1背景現狀

　　隨著工程技術的發展，社會物質文明的進步，我國城市化進程的加快，建筑結構的形式朝著更新、更復雜的方向發展。城市中的大跨度特殊結構的數量也在增加，由此帶來的結構安全問題也越來越多地受到社會各界的關注。

　　大跨空間鋼結構的特點主要體現在跨度大、強度高、自重輕、結構韌性塑性好等，因此空間鋼結構廣泛應用在各類場館、展覽中心、工業廠房等民用、工業建筑中。空間結構的優秀工作性能不僅僅表現在外觀形式上，還表現在它們可以通過合理的曲面形體來有效抵抗外荷載的作用。但是由于外形的復雜也造成了結構受力的復雜，傳力路徑不明確。所以，很有必要對大跨結構的實際工作狀況、受力狀態進行智能監測，以保證結構在施工和使用過程中的安全。

 

2政策背景

　　2021年全民健身相關政策定義了新時期中國體育用品行業及全民健身場地設施建設的數字化、信息化、智能化、智慧化之路。

　　2023年為貫徹落實住房和城鄉建設部關于智能建造試點城市建設工作要求，落實《市人民政府辦公廳關于印發<武漢市智能建造試點城市建設實施方案>的通知》（武政辦〔2023〕37號），大力發展智能建造。

 

3解決方案

　　大跨度空間結構監測的主要內容一方面是材料、節點、結構體系和施工技術，另一方面是健康監測技術及損傷識別等監測技術。為保證結構的施工和運行安全，現階段我國制定了一系列與結構健康監測相關的規范。

3.1結構的健康監測系統與損傷識別 

（1）結構的健康監測系統

　　結構的健康監測系統主要由以下五個部分組成：用于將待測物理量轉變為電信號或者光信號的傳感器系統；采集傳感器信號，并進行信號預處理的數據采集和處理系統；將采集并處理過的數據傳輸到監控中心的通訊系統；控制采集設備的運行，并實現數據雙向交換的監控中心以及判斷結構損傷發生的位置和程度，對結構健康狀況做出評估的報警設備。

（2）結構損傷識別

　　結構損傷識別即是對結構進行檢測與評估，以確定結構是否有損傷存在，進而判斷損傷的位置和程度，以及結構當前的狀況、使用功能和結構損傷的變化趨勢等。損傷識別的輸入數據是結構的各種實測響應，結構響應可以分為動力響應和靜力響應兩大類。

　　1.靜力損傷識別采集的數據一般為結構的應力和應變，通常會得到精度較高且符合結構受力變化規律的數據曲線。

　　2.動力損傷識別

　　現階段動力損傷識別主要有兩種方法，一種是基于模態的損傷識別法，這種方法是通過測試結構振動模態的改變來分析結構的損傷，如基于固有頻率的損傷識別法；基于能量變化的損傷識別方法；基于柔度變化的損傷識別方法等。這種方法的優點是能反映出結構損傷的空間信息，但多數研究是針對低階振動模態的損傷識別。另一種是基于信號處理的損傷識別法，該方法在頻率中具有較好的局部化能力，特別是對于那些頻率成分比較簡單的確定性信號。

3.2結構健康監測的內容及方法

（1）應力應變監測

　　強度是結構安全的主要指標，故應力應變監測為結構健康監測中應用最廣泛，技術最成熟的監測方式。監測方法主要有以下三種：電阻應變測量法、振弦應變測量法和光纖光柵應變傳感器測量法。電阻應變測量法：通過測量構件的電阻與變化電阻，通過計算得到該點的應變。振弦應變測量法：其工作原理是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。應力應變通常監測采用振弦式表面應變計，通過讀數儀連接。光纖光柵應變傳感器測量法：主要用于測量結構間的相對位移，該傳感器的原理是通過溫度傳感器測出溫度，計算出被測物所受的應變。

（2）結構位移監測

　　在施工過程中監測結構位移主要使用的儀器有全站儀、GPS和靜力水準儀。其中全站儀具有能夠同時測角、測距并自動記錄測量數據的優點；GPS的優點主要體現在可以全球全天候定位、定位精確度高、觀測時間短等；靜力水準儀的優點主要有測量精度高、穩定性強、不受低溫影響等。

（3）結構振動監測

　　結構振動監測系統主要是由傳感器、數據采集和處理設備、通訊系統、監控系統等組成，見圖1。在該系統中，傳感器主要用于將待測物理量轉變為電信號輸出。數據采集和處理設備一般安裝在監測結構上，負責采集傳感器系統的數據并進行初步處理。通訊系統負責將采集的數據傳輸到監控中心。監控系統負責結構的監測，將這些信息進行最終處理并按照結構監測系統要求對結構的健康狀況進行定期評估。

圖1結構震動監測系統

 

（4）結構工作環境監測（溫、濕、風速）

　　工程施工過程中常用的溫度測試方式有熱電式傳感器（見圖2）和光纖光柵式傳感器。

　　熱電式傳感器是將溫度變化轉換為電量變化的裝置。常用熱電式傳感器的敏感元件有：熱電偶、熱電阻。熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是一種把溫度信號轉換成熱電動勢信號的元件；熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度監測器（圖3），其原理是利用了金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特質來進行溫度測量的。

 

圖2電熱式傳感器

   

 

圖3 一體環境監測傳感器，可監測風速風向溫濕度氣壓雨量

　　光纖傳感器是一種能夠將被測對象轉變為可測光信號的傳感器。光纖傳感器主要有靈敏度較高，適應性較強的優點，能夠適用于處理各種不同的物理信息，具有其它傳感器所不可替代的作用。空間結構的施工過程中還需要對風速風壓進行監測，在大跨度結構的設計中，風荷載引起的響應在總荷載中也占有相當大的比重，甚至起著決定性的作用。

　　工程監測上常用的兩種監測設備是機械式風速風向儀（見圖3）和超聲波風速風向儀（見圖4）。機械式風速風向儀是測試處于通電狀態下傳感器因風而冷卻時產生的電阻變化。超聲波風速風向儀區別傳統的風速測量方法，通過超聲波風速傳感器的合理布置，可同時測得精確的風速和風向信息。

 

圖3 機械式風速風向儀                               圖4超聲波風速風向儀

（5）索力監測

　　拉索是索結構中最主要的受力構件，索力穩定性對于索結構的安全起決定性作用，索結構的大力發展使得索力監測成為控制結構安全的必要手段。目前常用的索力監測方法有直接法（壓力表測定法、傳感器測定法和三點彎曲法）和間接法（頻率測定法和磁彈效應測定法）。常用的監測儀器有振弦式錨索壓力傳感器（見圖5）、振弦式表面應變計、索力動測儀以及磁通量傳感器（見圖6）。

 

圖5振弦式錨索壓力傳感器                                   圖6磁通量傳感器

　　索力動測儀是基于斜拉索振動基頻分析識別的索力測試儀器（如圖7）。拉索振動信號是多諧振動信號組成的復合信號，頻譜分析圖中會出現多個峰值頻率點，每個峰值點對應一個自振頻率。磁通量傳感器是基于鐵磁性材料的磁彈效應原理制成。傳感器通過測量構件的磁導率變化，來測定構件受到的荷載大小，該方法可以有效地消除結構的非均勻性和溫度的影響。

 

圖7索力監測設備

（6）基礎沉降和變形監測

　　工程上轉角與變形的監測主要包括基礎變形與沉降、支座的轉動與偏移等。用到的儀器主要有傾角儀和傾斜計。傾斜計用來測量地面發生傾斜的程度。傾斜儀用于測量土石壩等水工建筑物的傾斜變化量。

 

4價值

　　大跨度結構智能化健康監測系統，通過監測系統對本體育場館施工及運營期間的受力、變形進行長期監測，綜合利用多項結構性能指標，對結構的功能性進行評價與預警；對施工、環境荷載的長期效益以及結構的病態進行綜合性診斷；建立結構的健康檔案，為工程正常施工與維護提供可靠依據。

 

5參考文獻

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