摘要：
张玉玲 邱德隆 万里程 王丽 张林 陈晨
[摘 要] 研制开发了钢结构本体温度无线测试系统，对国家体育场即“鸟巢”钢结构的合拢施工和卸载过程进行了现场钢结构本体温度监测。根据均匀分布于鸟巢钢结构本体顶面、立面和立面次结构上的监测点数据，评价了钢结构构件在合拢和卸载施工过程的实际温度状态和分布规律。分析认为，合拢期间钢结构本体温度均满足设计规定的要求，各阶段温度测试数据可为鸟巢钢结构的后续施工应力分析提供依据。所建立的钢结构本体温度无线测试系统可推广应用于类似钢结构工程。
[关键词] 国家体育场；鸟巢钢结构；合拢；卸载；无线温度测试
国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是2008年北京第29届奥运会的主体育场。体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m，总建筑面积约为25.8万?。
体育场钢结构采用的基本施工顺序如下：1)安装桁架柱柱脚、立面次结构柱脚、楼梯柱柱脚；设置78个临时支撑塔架；2)分段吊装桁架柱、立面次结构(倒角区以下部分)、楼梯柱的下半部分、立面楼梯；3)开始主桁架分段吊装工作。4)主桁架分段吊装工作完成；5)进行主桁架各分区之间的整体合拢工作；6)临时支撑塔架卸载；7)安装顶面次结构与转角区立面次结构、楼梯柱的上半部分；8)安装马道及各种设备吊挂支架、屋面PTFE膜结构及下弦PTFE声学吊顶、灯光、音响、大屏幕等设备。
北京地区属于大陆性气候，昼夜温差大，冬夏季温度差别也大，温度对钢结构的作用明显。为减少温度对钢结构的影响，在结构形成整体前按要求留设了四条合拢线，各部分结构施工完毕后进行合拢，形成鸟巢主结构。合拢时，钢结构本体温度必须达到合理范围，才能保证结构在任何气候状况下，各项指标变化都在规定范围内。卸载时，鸟巢将经历一次使钢结构庞大的自重荷载承重部位从临时塔架到自身承重的体系转换过程，每个步骤对钢结构是否安全合理受力有重要的影响，需要掌握钢结构构件的实际温度状态，以便有效分析卸载时钢结构体系转换的受力状态。
由于国家体育场结构复杂，监测范围覆盖面广，如采用有线传输方案，势必影响施工单位的组装作业，若单点逐一测试，则测试效率太低，影响数据的及时反馈。为此，专门针对体育场的客观条件，开发研制了无线温度测试系统，既保证测试数据的稳定可靠和高效率，又使对施工影响降到最低。通过合拢时段和卸载阶段的温度实时监测，保证了合拢温度控制准确，掌握了卸载施工的温度状态。为体育场钢结构工程的施工提供了重要的科学决策依据。
1监测系统
1.1传感器
监测传感器为DS18B20型号的一线式数字温度传感器，3个引脚。在测试精度 0.5℃时温度量程-10℃～85℃，测温分辨率0.0625℃。传感器导线与数据采集、发射装置以及电源相连，一并密封存放于测试盒中。测试盒下表面附有永磁旋钮，便于在钢结构表面任意部位磁力安设。见图1和图2。
整个系统由传感器子系统、数据采集与传输子系统和数据管理分析子系统构成。数据的采集和信号的发射采用自带电池。
在选定的部位设置热电偶传感器，所测到的钢板表面温度信号通过数据采集与传输子系统转换为数字信号，由无线发射装置将信号传输到信号接收仪，其与计算机相连，信号进入数据管理与分析子系统。
数据管理与分析子系统包括进行数据采集、数据处理和分析、数据存储和终端管理等，由VC可视化编程语言编制，实现了自动和手动两种温度采集模式，以满足任意时间间隔采集频次的数据测量和各点实时温度监测的需要，测试结果自动保存在程序的配置文件中。各子系统在物理上、逻辑上和功能上联动和协同工作，软件对各子系统进行统一控制。终端界面简洁明了，便于操作，见图4和图5。
本测试系统最大的特点是避免了现场布线。采集到的数字信号通过无线发射和接收直接传输给计算机进行处理，避免了采用电缆线传输时信号的衰减。测试现场不用外接电源线，由仪器直接携带电池。现场没有冗长而烦琐的各种信号线和电源线，最大限度地降低了对现场施工的影响。
测试前对该系统测试输出结果与ADT-I数字式钢轨测温仪（量程：-45℃~+80℃）的点温测试读数进行对比，两种方式的测试读数误差为1％以下，算术差小于±0.5℃，说明本测试系统满足精度要求。
2施工过程及现场监测
2.1测点布置
共布置60个测点，分别摆放在测试杆件的上表面或测点附近斜杆表面，立面结构摆放在杆件的侧面。测点分布在顶面桁架上弦18个点、下弦18个点；立面结构分别布置在4个桁架柱上，每柱5点；对应的柱间次结构布设4个测点。通过对钢结构本体温度实际测试情况的分析，表明在后半夜时段不受白天日照影响等干扰的情况下，上述60个测点的温度分布规律、离散幅度很小，因此可以认为所布设的60个测点能够代表钢结构整体温度情况。测点布置图[1]见图6。
2.2合拢施工
共留有4条合拢线，一般需要分成四个夜间才能焊完。施工中根据具体情况将其中的两条合拢线连续施工，故最后合拢日仅用了3天，分别在2006年8月25日、28日和30日的夜间进行。
测试数据表明，钢结构本体在三天合拢日的温度平均值分别于夜间22:00降到22.8℃；2:15达到22.9℃；1:15降到22.9℃，之后之后温度平稳下降。各点间的温度差每半小时变化均在±0.2℃范围内。顶面结构的最高温度点和最低温度点，均在平均温度±2℃范围内，满足设计对合拢温度的要求[2]。25日温度监测结果见图7。
3数据分析
3.1钢结构温度场规律
从各点测试规律看，白天温度升高，夜间温度下降；8月上旬晴天时白天钢构件本体温度离散性很大，相应时段在12:00～17:00，14:00～15:00出现最高温度；阴天离散性较小，最高温度出现在13:00～15:00。
钢结构本体各构件的昼夜温差变化较大，顶面结构构件更为明显，8月份晴天最高可达25℃。
白天同一时刻的上弦温度比对应的下弦温度高，8月份最高约达10℃。
立面结构在白天同一时刻平均温度较顶面结构低。
总体来说，8月下旬夜间00:00以后钢结构本体温度与气温差距不大，各点温度数据均匀性较好，温度上下限均在平均温度的±2℃以内，符合合拢要求的温度出现较早，且持续时间较长，对钢结构的合拢有利。
3.2合拢温度
三天的合拢温度各有特征。8月25日第一个合拢日的可施工时间到来很早，22:00以后已经满足合拢设计温度要求；8月28日第二个合拢日天气最热，直至夜间2:30以后钢结构温度才降到可施工的范围；8月30日第三个合拢日是个阴天，虽然白天温度不高，但真正到夜间降到合拢温度，却用去相当长的时间，到0:00才能够施工。
合拢时顶面结构的平均温度范围：8月25日为21.6℃～20.6℃，8月28日为22.6℃～22.4℃，8月30日为22.6℃～21.4℃；8月30日立面结构合拢时的平均温度范围为22.6℃～22.4℃。钢结构本体温度均达到设计规定的合拢温度，合拢工作进展顺利。
3.3卸载温度
卸载日期中，总体平均气温的从高到低的顺序为：13日、17日、16日、15日、14日。
卸载期间钢结构总体的温度场状态是，上弦杆件的北侧和西侧构件温差变化比南侧和东侧构件要高。这与阳光照射角度有关。
立面结构离散性较小，温度曲线较平缓，白天同一时刻平均温度较顶面结构低。
立面结构温差大的杆件多发生在外圈测点。在卸载时间内，南侧温度偏高。
顶面结构的上弦表面、立面结构的外圈测点温差大的原因，均产生于太阳直射。因此，可推断对温度应力有较大影响的构件可通过遮阳措施改善其温度应力状态。
4结语
采用无线温度测试系统可有效测试钢结构本体表面温度，无需拉线，全部测试数据正常，系统稳定，测试结果可以作为钢结构施工各步骤决策依据参考，以及鸟巢钢结构本体温度的档案资料，可供相关分析和计算使用，同时也可以作为今后类似工程参考。
参考文献
[1] 国家体育场钢结构温度自动测试方案[C]，铁道科学研究院、北京城建集团国家体育场工程总承包部，2006年7月.
[2] 张玉玲、王丽. 国家体育场钢结构本体温度自动测试及分析报告（合拢阶段）[R]. TY字第2157号2006年铁字第0735-1号，北京：铁道科学研究院研究报告，2006年9月.
[3] 国家体育场工程钢结构支撑塔架卸载操作程序手册[C]，北京城建集团国家体育场工程总承包部，2006年9月.
[4] 张玉玲、王丽. 国家体育场钢结构本体温度自动测试及分析报告（卸载阶段）[R]. TY字第2157号2006年铁字第0735-2号，北京：铁道科学研究院研究报告，2006年9月.
