1背景現(xiàn)狀

　　隨著工程技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)物質(zhì)文明的進(jìn)步，我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，建筑結(jié)構(gòu)的形式朝著更新、更復(fù)雜的方向發(fā)展。城市中的大跨度特殊結(jié)構(gòu)的數(shù)量也在增加，由此帶來的結(jié)構(gòu)安全問題也越來越多地受到社會(huì)各界的關(guān)注。

　　大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在跨度大、強(qiáng)度高、自重輕、結(jié)構(gòu)韌性塑性好等，因此空間鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在各類場(chǎng)館、展覽中心、工業(yè)廠房等民用、工業(yè)建筑中?？臻g結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀工作性能不僅僅表現(xiàn)在外觀形式上，還表現(xiàn)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(fù)雜也造成了結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜，傳力路徑不明確。所以，很有必要對(duì)大跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況、受力狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，以保證結(jié)構(gòu)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(guān)政策定義了新時(shí)期中國(guó)體育用品行業(yè)及全民健身場(chǎng)地設(shè)施建設(shè)的數(shù)字化、信息化、智能化、智慧化之路。

　　2023年為貫徹落實(shí)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于智能建造試點(diǎn)城市建設(shè)工作要求，落實(shí)《市人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)<武漢市智能建造試點(diǎn)城市建設(shè)實(shí)施方案>的通知》（武政辦〔2023〕37號(hào)），大力發(fā)展智能建造。

 

3解決方案

　　大跨度空間結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容一方面是材料、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系和施工技術(shù)，另一方面是健康監(jiān)測(cè)技術(shù)及損傷識(shí)別等監(jiān)測(cè)技術(shù)。為保證結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)行安全，現(xiàn)階段我國(guó)制定了一系列與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)的規(guī)范。

3.1結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別 

（1）結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下五個(gè)部分組成：用于將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者光信號(hào)的傳感器系統(tǒng)；采集傳感器信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的通訊系統(tǒng)；控制采集設(shè)備的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換的監(jiān)控中心以及判斷結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置和程度，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況做出評(píng)估的報(bào)警設(shè)備。

（2）結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

　　結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別即是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，以確定結(jié)構(gòu)是否有損傷存在，進(jìn)而判斷損傷的位置和程度，以及結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀況、使用功能和結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢(shì)等。損傷識(shí)別的輸入數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)的各種實(shí)測(cè)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)可以分為動(dòng)力響應(yīng)和靜力響應(yīng)兩大類。

　　1.靜力損傷識(shí)別采集的數(shù)據(jù)一般為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變，通常會(huì)得到精度較高且符合結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律的數(shù)據(jù)曲線。

　　2.動(dòng)力損傷識(shí)別

　　現(xiàn)階段動(dòng)力損傷識(shí)別主要有兩種方法，一種是基于模態(tài)的損傷識(shí)別法，這種方法是通過測(cè)試結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的改變來分析結(jié)構(gòu)的損傷，如基于固有頻率的損傷識(shí)別法；基于能量變化的損傷識(shí)別方法；基于柔度變化的損傷識(shí)別方法等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能反映出結(jié)構(gòu)損傷的空間信息，但多數(shù)研究是針對(duì)低階振動(dòng)模態(tài)的損傷識(shí)別。另一種是基于信號(hào)處理的損傷識(shí)別法，該方法在頻率中具有較好的局部化能力，特別是對(duì)于那些頻率成分比較簡(jiǎn)單的確定性信號(hào)。

3.2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容及方法

（1）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

　　強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)安全的主要指標(biāo)，故應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的監(jiān)測(cè)方式。監(jiān)測(cè)方法主要有以下三種：電阻應(yīng)變測(cè)量法、振弦應(yīng)變測(cè)量法和光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量法。電阻應(yīng)變測(cè)量法：通過測(cè)量構(gòu)件的電阻與變化電阻，通過計(jì)算得到該點(diǎn)的應(yīng)變。振弦應(yīng)變測(cè)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(yīng)力應(yīng)變通常監(jiān)測(cè)采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)，通過讀數(shù)儀連接。光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量法：主要用于測(cè)量結(jié)構(gòu)間的相對(duì)位移，該傳感器的原理是通過溫度傳感器測(cè)出溫度，計(jì)算出被測(cè)物所受的應(yīng)變。

（2）結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)

　　在施工過程中監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)位移主要使用的儀器有全站儀、GPS和靜力水準(zhǔn)儀。其中全站儀具有能夠同時(shí)測(cè)角、測(cè)距并自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)；GPS的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在可以全球全天候定位、定位精確度高、觀測(cè)時(shí)間短等；靜力水準(zhǔn)儀的優(yōu)點(diǎn)主要有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、不受低溫影響等。

（3）結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

　　結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備、通訊系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，見圖1。在該系統(tǒng)中，傳感器主要用于將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備一般安裝在監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上，負(fù)責(zé)采集傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，將這些信息進(jìn)行最終處理并按照結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行定期評(píng)估。

圖1結(jié)構(gòu)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

 

（4）結(jié)構(gòu)工作環(huán)境監(jiān)測(cè)（溫、濕、風(fēng)速）

　　工程施工過程中常用的溫度測(cè)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(zhuǎn)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(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，是一種把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的元件；熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度監(jiān)測(cè)器（圖3），其原理是利用了金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特質(zhì)來進(jìn)行溫度測(cè)量的。

 

圖2電熱式傳感器

   

 

圖3 一體環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，可監(jiān)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向溫濕度氣壓雨量

　　光纖傳感器是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光信號(hào)的傳感器。光纖傳感器主要有靈敏度較高，適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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?？臻g結(jié)構(gòu)的施工過程中還需要對(duì)風(fēng)速風(fēng)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載引起的響應(yīng)在總荷載中也占有相當(dāng)大的比重，甚至起著決定性的作用。

　　工程監(jiān)測(cè)上常用的兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備是機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀（見圖3）和超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀（見圖4）。機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀是測(cè)試處于通電狀態(tài)下傳感器因風(fēng)而冷卻時(shí)產(chǎn)生的電阻變化。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀區(qū)別傳統(tǒng)的風(fēng)速測(cè)量方法，通過超聲波風(fēng)速傳感器的合理布置，可同時(shí)測(cè)得精確的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

 

圖3 機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀                               圖4超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀

（5）索力監(jiān)測(cè)

　　拉索是索結(jié)構(gòu)中最主要的受力構(gòu)件，索力穩(wěn)定性對(duì)于索結(jié)構(gòu)的安全起決定性作用，索結(jié)構(gòu)的大力發(fā)展使得索力監(jiān)測(cè)成為控制結(jié)構(gòu)安全的必要手段。目前常用的索力監(jiān)測(cè)方法有直接法（壓力表測(cè)定法、傳感器測(cè)定法和三點(diǎn)彎曲法）和間接法（頻率測(cè)定法和磁彈效應(yīng)測(cè)定法）。常用的監(jiān)測(cè)儀器有振弦式錨索壓力傳感器（見圖5）、振弦式表面應(yīng)變計(jì)、索力動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)儀是基于斜拉索振動(dòng)基頻分析識(shí)別的索力測(cè)試儀器（如圖7）。拉索振動(dòng)信號(hào)是多諧振動(dòng)信號(hào)組成的復(fù)合信號(hào)，頻譜分析圖中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值頻率點(diǎn)，每個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)自振頻率。磁通量傳感器是基于鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理制成。傳感器通過測(cè)量構(gòu)件的磁導(dǎo)率變化，來測(cè)定構(gòu)件受到的荷載大小，該方法可以有效地消除結(jié)構(gòu)的非均勻性和溫度的影響。

 

圖7索力監(jiān)測(cè)設(shè)備

（6）基礎(chǔ)沉降和變形監(jiān)測(cè)

　　工程上轉(zhuǎn)角與變形的監(jiān)測(cè)主要包括基礎(chǔ)變形與沉降、支座的轉(zhuǎn)動(dòng)與偏移等。用到的儀器主要有傾角儀和傾斜計(jì)。傾斜計(jì)用來測(cè)量地面發(fā)生傾斜的程度。傾斜儀用于測(cè)量土石壩等水工建筑物的傾斜變化量。

 

4價(jià)值

　　大跨度結(jié)構(gòu)智能化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)本體育場(chǎng)館施工及運(yùn)營(yíng)期間的受力、變形進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，綜合利用多項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)的功能性進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)警；對(duì)施工、環(huán)境荷載的長(zhǎng)期效益以及結(jié)構(gòu)的病態(tài)進(jìn)行綜合性診斷；建立結(jié)構(gòu)的健康檔案，為工程正常施工與維護(hù)提供可靠依據(jù)。

 

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