20世纪90年代, 建筑索膜结构开始在我国推广应用, 上海八万人体育场、青岛颐中体育场、上海虹口足球场、芜湖奥体中心体育场等是索膜结构在中国最早应用的几个代表性工程。20多年来, 索膜结构在我国得到了长足发展, 各地建成的索膜结构数以千计, 培育和发展了数以百计的索膜结构材料、设计、咨询、制作、安装等方面的公司企业, 国内索结构和膜结构的相关规范规程陆续发布并修订, 索膜结构方面的设计专用软件已经开发并获得广泛应用[1]。

与20多年来索膜结构飞速发展应用相比, 既有索膜结构检测及维护的研究和应用相对落后。90年代建成的索膜结构陆续出现了各种结构性能方面的问题, 检测和评估当前结构的工作性能日显重要。部分索膜结构使用功能改变, 其结构性能是否能够满足建筑功能需要评估。一些突发事件造成部分索膜结构损伤后, 其评估和维修方法无可遵循的规范。

本文介绍了既有索膜结构存在的主要问题, 总结了长期运营期内既有索膜结构的主要结构损伤, 介绍了既有索膜结构检测的主要方法和常用设备, 以芜湖奥体中心体育场和上海虹口足球场为例介绍了既有索膜结构主要的检测工作, 从技术和管理上对既有索膜结构的检测监测及维护保养提出了建议。

索膜结构的主要材料是膜和钢。膜材料包括织物类PVC膜材和PTFE膜材;钢材料主要包括拉索和钢结构。对数个运营期>10年的既有索膜结构进行外观普查, 长期运营期内既有索膜结构的主要结构损伤包括膜局部损伤、钢 (索) 结构锈蚀、索 (膜) 结构松弛及抗拔基础损伤等。表1总结了既有索膜结构的结构损伤种类, 并对安全危害性进行了定性评估。普查发现的典型损伤情况如图1所示。

根据外观普查发现的既有索膜结构损伤情况, 采用合适的方法对结构力学性能进行检测评估, 检测内容宜包括如下内容。

1) 控制点位置检测。

2) 膜结构 膜面及破损位置的应力、材料强度、膜节点承载力。

3) 索结构 索的拉力、索及节点的锈蚀情况。

4) 钢结构 钢结构腐蚀情况, 特别是焊缝位置。

5) 抗拔基础 混凝土及钢筋检查。

6) 图纸复核、计算复核。

索和膜的松弛均会引起结构变形。测量控制点的位置, 与原图纸位置复核, 复算结构内力与原结构进行比较, 可以评价索和膜结构应力变化的情况。

膜材料具有各向异性, 长期持荷作用下发生徐变、松弛和老化等效应, 通过膜面应力现场检测可以评估长期荷载作用下膜面力学性能需求。对于冗余位置的膜材进行力学性能测试, 可以评估长期使用状态下膜材的能力。膜结构边界应力集中, 尤其需要关注此位置的应力变化情况, 出现破损后, 该位置的维修节点也应重点进行承载力评估。

建筑常用的钢索包括钢绞线和钢丝绳等, 一般由高强钢丝通过各种方式扭绞成型, 具有徐变和松弛的效应。通过评估其索力可了解长期作用下索的性能要求。

钢材防腐是既有索膜结构维护保养的重要内容。通过对一些工程的普查, 发现与防护较好的索体相比, 锚具往往表现出更严重的锈蚀。与锈蚀后的探伤相比, 注意日常的维护和防腐处理可能是更为节省和有效的方法。

由于索膜结构中大范围区域受拉, 基础承受拉力经常是控制组合。混凝土抗拉性能差, 带裂纹工作是抗拔基础的常见现象, 必须关注此时钢筋的受力性能满足结构要求。

上述检测工作需要与结构计算进行比较, 评估验证检测结果的合理性。

根据既有索膜结构的检测内容, 总结既有索膜结构检测的方法和设备。

如图2所示, 变形检测主要是通过全站仪进行, 也可进行激光扫描检测。通过测量索膜结构各控制点几何位置, 构建实际索膜结构的计算几何模型。

膜面力学性能检测的主要方法与设备如图3所示。膜面的力学性能检测包括2个方面: (1) 膜结构能力检测, 包括图3a的膜材力学性能和图3b的膜连接节点承载力检测; (2) 膜结构性能要求, 主要是图3c所示的现场膜面应力的检测。

DG/T J08-2019—2007《膜结构检测技术规程》对图3a和3b所示的膜材和膜节点的测试做出了详细要求[2]。对于既有索膜结构, 在可获得原膜材情形下, 通过对承受长期作用的膜材进行性能测试, 可验证膜材耐久性及剩余强度;在需要进行修复的情形下, 应对设计修复节点进行承载力试验, 达到设计要求方可修复。

图3c所示是现场膜应力检测的方法之一, 通过真空测试原理, 建立真空吸力、膜面外位移和膜面应力水平的对应关系[3,4]。

式中:T为膜面拉应力;E为膜材弹性模量;q为真空吸力;w为测量的面外位移。张其林等通过“拟索法”建立排除了膜材材料性能和膜面经纬向应力的相互影响, 开发了图3c所示的测试设备。

图4所示为索力的检测方法。图4a所示为EM测量方法, 图4b所示为振动检测方法[5]。

EM测量方法适合于索力的长、短期监测, 是索力长期健康监测的优选方案。对于既有索膜结构, EM线圈需现场绕制, 成本较大, 建议建立既有结构的长期监测系统时选用。该方法由2个线圈组成电磁感应系统, 主线圈在通电瞬间, 因铁芯存在, 产生电磁感应现象, 从而在次要线圈中测得瞬时电压。根据铁芯的材质及刚度、输入电压强度和感生电压测量强度, 评价铁芯中的拉力。

振动法利用精密拾振器, 拾取拉索在外加激励下的振动信号, 经过滤波、放大和频谱分析, 再根据频谱图来确定拉索的自振频率, 然后根据自振频率与索力的关系确定索力。索膜结构中索端实际边界条件一般为弹性连接, 因此, 测量的信号需要进行修正。

芜湖奥林匹克体育中心主体育场位于奥林匹克公园中心区, 体育场平面为3段圆弧线组成, 长轴约254m, 短轴约225m, 膜水平投影面积约20 700m2, 是由40个大小、高低均匀变化的锥形膜单元组成的脊谷式张拉整体式膜结构 (见图5) 。整体呈错落有致的马鞍形, 主看台上弧梁最高点标高69.100m, 内环索最高点标高29.100m, 悬挑最大跨度约39m。

芜湖奥体中心体育场索膜屋盖检测工作包括钢结构检测和索膜检测。钢结构检测包括结构轴线复核、构件尺寸复核、构件材质检测、结构变形检测、构件损伤和平直度、构件表面涂层、构件和节点锈蚀、螺栓扭矩和焊缝探伤等。索膜结构的检测包括膜材材料性能、膜面应力和索力检测。

图6所示为膜面检测时的测点布置。每个膜片中部布置1个测点, 每个测点检测正交2个方向的应力, 共160个测点。选取东西看台各2个单体膜, 检测各角点位置, 共4个单体56个测点。

图7所示为索力测点示意。选择膜外拉索包括环索 (HS) 、斜拉索 (XLS) 、外拉索 (WLS) 、边拉索 (BLS) , 检测所有斜拉索40根、外拉索18根、边拉索36根, 合计94根拉索。

图8所示为芜湖奥体老化膜材的检测。由于膜材有限, 进行了膜材单向抗拉强度和断裂延伸率试验、膜材连接强度试验、膜材撕裂强度试验, 进行双向拉伸试验确定材料弹性模量和泊松比。

上海虹口足球场屋面东低西高, 南北对称, 呈高低起伏的马鞍形, 空间尺寸复杂。屋面支撑结构由22榀悬挑桁架、22榀外环梁、22榀内环梁和8榀中环梁以及用于支撑膜面和天沟的膜结构支架和飞索飞梁组成 (见图9) 。因看台2楼商家失火, 造成部分屋盖损伤, 受损屋盖处钢支撑、后背索和膜材过火。

对上海虹口足球场进行了全面的灾后检测评估, 对索膜屋盖进行了索和膜的检测。图10所示为不同过火部位膜材的残余力学性能, 检测结果为膜材的更换提供了依据。采用振动法对损伤的屋盖后背索、邻近左右各2榀后背索及相应的上斜索的索力进行了检测评估 (见图11) , 索力检测为索膜屋盖的索系更换提供了依据。

通过对数个运营10年以上的索膜结构进行普查, 总结了既有索膜结构的主要损伤类型。根据损伤调查, 提出了既有索膜结构检测的主要内容、检测设备和检测方法。对芜湖奥体中心体育场长期运营检测和上海虹口足球场灾后检测的情况进行了介绍, 说明了既有索膜结构的检测对索膜结构运营期的维修保养和加固改造具有重要的作用。