体育场馆结构健康监测与评价

　摘要

伴随我国体育事业的蓬勃发展，各地兴建了大量体育场馆，使大跨钢结构获得了广泛的应用。大跨钢结构一般适用于大规模建筑工程，具有跨度大、环境复杂等特点，对于施工质量及工艺要求十分严格，但在大跨钢结构建筑的监测领域方面，仍然未形成完善的体系。就此本文结合体育场建筑做了这方面的研究，对当前结构健康检测技术和结构健康检测系统进行了回顾，并分析了结构病害和监测需求。结合文中图例，从杆件应力的角度来看，主桁架上四类弦杆的应力分布规律存在显著差异，拱顶区域的上弦杆的应力水平相对较高，主拱两端的区域内下弦杆的应力水平较高，并且在主拱上存在着整体性的弯矩作用。弯矩最大值出现在主拱两侧。此区域亦为出现结构病害的区域。本文对应变监测点和温度监测点的设置位置和确定依据都进行了说明；详细介绍了针对监测数据的处理和计算方法：包括对原始应变数据的中值滤波和叠加处理等。希望通过本文的分析和计算能够为后续的监测工作的展开和最终监测结论的得出提供更为全面的技术支持和科学的理论依据。

　关键词：大跨钢结构健康监测监测点设置应力分析

第1章绪论

　　1.1研究背景

社会和经济标准的提高导致了科学和技术研究、新的设计形式和设计技术的进步。钢结构可以设计成非常大的体积，整体重量比混凝土结构低，在内部空间和外观方面具有无可比拟的优势。科学和经济的进步正在不断发展新的钢结构形式和设计技术。分析设计理论和概念的发展正在提高大型钢结构的结构透明度和可扩展性，其中最常见的是管状空间形式，它甚至已经成为一种基本形式。新建筑不仅反映了当地城市的形象，也反映了国家和地区建筑技术的进步。建筑物的规模和复杂性相对较大，因此不能使用传统的建筑方法和承重结构，如梁和柱，而且建筑物建成后将有较长的寿命。完成的结构必须能够承受环境、外部负荷、人类活动和材料退化的不利影响。如果这些东西积累到一定程度，就会对结构造成严重损害，由于结构本身的规模和使用性质，事故的后果往往更加严重。

　1.2研究意义

合理有效地监督设施，无论是在其建设过程中还是在其运行过程中，从而防止对设施的损害或破坏，不仅可以极大地保护人员和财产（特别是人）的安全，而且还可以促进对设施安全的早期预防。为了确保这些重大公共工程在施工和运营期间的安全，保护人民生命财产，有必要对现有或未来工程的结构状况进行检查。由于中国正在建造越来越多的长截面钢结构，因此，从经济、科学和社会的角度研究长截面结构的状态监测是非常重要的。

　1.3结构健康监测技术概述

结构健康监测可分为两类：施工期间的监测和结构寿命期间的监测。

(1）施工期监测，顾名思义，就是在项目的初始施工阶段，对建筑物的关键点或装配体的几何或机械位置进行观察，并在项目的不同施工阶段收集这些装配体的物理性能信息，以便投资者了解建筑物的轴向力和运动信息，从而保证后续工程的安全。

（2）在役检查是指在结构投入使用后对其进行的检查。连续和长期的监测提供了结构的内部强度、变形、特征振动频率和其他使用寿命指标的指示。随着时间的推移，它提供了一系列的信息，以确定结构的可靠性和使用寿命，并识别潜在的故障。这是一个涉及传感器、信号传输、计算机控制、数学统计和其他学科的多学科领域。

监测钢结构状况的现代方法与目前的测试方法有很大不同。这不仅仅是对传统监测技术的改进，而是成为项目的一个组成部分的系统。在建筑的主要运行过程中，先进的传感设备和远程通信技术将被用来实时监测结构在不同环境条件和负载下的反应，信息系统的结果将被用来确定建筑的结构状况和可靠性。随着计算机和电子通讯的不断发展，监测系统的技术含量越来越高，高层建筑结构健康监测系统的研究已成为世界范围内的热门研究课题。

　第2章结构健康监测系统简述

　　2.1健康监测系统设计的基本原则

根据大型钢结构建筑物和构筑物的结构特点，开展健康监测工作应遵循以下几个原则：

(1）在监测设备和仪器的选择上，技术效率的目标不能是高、准、尖；高、好、普通。它们应根据被监测对象的特点，以达到数据的准确性和可靠性以及其他一般的调查要求，满足监测要求，实现监测目标，并考虑到成本效益原则。

(2）监测方法和形式的选择应考虑到不同地区的独特地理条件和项目本身的结构特点，试验设施的结构特点和规模，以及温度、降水和太阳辐射等自然场地条件等因素。

(3）如何选取监测点，从理论上讲，如果能在进入结构的每根柱子上安装一个传感器，估计就能通过这种方式收集到最详细的数据，但对于大多数实际工程来说这是不现实的，一方面是因为结构比较大，构件数量巨大；另一方面，在实际建筑的结构中，往往只需要观测结构中最重要的部分。另一方面，在真实的建筑中，往往需要只观察结构中最重要的部分，以便对结构的状况有一个更准确和详细的了解。因此，在选择观察点时，应选择结构元素和关键部件，使它们的位置能够提供描述整体阻力条件的有效测量点。

　2.2结构健康监测系统的组成部分

结构健康监测作为一种新的工具，在许多新的和现有的建筑中被越来越多地用于建筑检查和维护。其研究和开发活动涉及广泛的领域，包括材料力学、结构力学、传感器技术、计算机科学和信号传输。（1）主要由变形传感器、加速度传感器、位移传感器、温度传感器、风速传感器等组成的传感器系统。（2）数据接收和处理系统，该子系统通常由位于监测室的数据接收装置和用于数据存储、记录和处理的计算机组成，计算机。（3）报警和通信系统，如果监测系统通过局域网或互联网与外界连接，并被配置为向预定的电子邮件地址发送报警，该系统可以向外界发送报警。如果监测系统连接到互联网，它可以执行自动报警功能，因为它连接到互联网，所以工程师可以通过网络远程连接到监测系统，查看和复制监测数据。

监测结构状况的工作过程可分为三个部分：监测、分析和评估。监测部分：当结构受到重力、外部载荷、地震或机械振动、温度变化、强风、积雪等物理作用时，会发生变形、振动等。安装在结构关键点的传感器可以检测到这些结构反应，并将其发送到计算机，计算机使用有线或无线信号记录和分析数据，从而为进一步分析和诊断提供初步基础。这是进一步分析和诊断的初步基础。诊断部分：首先，项目设计需要构建一个精确的计算机模型，该模型必须反映结构的实际荷载条件，并允许在理论条件下获得结构的机械参数；其次，必须在实际检查中获得的检查数据的基础上进行数学和机械计算，以确定施工过程中或实际运行中的内部力和变形。通过结合计算机建模和测量数据，可以进行比较分析，以确定是否发生了损害和结构的实际状况。评估部分：一旦获得测量数据和计算机建模的计算结果，就要进行机械性能分析，以确定结构是否损坏或失效，评估结构的剩余强度和可靠性，确定结构是否能达到设计文件中规定的使用寿命，并对结构的未来维护和修理提出建议。

　2.3系统中的关键技术

　　2.3.1监测点位和传感器的布置

大屏幕结构的特点是大间距、复杂的内力传递模式和变形时复杂的内力再分配。因此，需要一个科学有效的、有针对性的传感器部署方案，利用有限的观测点更准确、更全面地确定结构内力的变化。在选择和安置测量点时，应考虑以下原则。

（1）经济性：考虑如何用最少的传感器和最短的光纤电缆来安装系统，以提供有效的信息和准确的结构状况图片。

（2）代表性：代表性：考虑到对称性原则，应该为每个结构区域选择有代表性的极点，传感器应该对称地放在指定的局部极点上，为数据分析提供合适的基础。

在确定监测目的时，首先应根据待监测结构的形状分析不同荷载对结构的影响，并选择待监测的最重荷载构件或关键部位；然后，应利用计算机算法优化模态校正、损伤检测等所需的附加传感器的配置。由于结构的不同形状、传感器的不同种类和要研究的不同结构特性，这一课题需要进一步发展，以形成一个共同的、实用的理论和优化方法。

（3）理论与经验相结合：除了根据经验评估的关键要素和节点外，应结合有限元建模分析的结果，提供可同时监测的相对敏感的局部区域。

　2.3.2无线数据传输技术

目前，最先进的无线局域网数据传输技术是GPRS、蓝牙、WIFI、ZigBee和4G移动数据，根据未来的应用方案和数据传输任务的特点，无线数据传输设备需要有比较长的传输距离（至少200米），能够连接多台机器（至少是多个传感器），同时保证网络连接有一定的可靠性。如果一个检测点设备在系统运行期间发生故障，不应影响其他设备的运行或数据的传输和存储；也不应严重影响其他电气设备（如供电系统）。

Zig Bee技术具有以下特点：

功耗低：在运行模式下，Zig Bee技术的传输速率很低，发送的数据量也很少，因此传输和接收时间很短，而在待机模式下，Zig Bee节点以睡眠模式运行。由于Zig Bee节点的工作时间短，在数据传输和接收过程中功耗低，以及使用睡眠模式，因此具有很高的能源效率。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都很短，这使该技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。

可靠的数据传输：为避免碰撞，MAC（媒体访问控制）层采用了talk-when-ready机制。在这种完全断言的传输机制中，每个发送的数据包都必须等待来自接收方的断言信息，并以断言信息作为回应；如果接收方没有回应断言信息，则发生了碰撞，数据包被送回。

网络容量大：低速、低功耗和短传输范围使ZigBee成为支持简单设备的理想选择。单个Zig Bee网络可以包含多达255个Zig Bee节点，一个网络协调器可以支持多达64,000个Zig Bee节点，整个网络节点非常多。

　　第3章结构病害分析和监测需求分析

以内蒙古自治区的包头奥林匹克体育中心为例，在2017年该体育场馆主建筑出现曲率异常的现象，病害所在的位置如图3-1所示：

图3-1主拱发生病害的区域平面图

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这样的情况在该项目完成时并没有出现，因此可以推测，头架弯曲的异常情况并不是建造时的设备缺陷，而是在其完成和调试若干年后出现的故障。当然，这有可能与设计的准确性和质量直接相关，例如，部件的焊接或加工缺陷导致某些点的负载不足和偏心压力，但这些假设无法通过外部观察来证实。

由于包头地处北方冬季寒冷，昼夜温差大，夏季辐射大，棒材的结构温度变化范围大，夏季高温和高辐射使棒材在高压下膨胀，导致焊缝变形和焊缝熔化损坏。冬季温度下降导致焊缝损坏（可能是裂纹）造成的杆件收缩，严重的伸长导致剥落和无法恢复的残余变形。

上图显示了以下两种模式：

（1）损坏在压力边缘，那里的弯矩很高。

（2）病变的位置相对于颅颈轴的对称性而言，是南北方向对称的。由于异常茎的特点是越来越不稳定，监测系统必须为两个目的服务：

（1）能够反映结构中主要结构构件的应力大小，并能直接识别过载构件。

（2）根据应力-应变定律确定带钢的内部轴向力和弯矩的大小和变化，以进一步进行带钢的稳定性计算。

第4章监测系统的组织构成

在运行过程中，舞台结构的可靠性主要受环境因素、结构的几何变形和结构的机械性能变化，以及运行过程中的振动响应和材料的自然老化的影响。振动响应是结构独特的动态特性，由随机的外部原因（如强风和地震）引起，当结构受损时，振动响应会随着结构刚度的降低而改变。体育场管理系统有五个要素。首先，传感器系统从外部收集可能反映设备在不同工作条件下的各种运行参数，并将其发送到负责监测和记录的计算机，通过数据收集和传输系统及时、准确、完整地记录数据，然后导出数据进行处理和分析，并根据分析结果决定设备是否存在病症。然后将数据导出进行处理和分析，以确定设施中是否存在疾病。这与日常检查和照片相结合，以提供一个完整的评估和分析。

图4-1健康监测系统的组织构成图

a4d8b91fc2e9124fa2039dcbaeae577e 　　第5章监测点设置

　　5.1应力应变监测点的设置

在桁架结构监测工作中，应考虑以下原则：（1）选择待监测的梁的结构的传输系统的基本组件。（2）选择待监测的梁的结构的基本组件。这些构件的失效将对梁的整体应力状态产生重大影响，并可能产生严重的后果，如梁的局部甚至整体倒塌。（3）将优先考虑结构应力大的敏感构件。（4）基于前两个原则，被监测的构件分布应尽可能均匀，以反映梁的整体应力状态，并为调整整体结构设计提供必要的信息。因此，我们决定将测量点放在主梁的两端。为了全面准确地了解主弯曲结构的强度和挠度，在每个观察点上，每个内、下、外弯曲腿选择三个项圈，每个项圈上连接三个张量。安装在每根木条上的三个张力计可以位于木条的同一平面内，木条上的三个观测平面共同构成一个观测截面。这种安排减少了应变数据的误差，因为多个应变片同时工作，并允许为每根被监测的接力棒建立一个跟踪平面，通过观察跟踪平面的变化特征来确定是否对接力棒施加了重大的’弯矩，然后用它来检查接力棒的稳定性。图6-1显示了杆件上的应变片的位置和每个被监测部件的位置。

图5-1应变片的粘贴方式和粘贴位置示意图

f6f44895828f4cce7c295643b1d0ef93 　　图5-2应变监测断面分布图

7df24a17e26760d2676641dbe0ef84d1 　　江苏东华DH3819无线电压测试系统被用于选择电压测试设备。该系统由一个数据记录器、一个数据传输控制器和控制软件组成。采集器由一个无线通信模块、传感器电源、放大器、A/D转换器、控制电路和锂电池组成。数据传输系统采用Zigbee通信协议，其特点是通信距离长（可达500米）、成本低、功耗低、网络节点容量大等。这大大增加了系统的灵活性和数据传输的可靠性。

为了完成血压计的安装，并确保质量和工人的安全，项目组聘请了熟练的工人，利用悬挂在头枕上的篮子来准备安装血压计的平台，因为头枕支架上的传感器点很高，很难从路边进入。位于主梁两端、低于建筑底层水平的梁被用来安装测力计。

由于张力计在自然条件下并不坚固，对恶劣天气条件的抵抗力也有限，因此必须对张力计进行适当的外部处理，以确保其在系统运行中的性能和准确性。应变片用松香石蜡密封，并在其外表面再涂上一层纱布和环氧树脂的保护层。这种处理方法确保应变片至少可以使用三年。

同时，数据记录器的内置锂电池只能提供8小时的工作时间，这将允许在监测的后期阶段进行更长的连续记录。出于这个原因，在安装了压力表和数据记录器后，该小组还在每个测量点为数据记录器安装了单独的电源线，以便为持续监测提供电源。

　5.2温度监测点的设置

初步观察表明，在同一时间，主要流域的不同点的温度是不一样的，而且温差很大。为了获得悬架不同部位在不同时间的’准确温度数据，确保后续应力计算的可靠结果，必须在梁内不同位置安装几个温度监测点。经过实地考察，在主框架的东端和西端安装了六个温度监测点，其位置如下图6-3所示：

图5-3温度监测点的位置示意图

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使用的热敏电阻是图6-3所示的温度记录器的NTC热敏电阻。温度测量范围为-30°C至70°C，分辨率为0,1。温度测量应在10秒内完成，仪器可设置为每10秒和每24小时记录一次数据。仪器可以通过USB线直接与电脑连接，进行设置和数据传输。该装置的防水和防尘等级达到IP67，可以在各种苛刻的环境中使用，其紧凑的尺寸使它可以很容易地安装在需要测量的地方。

　结语

自2008年我国成功举办第29届夏季奥林比克运动会后至今已有14年的时间，在这14年里我国体育事业蓬勃发展，全国各地兴建了一大批体育场馆和相关体育设施，极大的丰富了人民群众的文体生活。伴随体育场馆的建设大跨钢结构也得到了广泛应用，这些以大跨钢结构为主的建筑随着时间推移会出现各种健康问题，如老化锈蚀等，为维护好这些场馆建筑，就要时时做好监测工作。本文对此结合实例做了相关分析和探讨，文中的健康监测系统目前为单机运行，数据获取等目前还需要维护人员到现场操作，如未来能接入互联网则可实现远程操作，维护人员就可以随时监测体育场馆建筑情况，方便管理，同时监测获得的数据也可借助互联网实现批量处理、计算和结果导出，从而提高监测效率，扩大应用范围。

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　致谢

时光荏苒，我即将结束我的大学生活，迈向新的工作岗位。在我学习生活期间，老师们对我进行了无私的帮助和严格的教导，老师们以严谨的学风，广博的知识，热忱的态度赢得了广大学生的尊敬。在我论文创作完成期间，她给予我莫大的帮助与鼓励。

我还要向曾经传授我知识的老师等表达我真诚的谢意，正是在您们的言传身教下，我才得以成长、进步。我还要向在我生活上关心我的父母表示感谢，正是他们给予我物质与精神的支持，帮助我成长与进步。