考慮：監測點點位分布均勻，橫豎鋼索均布有監測點位，張拉鋼索與輔助鋼索均布有監測點位；單根鋼索不同位置應布置有對比性的監測點位，這樣可獲得同一根鋼索在不同區段的索力變化情況；同時應綜合考慮，全面分析，盡量做到索網鋼索監測點位具有代表性，兼顧經濟適用。綜合考慮以上幾點，該項目監測點位布置如圖3所示。

3.4 監測數據分析

建筑中央帆體雙曲索網玻璃幕墻索力的2015年度各季度監測的實測數據及結構施工張拉完成時測量的拉力值如表1所示。

根據中央帆體雙曲索網玻璃幕墻索力2015年度的實測數據，繪制的玻璃幕墻南北橫豎索網索力變化如圖4所示。

3.5 監測結論

由以上監測數據可見，2015年度測量值與索網幕墻施工完成時的測量值相比，未出現過大變化，說明索網索力基本處于穩定狀態。由2015年度內各次測量值相比較分析，部分測點的索力出現退化，部分索力反而上升，說明由于結構本身的復雜性，索網索力的變化規律并不明顯，但索力無論是退化還是上升，幅度均不大，說明本工程索網玻璃幕墻的安全性可以得到保證。

4 結束語

上海中國航海博物館的中央帆體幕墻設計采用的是雙曲索網玻璃幕墻形式，目前在我國應用較少，可借鑒內容較少。在日常運營使用過程中，有必要對雙曲索網玻璃幕墻的索網構件進行監測分析。全面跟蹤中央帆體索網玻璃幕墻在使用階段的重要工程參數，根據實際監測數據，通過與初始張拉數據結果進行比較分析，對保障建筑運營安全，把安全隱患消除在萌芽狀態，具有重要的意義，同時也為以后設計施工同類結構提供參考。

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