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诊察建筑“病情”也讲究“望闻问切”——访同济大学土木工程学院钢结构理论与施工技术研究室主任罗永峰教授
2019-12-02 14:28:41来源:中国建设报    作者:宋京平

我国是一个自然灾害较多的国家,地震、风灾等均可能对建筑物造成严重损坏。目前,我国很多建筑已到了维修改造的时期。值得注意的是,在对既有建筑进行技术改造的施工过程中,往往要涉及增加房屋高度、增加荷载、增加跨度等施工工序,而这些改造施工均可能对既有建筑物的安全造成隐患,因此,对建筑物的“望闻问切”至关重要。为了解更多与建筑安全有关的问题,中国建设报记者与长期从事钢结构及空间结构研究、教学以及工程设计、施工与监测技术、检测鉴定等工作的同济大学土木工程学院钢结构理论与施工技术研究室主任罗永峰教授进行了对话。

中国建设报记者:罗教授,为什么要对大型复杂钢结构的施工过程进行监测?

罗永峰:对大型复杂钢结构的施工过程进行监测是非常重要、非常有必要的。

在实际施工中,了解并掌握钢结构在施工过程中的内力和变形状态,是保障钢结构施工过程安全、控制与保证施工质量的前提和首要技术措施。

在大型复杂钢结构施工过程中,结构的内力和变形通常难以通过施工经验判断。此外,由于施工模拟计算模型常采用一些假定和简化的方法,使得计算模型和实际结构之间存在差异,这就可能导致施工模拟计算结果产生偏差,甚至有时不能准确反映施工过程中的结构受力状态,仅仅采用施工模拟计算结果指导和控制施工,无论从安全上还是质量上都是不可靠的,因此,只有通过对结构施工过程的实时监测,才能准确得到不同施工阶段整个施工结构系统(包括已安装的结构部分和临时支承结构)的内力和变形,才能为保障施工过程安全、控制与保证施工质量提供依据和数据。

中国建设报记者:在监测过程中需要得到哪些数据?

罗永峰: 监测过程中得到的数据主要包括:一是反映施工过程中结构及临时支承体系的应力、变形、支反力(包括牵引力、顶推力、提升力)及其变化特点的数据,二是反映结构或安装单元的位移与运动状态及其变化特点的数据,三是反映结构施工质量(包括构件安装位置、变形、缺陷等)的数据。

得到这些数据的目的是:为施工过程中结构状态(包括结构安全、施工质量状态)的评估、预警与控制提供依据和数据;为设计单位提供结构施工终态(竣工)的内力状态;为后续结构使用期间健康监测数据库提供基础数据。

中国建设报记者:目前,对钢结构工程进行监测都有哪些方法和技术?

罗永峰:对工程监测均采用传感器,如振弦式应变计、倾角计、风速风向仪等。将这些传感器安装到预定测点,通过数据采集器采集数据,再传回电脑进行分析处理,得到有效监测数据后,提供给技术人员进行施工管理控制。

目前,对钢结构施工过程的监测主要是监测整个结构施工体系的应力、变形或位移,如果在安装过程中结构或安装分块有移动,如滑移、提升、顶升,还需要监测结构移动时的同步性和作用力,如顶推力、提升力及其变化。此外,通常还要监测施工现场的风向、风速。

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罗永峰(左一)在郑州新郑国际机场二期扩建工程屋面观摩。 宋京平 摄

中国建设报记者:请您介绍一下对既有钢结构建筑进行检测、鉴定的重要性?

罗永峰:既有钢结构建筑是已投入使用或使用多年的建筑,钢结构建筑在使用过程中可能会出现荷载变化以及因异常天气作用、地震、火灾等事故造成的损伤或变形,包括表面涂层损坏或失效、钢材锈蚀、构件变形或裂缝、部分连接损坏或失效等问题。即使钢结构建筑在使用过程中未发生自然灾害或事故,长期使用后钢结构建筑的构件表面涂层也会出现老化、变质甚至脱落,这些损伤或变形将直接影响结构的正常使用、使用的安全性。

我们通过分析已发生的既有钢结构建筑或在役钢结构工程事故的原因获悉,多数事故的发生是由于结构的变形或损伤,使建筑结构的受力性态在使用过程中随着时间的增长而劣化导致。更有甚者,一些使用者从来不对结构进行定期或适时的检测、鉴定,根本不了解结构的安全性态会随着时间的变化而劣化,错过了对结构进行维护或加固的时机,从而导致工程事故的发生。

我认为,对既有钢结构建筑或在役钢结构工程进行定期的检测、鉴定和维护,是保障钢结构建筑安全使用的前提和必要条件,也是保障社会稳定与经济活动正常运行的技术措施之一。

需要强调的是,钢结构建筑的安全使用不仅依赖于设计时足够的安全系数,制作、安装时的质量保证,同时也依赖于使用过程中的检测、鉴定和维护,这三个环节的规范化保障,是对钢结构建筑在生命周期内的正常、安全使用的必要条件。

中国建设报记者:“轻、快、好、省”是您的导师、已故中国工程院院士沈祖炎教授对钢结构建筑特点最精炼的总结。您在理论与实践密切结合方面也有不少体会吧?

罗永峰:是的。长期以来,我们研究团队,包括沈院士负责的团队、同济大学教授李国强负责的团队、我负责的研究室团队参加过一些重大钢结构工程项目的设计预研究、施工过程模拟计算、施工过程监测等,如500米口径球面射电望远镜(FAST)工程的反射面结构系统、上海世界博览会场馆、国家大剧院大屋盖网壳结构、上海南站大屋盖结构、浦东机场航站楼等工程,在研究和实施过程中,我们遇到了很多课堂上或书本上学不到的理论和技术问题,通过分析和解决这些实际问题,为我们在教学、科研方面提供了丰富的资料。

通过工程实践,我在自己开设的“土木工程施工力学”研究生课程的授课时,无论是从理论方面还是实际应用方面,都能通过丰富且珍贵的数据资料,使课堂教学更生动、更具体、更易懂。此外,我在“网格结构非线性稳定分析”研究生课程、“空间结构”本科生课程授课时,均是通过我参与的实际工程,不仅形象、准确地解释书面理论的意义,还能说明如何应用并直观地将实际工程的照片、数据和技术资料展示出来,通俗易懂。

中国建设报记者:2010年12月15日,内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗赛马场西侧看台钢结构罩棚发生局部塌落并造成3000多万元的损失。尽管此事故已经过去快10年了,业内人士还会经常提起。请问,钢结构建筑在什么情况下会失稳?

罗永峰:一般来说,导致钢结构工程失稳有两种原因:一种是构件失稳,包括构件的整体失稳和板件局部失稳;另一种是结构整体失稳,包括结构的整体失去稳定和结构的某个或多个局部失去稳定。简单地说,当结构或构件承受的压力超过其临界荷载时,建筑就会失稳。

中国建设报记者:有什么方法可以规避建筑失稳。

罗永峰:目前,钢结构构件的稳定性计算理论方法已经很成熟,通常设计时按照现行国家标准设计就能够保证构件稳定。但是,结构整体稳定理论计算难度较大,如果计算模型不准确、荷载考虑不完全、计算方法不合适,设计计算结果就可能产生偏差,在后期使用时就可能导致结构失稳,这类事故是有先例的,如发生在1963年1月的罗马尼亚首都布加勒斯特穹顶的整体失稳事故。

当前,我国钢结构工程在施工过程中出现的事故,很多原因是由于施工时结构或构件失稳导致的,这主要是由于在施工过程的模拟计算时,没有特别注意计算施工状态的已安装结构部分和临时支承结构在荷载状态下的稳定性所致。在钢结构施工时,需要特别注意构件内力性质的变化,如原设计的拉杆在施工时变为压杆、原设计单一内力的构件在施工时额外增加其他内力分量以及施工时构件的内力状态与设计时差异很大等,这些变化都可能导致施工时构件或结构失稳。通常情况下,施工状态的结构体系、荷载工况均与结构设计时不同,因此,不能按照设计时的结构稳定性来判定施工时的结构稳定性,必须进行施工状态结构体系的稳定验算,否则,很容易造成施工时的结构失稳事故。

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罗永峰(前排左二)与毕业生在一起。 罗永峰 供图

中国建设报记者:请介绍一下您和您的团队。

罗永峰:我们研究室的工作主要以教学和科研为主,除我以外,我们团队还有谢强教授以及郭小农副教授、冯虹副教授、强旭红副教授。在教学方面,主要有本科生和研究生结构工程方向的课程,包括钢结构基本原理、建筑钢结构设计、结构概念分析等。在科研课题方面,一类是国家自然科学基金项目以及“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划、国家重点研发计划课题等;另一类是与国内外企业合作的研究项目。钢结构理论与施工技术研究室的主要研究方向包括:大跨度及空间钢结构的整体稳定性、大跨度及空间钢结构的地震反应分析方法和抗震设计方法、大型复杂钢结构施工技术、施工力学计算理论与施工监测技术等。此外,我们研究室也承担一些大型复杂钢结构工程项目的设计、施工过程分析、施工监测、既有钢结构工程检测与鉴定等工作。

通过多年研究与工程实践,我们研究室主编、参编了多本著作、标准,如《建筑钢结构施工力学原理》《建筑钢结构稳定理论与应用》《钢结构制作安装手册》《钢结构检测鉴定指南》等著作和《高耸与复杂钢结构检测与鉴定标准》《钢结构检测与鉴定技术规程》《空间格构结构工程质量检验及评定标准》《铝合金格构结构技术规程》等著作和国家、地方标准。


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