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1背景现状

　　随着工程技术的发展，社会物质文明的进步，我国城市化进程的加快，建筑结构的形式朝着更新、更复杂的方向发展。城市中的大跨度特殊结构的数量也在增加，由此带来的结构安全问题也越来越多地受到社会各界的关注。

　　大跨空间钢结构的特点主要体现在跨度大、强度高、自重轻、结构韧性塑性好等，因此空间钢结构广泛应用在各类场馆、展览中心、工业厂房等民用、工业建筑中。空间结构的优秀工作性能不仅仅表现在外观形式上，还表现在它们可以通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。但是由于外形的复杂也造成了结构受力的复杂，传力路径不明确。所以，很有必要对大跨结构的实际工作状况、受力状态进行智能监测，以保证结构在施工和使用过程中的安全。

 

2政策背景

　　2021年全民健身相关政策定义了新时期中国体育用品行业及全民健身场地设施建设的数字化、信息化、智能化、智慧化之路。

　　2023年为贯彻落实住房和城乡建设部关于智能建造试点城市建设工作要求，落实《市人民政府办公厅关于印发<武汉市智能建造试点城市建设实施方案>的通知》（武政办〔2023〕37号），大力发展智能建造。

 

3解决方案

　　大跨度空间结构监测的主要内容一方面是材料、节点、结构体系和施工技术，另一方面是健康监测技术及损伤识别等监测技术。为保证结构的施工和运行安全，现阶段我国制定了一系列与结构健康监测相关的规范。

3.1结构的健康监测系统与损伤识别 

（1）结构的健康监测系统

　　结构的健康监测系统主要由以下五个部分组成：用于将待测物理量转变为电信号或者光信号的传感器系统；采集传感器信号，并进行信号预处理的数据采集和处理系统；将采集并处理过的数据传输到监控中心的通讯系统；控制采集设备的运行，并实现数据双向交换的监控中心以及判断结构损伤发生的位置和程度，对结构健康状况做出评估的报警设备。

（2）结构损伤识别

　　结构损伤识别即是对结构进行检测与评估，以确定结构是否有损伤存在，进而判断损伤的位置和程度，以及结构当前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势等。损伤识别的输入数据是结构的各种实测响应，结构响应可以分为动力响应和静力响应两大类。

　　1.静力损伤识别采集的数据一般为结构的应力和应变，通常会得到精度较高且符合结构受力变化规律的数据曲线。

　　2.动力损伤识别

　　现阶段动力损伤识别主要有两种方法，一种是基于模态的损伤识别法，这种方法是通过测试结构振动模态的改变来分析结构的损伤，如基于固有频率的损伤识别法；基于能量变化的损伤识别方法；基于柔度变化的损伤识别方法等。这种方法的优点是能反映出结构损伤的空间信息，但多数研究是针对低阶振动模态的损伤识别。另一种是基于信号处理的损伤识别法，该方法在频率中具有较好的局部化能力，特别是对于那些频率成分比较简单的确定性信号。

3.2结构健康监测的内容及方法

（1）应力应变监测

　　强度是结构安全的主要指标，故应力应变监测为结构健康监测中应用最广泛，技术最成熟的监测方式。监测方法主要有以下三种：电阻应变测量法、振弦应变测量法和光纤光栅应变传感器测量法。电阻应变测量法：通过测量构件的电阻与变化电阻，通过计算得到该点的应变。振弦应变测量法：其工作原理是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。应力应变通常监测采用振弦式表面应变计，通过读数仪连接。光纤光栅应变传感器测量法：主要用于测量结构间的相对位移，该传感器的原理是通过温度传感器测出温度，计算出被测物所受的应变。

（2）结构位移监测

　　在施工过程中监测结构位移主要使用的仪器有全站仪、GPS和静力水准仪。其中全站仪具有能够同时测角、测距并自动记录测量数据的优点；GPS的优点主要体现在可以全球全天候定位、定位精确度高、观测时间短等；静力水准仪的优点主要有测量精度高、稳定性强、不受低温影响等。

（3）结构振动监测

　　结构振动监测系统主要是由传感器、数据采集和处理设备、通讯系统、监控系统等组成，见图1。在该系统中，传感器主要用于将待测物理量转变为电信号输出。数据采集和处理设备一般安装在监测结构上，负责采集传感器系统的数据并进行初步处理。通讯系统负责将采集的数据传输到监控中心。监控系统负责结构的监测，将这些信息进行最终处理并按照结构监测系统要求对结构的健康状况进行定期评估。

图1结构震动监测系统

 

（4）结构工作环境监测（温、湿、风速）

　　工程施工过程中常用的温度测试方式有热电式传感器（见图2）和光纤光栅式传感器。

　　热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。常用热电式传感器的敏感元件有：热电偶、热电阻。热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是一种把温度信号转换成热电动势信号的元件；热电阻是中低温区最常用的一种温度监测器（图3），其原理是利用了金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特质来进行温度测量的。

 

图2电热式传感器

   

 

图3 一体环境监测传感器，可监测风速风向温湿度气压雨量

　　光纤传感器是一种能够将被测对象转变为可测光信号的传感器。光纤传感器主要有灵敏度较高，适应性较强的优点，能够适用于处理各种不同的物理信息，具有其它传感器所不可替代的作用。空间结构的施工过程中还需要对风速风压进行监测，在大跨度结构的设计中，风荷载引起的响应在总荷载中也占有相当大的比重，甚至起着决定性的作用。

　　工程监测上常用的两种监测设备是机械式风速风向仪（见图3）和超声波风速风向仪（见图4）。机械式风速风向仪是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化。超声波风速风向仪区别传统的风速测量方法，通过超声波风速传感器的合理布置，可同时测得精确的风速和风向信息。

 

图3 机械式风速风向仪                               图4超声波风速风向仪

（5）索力监测

　　拉索是索结构中最主要的受力构件，索力稳定性对于索结构的安全起决定性作用，索结构的大力发展使得索力监测成为控制结构安全的必要手段。目前常用的索力监测方法有直接法（压力表测定法、传感器测定法和三点弯曲法）和间接法（频率测定法和磁弹效应测定法）。常用的监测仪器有振弦式锚索压力传感器（见图5）、振弦式表面应变计、索力动测仪以及磁通量传感器（见图6）。

 

图5振弦式锚索压力传感器                                   图6磁通量传感器

　　索力动测仪是基于斜拉索振动基频分析识别的索力测试仪器（如图7）。拉索振动信号是多谐振动信号组成的复合信号，频谱分析图中会出现多个峰值频率点，每个峰值点对应一个自振频率。磁通量传感器是基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成。传感器通过测量构件的磁导率变化，来测定构件受到的荷载大小，该方法可以有效地消除结构的非均匀性和温度的影响。

 

图7索力监测设备

（6）基础沉降和变形监测

　　工程上转角与变形的监测主要包括基础变形与沉降、支座的转动与偏移等。用到的仪器主要有倾角仪和倾斜计。倾斜计用来测量地面发生倾斜的程度。倾斜仪用于测量土石坝等水工建筑物的倾斜变化量。

 

4价值

　　大跨度结构智能化健康监测系统，通过监测系统对本体育场馆施工及运营期间的受力、变形进行长期监测，综合利用多项结构性能指标，对结构的功能性进行评价与预警；对施工、环境荷载的长期效益以及结构的病态进行综合性诊断；建立结构的健康档案，为工程正常施工与维护提供可靠依据。

 

5参考文献

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　　[2]沈世钊.大跨空间结构的发展— 回顾与展望[J].土木工程学报,1998,3:5-14.

　　[3]董石麟.中国空间结构的发展与展望[J].建筑结构学报,2010,31(6):38-51.

　　[4]张毅刚,薛素铎,杨庆山,等.大跨空间结构[M].北京:机械工业出版社.2005.

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　　[7]GB50017-2017钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2017

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　　[11]JGJ7-2010空间网格结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

　　[12]T/CECS529-2018大跨度桥梁结构健康监测系统预警阈值标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2018.

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