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診察建筑“病情”也講究“望聞問切”——訪同濟大學土木工程學院鋼結構理論與施工技術研究室主任羅永峰教授
2019-12-02 14:28:41來源:中國建設報    作者:宋京平

我國是一個自然災害較多的國家,地震、風災等均可能對建筑物造成嚴重損壞。目前,我國很多建筑已到了維修改造的時期。值得注意的是,在對既有建筑進行技術改造的施工過程中,往往要涉及增加房屋高度、增加荷載、增加跨度等施工工序,而這些改造施工均可能對既有建筑物的安全造成隱患,因此,對建筑物的“望聞問切”至關重要。為了解更多與建筑安全有關的問題,中國建設報記者與長期從事鋼結構及空間結構研究、教學以及工程設計、施工與監測技術、檢測鑒定等工作的同濟大學土木工程學院鋼結構理論與施工技術研究室主任羅永峰教授進行了對話。

中國建設報記者:羅教授,為什么要對大型復雜鋼結構的施工過程進行監測?

羅永峰:對大型復雜鋼結構的施工過程進行監測是非常重要、非常有必要的。

在實際施工中,了解并掌握鋼結構在施工過程中的內力和變形狀態,是保障鋼結構施工過程安全、控制與保證施工質量的前提和首要技術措施。

在大型復雜鋼結構施工過程中,結構的內力和變形通常難以通過施工經驗判斷。此外,由于施工模擬計算模型常采用一些假定和簡化的方法,使得計算模型和實際結構之間存在差異,這就可能導致施工模擬計算結果產生偏差,甚至有時不能準確反映施工過程中的結構受力狀態,僅僅采用施工模擬計算結果指導和控制施工,無論從安全上還是質量上都是不可靠的,因此,只有通過對結構施工過程的實時監測,才能準確得到不同施工階段整個施工結構系統(包括已安裝的結構部分和臨時支承結構)的內力和變形,才能為保障施工過程安全、控制與保證施工質量提供依據和數據。

中國建設報記者:在監測過程中需要得到哪些數據?

羅永峰: 監測過程中得到的數據主要包括:一是反映施工過程中結構及臨時支承體系的應力、變形、支反力(包括牽引力、頂推力、提升力)及其變化特點的數據,二是反映結構或安裝單元的位移與運動狀態及其變化特點的數據,三是反映結構施工質量(包括構件安裝位置、變形、缺陷等)的數據。

得到這些數據的目的是:為施工過程中結構狀態(包括結構安全、施工質量狀態)的評估、預警與控制提供依據和數據;為設計單位提供結構施工終態(竣工)的內力狀態;為后續結構使用期間健康監測數據庫提供基礎數據。

中國建設報記者:目前,對鋼結構工程進行監測都有哪些方法和技術?

羅永峰:對工程監測均采用傳感器,如振弦式應變計、傾角計、風速風向儀等。將這些傳感器安裝到預定測點,通過數據采集器采集數據,再傳回電腦進行分析處理,得到有效監測數據后,提供給技術人員進行施工管理控制。

目前,對鋼結構施工過程的監測主要是監測整個結構施工體系的應力、變形或位移,如果在安裝過程中結構或安裝分塊有移動,如滑移、提升、頂升,還需要監測結構移動時的同步性和作用力,如頂推力、提升力及其變化。此外,通常還要監測施工現場的風向、風速。

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羅永峰(左一)在鄭州新鄭國際機場二期擴建工程屋面觀摩。 宋京平 攝

中國建設報記者:請您介紹一下對既有鋼結構建筑進行檢測、鑒定的重要性?

羅永峰:既有鋼結構建筑是已投入使用或使用多年的建筑,鋼結構建筑在使用過程中可能會出現荷載變化以及因異常天氣作用、地震、火災等事故造成的損傷或變形,包括表面涂層損壞或失效、鋼材銹蝕、構件變形或裂縫、部分連接損壞或失效等問題。即使鋼結構建筑在使用過程中未發生自然災害或事故,長期使用后鋼結構建筑的構件表面涂層也會出現老化、變質甚至脫落,這些損傷或變形將直接影響結構的正常使用、使用的安全性。

我們通過分析已發生的既有鋼結構建筑或在役鋼結構工程事故的原因獲悉,多數事故的發生是由于結構的變形或損傷,使建筑結構的受力性態在使用過程中隨著時間的增長而劣化導致。更有甚者,一些使用者從來不對結構進行定期或適時的檢測、鑒定,根本不了解結構的安全性態會隨著時間的變化而劣化,錯過了對結構進行維護或加固的時機,從而導致工程事故的發生。

我認為,對既有鋼結構建筑或在役鋼結構工程進行定期的檢測、鑒定和維護,是保障鋼結構建筑安全使用的前提和必要條件,也是保障社會穩定與經濟活動正常運行的技術措施之一。

需要強調的是,鋼結構建筑的安全使用不僅依賴于設計時足夠的安全系數,制作、安裝時的質量保證,同時也依賴于使用過程中的檢測、鑒定和維護,這三個環節的規范化保障,是對鋼結構建筑在生命周期內的正常、安全使用的必要條件。

中國建設報記者:“輕、快、好、省”是您的導師、已故中國工程院院士沈祖炎教授對鋼結構建筑特點最精煉的總結。您在理論與實踐密切結合方面也有不少體會吧?

羅永峰:是的。長期以來,我們研究團隊,包括沈院士負責的團隊、同濟大學教授李國強負責的團隊、我負責的研究室團隊參加過一些重大鋼結構工程項目的設計預研究、施工過程模擬計算、施工過程監測等,如500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)工程的反射面結構系統、上海世界博覽會場館、國家大劇院大屋蓋網殼結構、上海南站大屋蓋結構、浦東機場航站樓等工程,在研究和實施過程中,我們遇到了很多課堂上或書本上學不到的理論和技術問題,通過分析和解決這些實際問題,為我們在教學、科研方面提供了豐富的資料。

通過工程實踐,我在自己開設的“土木工程施工力學”研究生課程的授課時,無論是從理論方面還是實際應用方面,都能通過豐富且珍貴的數據資料,使課堂教學更生動、更具體、更易懂。此外,我在“網格結構非線性穩定分析”研究生課程、“空間結構”本科生課程授課時,均是通過我參與的實際工程,不僅形象、準確地解釋書面理論的意義,還能說明如何應用并直觀地將實際工程的照片、數據和技術資料展示出來,通俗易懂。

中國建設報記者:2010年12月15日,內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗賽馬場西側看臺鋼結構罩棚發生局部塌落并造成3000多萬元的損失。盡管此事故已經過去快10年了,業內人士還會經常提起。請問,鋼結構建筑在什么情況下會失穩?

羅永峰:一般來說,導致鋼結構工程失穩有兩種原因:一種是構件失穩,包括構件的整體失穩和板件局部失穩;另一種是結構整體失穩,包括結構的整體失去穩定和結構的某個或多個局部失去穩定。簡單地說,當結構或構件承受的壓力超過其臨界荷載時,建筑就會失穩。

中國建設報記者:有什么方法可以規避建筑失穩。

羅永峰:目前,鋼結構構件的穩定性計算理論方法已經很成熟,通常設計時按照現行國家標準設計就能夠保證構件穩定。但是,結構整體穩定理論計算難度較大,如果計算模型不準確、荷載考慮不完全、計算方法不合適,設計計算結果就可能產生偏差,在后期使用時就可能導致結構失穩,這類事故是有先例的,如發生在1963年1月的羅馬尼亞首都布加勒斯特穹頂的整體失穩事故。

當前,我國鋼結構工程在施工過程中出現的事故,很多原因是由于施工時結構或構件失穩導致的,這主要是由于在施工過程的模擬計算時,沒有特別注意計算施工狀態的已安裝結構部分和臨時支承結構在荷載狀態下的穩定性所致。在鋼結構施工時,需要特別注意構件內力性質的變化,如原設計的拉桿在施工時變為壓桿、原設計單一內力的構件在施工時額外增加其他內力分量以及施工時構件的內力狀態與設計時差異很大等,這些變化都可能導致施工時構件或結構失穩。通常情況下,施工狀態的結構體系、荷載工況均與結構設計時不同,因此,不能按照設計時的結構穩定性來判定施工時的結構穩定性,必須進行施工狀態結構體系的穩定驗算,否則,很容易造成施工時的結構失穩事故。

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羅永峰(前排左二)與畢業生在一起。 羅永峰 供圖

中國建設報記者:請介紹一下您和您的團隊。

羅永峰:我們研究室的工作主要以教學和科研為主,除我以外,我們團隊還有謝強教授以及郭小農副教授、馮虹副教授、強旭紅副教授。在教學方面,主要有本科生和研究生結構工程方向的課程,包括鋼結構基本原理、建筑鋼結構設計、結構概念分析等。在科研課題方面,一類是國家自然科學基金項目以及“十一五”、“十二五”國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃課題等;另一類是與國內外企業合作的研究項目。鋼結構理論與施工技術研究室的主要研究方向包括:大跨度及空間鋼結構的整體穩定性、大跨度及空間鋼結構的地震反應分析方法和抗震設計方法、大型復雜鋼結構施工技術、施工力學計算理論與施工監測技術等。此外,我們研究室也承擔一些大型復雜鋼結構工程項目的設計、施工過程分析、施工監測、既有鋼結構工程檢測與鑒定等工作。

通過多年研究與工程實踐,我們研究室主編、參編了多本著作、標準,如《建筑鋼結構施工力學原理》《建筑鋼結構穩定理論與應用》《鋼結構制作安裝手冊》《鋼結構檢測鑒定指南》等著作和《高聳與復雜鋼結構檢測與鑒定標準》《鋼結構檢測與鑒定技術規程》《空間格構結構工程質量檢驗及評定標準》《鋁合金格構結構技術規程》等著作和國家、地方標準。


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