奧運(yùn)場(chǎng)館模擬地震測(cè)試"筋骨"

 
    工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)通過(guò)震點(diǎn)變化仿真不同強(qiáng)度地震；壓力試驗(yàn)精測(cè)鋼梁變形

秘密檔案：

    奧運(yùn)場(chǎng)館巨大的屋頂能否經(jīng)受大風(fēng)雪的沖擊和重壓？場(chǎng)館的抗震性能如何？除了在施工前進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算，科技工作者還要對(duì)其做大量的模擬試驗(yàn)來(lái)試試奧運(yùn)場(chǎng)館的“筋骨”。

    部分奧運(yùn)場(chǎng)館的建筑安全性檢測(cè)，是在北工大工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行的。日前記者來(lái)到這里，親眼目睹了奧運(yùn)場(chǎng)館的高難度的“體檢”。

精測(cè)鋼梁防大雪重壓

    在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，記者看到三層樓高的巨大實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上，放著各式各樣的鋼梁設(shè)備，貼墻“掛”著的十分之一仿真國(guó)家體育館屋頂模型（14.4m×11.4m），北工大工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心研究員、奧運(yùn)場(chǎng)館“屋頂檢測(cè)”實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人李振寶介紹，經(jīng)過(guò)兩三個(gè)月的試驗(yàn)，已經(jīng)基本測(cè)試完每根鋼梁的受力情況、鋼結(jié)構(gòu)整體受力情況，不久將把數(shù)據(jù)反饋到施工方。

    羽毛球館屋頂模型正在被研究者和工人們“武裝”，工人們均勻地將一袋袋沙土施加在屋頂結(jié)構(gòu)上，測(cè)試其各部分受力的極限值及變化。

    “奧運(yùn)場(chǎng)館的屋頂或者為鳥(niǎo)巢狀、或者為方形蓋子、圓弧形，不管哪種形狀，從規(guī)模和構(gòu)造上來(lái)說(shuō)，都是我們之前沒(méi)有真正嘗試過(guò)的，正式建成前的實(shí)驗(yàn)顯得尤為重要。”

    李振寶介紹。奧運(yùn)場(chǎng)館除保證奧運(yùn)比賽期間的正常使用外，還要保證今后的使用。

    由于奧運(yùn)場(chǎng)館墻壁和柱體與普通建筑區(qū)別不大，技術(shù)也比較成熟，還有國(guó)家的相關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)，因此檢測(cè)難度不高，甚至不需檢測(cè)，但是大型場(chǎng)館有特殊的賽事需要，必須保證屋頂凌空，中間一般沒(méi)有密集柱子支撐，因此對(duì)其材質(zhì)、受力變形后的檢測(cè)就顯得相當(dāng)重要。而且，奧運(yùn)場(chǎng)館的屋頂一般面積都很大，遇上大風(fēng)雪，雪積累多了也考驗(yàn)屋頂?shù)某休d能力。所以，技術(shù)人員的試驗(yàn)主要就是通過(guò)上壓下拉，來(lái)檢測(cè)橫跨屋頂以及支撐屋頂?shù)匿摿旱目箟骸⒆冃文芰Α?/P>

千斤頂上設(shè)“地震帶”

    除了鋼梁抗壓試驗(yàn)，奧運(yùn)場(chǎng)館還要做結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)。工作人員在千斤頂上放置一塊十幾平方米的鐵板，再在鐵板上放置多個(gè)震動(dòng)點(diǎn)，這些震動(dòng)點(diǎn)可以模擬不同強(qiáng)度、不同角度的地震，在鐵板上的連線負(fù)責(zé)把模型的震動(dòng)和變形數(shù)據(jù)記載下來(lái)。測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)如果是在合理的范圍內(nèi)，奧運(yùn)場(chǎng)館就通過(guò)了體檢，如果超過(guò)了合理的范圍，設(shè)計(jì)人員在場(chǎng)館正式開(kāi)工前，就要根據(jù)科技工作者的建議對(duì)施工方案進(jìn)行微調(diào)。而那些模型，據(jù)李振寶介紹，它們?cè)诮Y(jié)束使命后，有可能集中展覽。

對(duì)話

“國(guó)家體育館”扛住80噸力

    奧運(yùn)場(chǎng)館“屋頂檢測(cè)”實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人稱根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)，奧運(yùn)場(chǎng)館施工時(shí)都曾有微調(diào)

    給奧運(yùn)場(chǎng)館“體檢”可是件細(xì)致活兒，負(fù)責(zé)“體檢”的“醫(yī)生”李振寶告訴記者：基本上所有的場(chǎng)館，經(jīng)過(guò)體檢都要進(jìn)行微調(diào)。

新京報(bào)：你們主要承擔(dān)了哪些場(chǎng)館屋頂?shù)膶?shí)驗(yàn)？

李振寶（以下簡(jiǎn)稱“李”）：國(guó)家體育館、羽毛球館等是與奧運(yùn)相關(guān)的，一般的實(shí)驗(yàn)包括常州體育館等地方場(chǎng)館。

新京報(bào)：實(shí)驗(yàn)都結(jié)束了嗎？

李：國(guó)家體育館的剛剛完成，羽毛球館正在進(jìn)行當(dāng)中。

新京報(bào)：能簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)家體育館屋頂?shù)摹绑w檢”嗎？

李：第一步是對(duì)每根鋼索施加拉力，使它產(chǎn)生與外部壓力反向的變形，在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)我們拉伸鋼索，每次拉伸前，鋼索要分橫縱編號(hào)，因?yàn)槊扛�鋼索需要的張力不一樣的�?/P>

    之后我們就模擬體育館屋頂?shù)膶?shí)際受力狀態(tài)。用“水泥袋”等重物布滿整個(gè)屋頂模型，也就是全加載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，工人們往1噸小車中裝滿水泥袋，再通過(guò)遙控起重機(jī)吊放到屋頂，逐漸加重。加載的重量是分層次逐漸加重，每加一定荷載后要穩(wěn)定10-15分鐘后再開(kāi)始讀數(shù)，這樣可以使模型的不同部分產(chǎn)生相應(yīng)變形。

我們還有1/2跨度及1/4的加載的試驗(yàn)。

新京報(bào)：國(guó)家體育館模型施加了多大的力？

李：總體說(shuō)大約施加80噸的外力，模擬不超過(guò)4厘米以下的變形情況，實(shí)際當(dāng)中就大約是0.4米，在此限度內(nèi)是可以接受的，若超過(guò)這個(gè)尺度就不利于整個(gè)建筑的穩(wěn)定。

新京報(bào)：一般來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，怎樣的結(jié)構(gòu)才是合格？

李：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整相關(guān)建筑數(shù)據(jù)，要使鋼梁的受力不超過(guò)預(yù)應(yīng)力（預(yù)先施加的拉力）。

新京報(bào)：結(jié)果怎樣？

李：（笑），基本上每個(gè)屋頂在正式建成前都會(huì)有微調(diào)，因?yàn)槌�高層或屋頂巨大的建筑，設(shè)計(jì)時(shí)憑空想不出如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到受力最均勻，如何安排建材才能確保雨雪來(lái)臨時(shí)，建筑能巍然不動(dòng)，這就需要模型實(shí)驗(yàn)的幫助。

實(shí)驗(yàn)揭秘

9震動(dòng)臺(tái)模仿不同強(qiáng)度地震

    研究者們發(fā)明出專門的震動(dòng)臺(tái)裝置施加動(dòng)力，模擬地震或其他劇烈震動(dòng)情況，對(duì)場(chǎng)館帶來(lái)的可能影響。

    在現(xiàn)場(chǎng)記者看到，偌大的千斤頂上放置了專門的震動(dòng)臺(tái)（一塊大十幾平方米的鐵板），當(dāng)機(jī)器驅(qū)動(dòng)千斤頂運(yùn)動(dòng)，震動(dòng)臺(tái)將上下或左右做運(yùn)動(dòng)，為放置其上的屋頂或其他模型裝置營(yíng)造“地震”環(huán)境，看看抗震的反應(yīng)如何。

    “鐵板”上還放置著9個(gè)1立方米的小“鐵箱”（震動(dòng)臺(tái)），這些小震動(dòng)臺(tái)可以模仿出不同角度的地震。測(cè)試者將欲測(cè)試的屋頂模型放上去后，開(kāi)啟機(jī)器，大震動(dòng)臺(tái)就帶動(dòng)9個(gè)小震動(dòng)臺(tái)，從不同角度震動(dòng)，使“屋頂”從不同角度受力，屋頂在猛烈的震動(dòng)中能否經(jīng)受考驗(yàn)，就一一檢驗(yàn)出來(lái)了。

上拉下壓測(cè)“骨骼”

    李振寶說(shuō)，鋼材壓力實(shí)驗(yàn)可分為兩方面的內(nèi)容。一個(gè)是鋼索預(yù)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是檢驗(yàn)每根鋼材在壓力下延展變形是否在合理范圍內(nèi)。

    技術(shù)人員通過(guò)千斤頂?shù)裙ぞ撸�提前給鋼梁施加“拉力”，使鋼梁往上變形；再施加整體的外力，使其往下變形，“上下的力要大致能抵消，這樣可以保證正式建成后，屋頂每一部分即使受到外力，也能‘合理變形’，保證整體的穩(wěn)定”。此外，實(shí)驗(yàn)中各個(gè)鋼梁添加的順序，拉伸多少也很有講究，“不是隨隨便便組裝就成了一個(gè)屋頂，”李振寶說(shuō)，增一分減一分都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。

土辦法測(cè)“骨架”

    等各個(gè)鋼管、鋼索合理組合后，還要測(cè)整體的受力變形情況，怎么測(cè)呢？

    技術(shù)人員采用的是“土辦法”。實(shí)驗(yàn)中，技術(shù)人員先測(cè)出一場(chǎng)雨或雪，大致能在屋頂積留多少，能帶來(lái)多大的壓力。然后再往屋頂上均勻地添加等重的水泥沙袋，并及時(shí)記錄鋼梁承受力變化數(shù)據(jù)，看其是否能經(jīng)受重壓，能經(jīng)受多大程度重壓？

    水泥袋也不能隨便擺放的，還要講究位置，或鋪滿整個(gè)屋頂，或只鋪滿1/2的區(qū)域，或3/4，或屋頂?shù)恼�中部（掛燈等位置），每一個(gè)屋頂可能受壓的狀態(tài)，都要考慮到。

    綜合上面兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，屋頂鋼梁的變形程度就有了結(jié)論，可以給施工者提出改進(jìn)意見(jiàn)了。