大跨度空间结构健康监测.ppt

1、大跨度空间结构的健康监测,小组成员：高康杰 张艺枫 金哲宇 武璇 李星仪 彭康佑 高 铭 周江南 苏蓉 李安鑫,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,01 人员分工安排,目录 Contents,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,武璇 高康杰：大跨度空间结构的主要形式及特点,金哲宇 李安鑫：结构健康监测介绍、用途及适用范围,高铭 彭康佑：大跨度空间结构健康监测从设计到数据分析的过程及实例,周江南 张艺枫：大跨度空间结构健康监测系

2、统介绍,主讲：李安鑫,苏蓉 李星仪：结构健康监测技术的现状和未来发展方向,主讲：彭康佑,主讲：苏蓉,PPT制作：李安鑫 苏蓉,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,大跨度空间结构的主要形式及特点,大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构

3、、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。,结构健康监测介绍、用途及适用范围,当大型结构发生突发性损伤时，如果能够及时做出判断和警报，采取应急处理措施，可以防止损伤进一步发展和引发其它事故；对于长期在役的重要结构，如果能够定期对其累积损伤的程度做出正确评估，就可以充分掌握结构的工作状态，确保结构的安全。在此工程背景下，结构健康监测应运而生，并成为土木工程学科发展的一个重要领域。,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,大跨度空间结构主要形式,悬索结构,结构 定义,结

4、构应用,结构 特点,结构 形式,膜结构,薄壳结构,网壳 结构,网架结构,1.网架结构,由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。,1. 1网架结构的形式 (1)平面析架系组成的网架结构。主要有:两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式;(2 )四角锥体组成的网架结构。主要有:正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式;(3)三角锥组成的网架结构。主要有:三角锥网架、抽空三角锥网架(分I型和

5、型)、蜂窝形三角锥网架等型式;(4)六角锥体组成的网架结构。主要形式有:正六角锥网架。 1. 2网架结构的主要特点 空间工作，传力途径简捷;重量轻、刚度大、抗震性能好;施工安装简便;网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率;网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备;网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。,2.网壳结构,曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。,2. 1网壳结构的形式 主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。 2. 2网壳结构主要特点 兼

6、有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理;结构的刚度大、跨越能力大;可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制;安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好;造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。,3.悬索结构,悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束，钢绞线或钢缆绳等，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。,3. 1悬索结构形式 悬索结构按索的布置方向和层数分为:单向单层悬索结构;辐射式单层悬索结构;双向单层悬索结构;单向双层

7、预应力悬索结构;辐射式预应力悬索结构;双向双层预应力悬索结构;预应力索网结构等。 3. 2悬索结构的特点 悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度;悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面;由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。,4.薄膜结构,薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有

8、一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。,4. 1膜结构的主要形式 主要有空气支承膜结构;张拉式膜结构;骨架支承膜结构等形式。 4. 2膜结构主要特点 自重轻、跨度大;建筑造型自由丰富;施工方便;具有良好的经济性和较高的安全性;透光性和自结性好;耐久性较差。,5.薄壳结构,建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构(学术上把满足 tR120的壳体定义为薄壳)。,5. 1薄壳结构的形式 薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳;按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。 5. 2薄壳结构的特点 壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其

9、几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。 除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。比如点连接式玻璃幕墙支承结构能利用玻璃的透明特性追求建筑物内外空间的沟通和融合，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整个结构系统，使这种结构系统不仅起到支承作用，而且具有很强的结构表现功能;索穹顶结构则完全体现了美国建筑大师Fuller关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想，是由连续的拉索和不

10、连续的压杆组成的一种受力合理、结构效率极高的结构体系。,结构健康监测介绍、用途及适用范围,三、结构健康监测系统组成,二、结构健康监测概念,五、大跨度结构的健康监测内容：,四、结构健康监测的应用,一、结构健康监测系统的研究背景,一、结构健康监测系统的研究背景,土木工程结构在长期使用过程中会因各种自然及人为因素的作用而不可避免地发生损伤。 近年来，自然灾害对重要结构的损伤和破坏屡见不鲜，引起人们的密切关注。目前我国土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然折断、建筑骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。当大型结构发生突发性损伤时，如果能够及时做出判断和警报

11、，采取应急处理措施，可以防止损伤进一步发展和引发其它事故；对于长期在役的重要结构，如果能够定期对其累积损伤的程度做出正确评估，就可以充分掌握结构的工作状态，确保结构的安全。在此工程背景下，结构健康监测应运而生，并成为土木工程学科发展的一个重要领域。,二、结构健康监测概念,专业一点的解释：结构健康监测(Structure Health Monitoring，简称SHM)涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能

12、力继续实现设计功能。 通俗一点的解释：结构健康监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。 结构健康监测技术是一个多领域跨学科的综合性技术，它涉及土木工程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号分析、计算机技术、网络通讯通信技术、模式识别等多个研究方向。 其基本思想是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化，进而探测和评价结构的损伤；或者通过持续监测来发现结构的长期退化。

13、 有人将结构健康监测定义为“用最少的人力来实现对结构自动、连续的监测和观察。”结构健康监测可适用于所有种类的结构。 对于土木工程结构，SHM系统可监测结构在地震或者爆炸下的损伤，或者监测结构在周围环境以及人的活动下的长期损伤。这些信息可以为结构的安全评估提供重要参考，也可以用于结构的维护以及其剩余寿命的评估。,三、结构健康监测系统组成,结构健康监测系统主要由4个功能子系统组成并通过网络联系进行工作。这四个子系统是: （1）传感器系统:包括加速度计、风速风向仪、位移计、温度计、应变计、信号放大处理器及连接介面等，并将待测物理量转变为电信号； （2）信息采集与处理系统:包括信号采集器及相应的数据存

14、储设备等。安装于待测结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理； （3）信息通信与传输系统:包括网络操作系统平台、安全监测局域网、与因特网的连接等。将采集并处理过的数据传输到监控中心； （4）信息分析和监控系统:包括高性能计算机及分析软件。利用具备损伤诊断功能的软硬件分析相应数据，判断损伤的发生、位置和程度，对结构健康状况做出状态评估，若发现异常，发出报警信息。,四、结构健康监测的应用,随着健康监测技术的发展，越来越多的桥梁和大型结构使用了健康监测系统，对桥梁的安全运行起到了重要作用。 香港青马大桥设立的监测系统称之为“风和结构健康监测系统”，包括加速度计、应变计、位移传感器、水平传感器、风速计

15、、温度传感器、车速车载感应系统等各类传感器计774个和数据采集及处理系统。监测项目包括作用于桥梁上的外部作用及桥梁的响应，具体可分为风、地震、温度、车辆载荷、结构位移、标高、应变、应力及结构动力特性等。 此外，还有： 苏通长江公路大桥结构健康监测系统 南京长江第三大桥结构健康监测系统 滨州黄河公路大桥结构健康监测系统 东营黄河公路大桥结构健康监测系统 这些经典工程实例。,五、大跨度结构的健康监测内容：,主要是：外部荷载作用和结构反应两个方面 外部荷载作用主要为地面运动加速度和风环境及结构表面风压等，结构反应主要为结构应力、位移、振动加速度、表面温度、表面裂缝开展等。 鉴于大跨度结构的特点，风环

16、境级结构表面风压是大跨度结构外部荷载作用监测的重点，而结构应力监测包含钢结构表面应力、索拉力、膜面应力等。结构健康监测系统包括传感器系统、数据采集与收集系统、结构实时分析与预警系统等。,謝謝您的聆聽,下面有请彭康佑同学为大家带来第三部分,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,一、大跨度空间结构健康监测概述 二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体

17、育馆例来说明） 三、新的技术与研究：基于物联网与云计算技术的钢结构健康检测系统,大跨度空间结构健康监测从设计到数据分析的过程与实例展示,5、传感器元件简介,4、结构健康监测系统的构成,1、结构的监测方式,2、监测的结构参数,3、常规监测传感器和手段,5,4,3,2,1,一、大跨度空间结构健康监测概述,1、结构的监测方式,2、监测的结构参数,(1)人工监测:利用简单的仪器,定期用人工监测。这种方法简单,成本低。但费时,费力,监测的误差比较大。(2)自动监测:采用各类传感器及数据采集系统对结构进行在线实时监测,这种方法适用于对大型重要的结构进行监测,自动化程度高,准确性高,但成本较大。(3)联合监

18、测:将人工监测和自动监测结合起来,利用一些小型的自动化程度较高的监测设备,配合人工监测。这种方法适用于一般常规的结构,是目前比较常用的一种监测方法。,(1)位移。包括相对位移和绝对位移,动态位移和静态位移。(2)内力。如结构杆件和结构拉索的拉力等。(3)变形。包括静动应变和静动烧度等。(4)动力参数。包括加速度、速度等。(5)物理化学现象。如钢材锈烛、混凝土碱集料反应等。(6)外观和完整。如气蚀、裂缝、磨损及剥落等。(7)环境。如温度、风速、地震等。,3、常规监测传感器和手段,4、结构健康监测系统的构成,(1)位移。如位移计、倾斜仪、GPS、静力水准仪等。(2)内力。如压力环、磁弹性张力计、油

19、压计、剪力销等。(3)变形。如位移传感器、电阻应变仪、振弦应变仪、分布式光纤应变计等。(4)动力参数。如加速度计、速度计。(5)外观或完整率。如数字成像机、刻度放大镜、超声探测仪等。(6)环境。如温度计、风速计、地震仪,结构健康监测系统组成主要由传感器子系统、数据釆集子系统、数据处理与分析子系统、信息分析和监控预警子系统四个功能子系统通过不同接口的软件网络互联构成,并协同工作。,传感器子系统由用于结构长期监测的各类传感器组成,主要包括各种智能传感元件,通过各智能传感元件感知和采集各种环境或监测对象的信息,主要完成各种监测信号的拾取和转换。传感器作为监测系统的基本组成部分,在整个系统中起着举足轻

20、重的作用。根据不同的监测需要,主要有应变片、应变传感器、位移传感器、加速度传感器、速度传感器、温度传感器、风速风向仪、强震仪、摄像机等。传感器主要是将待测的物理量转变为电信号或光信号。,传感器子系统,5、传感器元件简介：,传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 （1）电阻应变计 通常习惯称之为电阻应变片,简称应变片或应变计。电阻应变计主要由敏感栅、覆盖层、基底及引出线所组成,敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间。这种应变计不仅适用于模型试验、同时也适应于室内试验,还可以在现场进行实际结构的测试,这些特点是其他传感器所不能比的。电阻应变计是一种高精度的用途广泛的

21、传感元件,它最基本的任务就是把结构构件表面的微变形量转变成为电信号,进而通过电缆输入到相关的仪器仪表中进行计算分析。电阻应变计的原理是利用了导体的电阻。敏感栅是电阻应变计的最主要组成部分,其可以看成为一根电阻丝,结构几何形状和材料性能的改变会引起栅丝的阻值变化。,5、传感器元件简介：,（2）光纤Bragg光栅(FBG)传感器 光纤Bragg光栅(FBG)传感器得到迅速发展,广泛应用于各种环境条件下的传感测量,特别是在土木工程领域中光纤光栅传感器的应用已成为热点。光纤不仅可以作为光波的传输媒质,而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场

22、、电场、位移等)的作用而间接或直接的发生变化,从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量(物理量、化学量、生物量),这就是光纤传感器的基本原理。 光纤光栅传感器特点： 光纤光栅传感器主要有以下一些主要优点: a.灵敏度高。随着波长及温度的改变,FBG的波长呈现良好的线性关系。 b.尺寸小,易掩埋，可以很容易埋入结构中而对结构没有影响; c.电绝缘且抗电磁干扰能力强; d.寿命长。经初步加速老化试验证明,暴露环境和退火条件下的光纤光栅,工作周期大于25年也没有明显的性能退化。 e.复用性好。,钢弦应变传感器的工作原理为:它是把构件表面或内部的应变转化为钢弦的工作频率变化而进行测量的。有两个支点固

23、定钢弦,在电流流通过电磁线圈所产生的短脉冲作用下,沿磁场方向发生振动。当支点间的距离发生改变时,钢弦的张力与振动频率也随之变化。钢弦应变计所承受的轴向应变与钢弦频率变化的平方成正比。频率信号经电缆传输至读数装置,即可测出被测结构物内部的应变量。,钢弦应变传感器主要有以下优点 a、结构简单可靠,安装方便 b、零点非常稳定,适宜长期观测 c、易于多点远传,便于数字化 d、易于解决防潮和防水问题,（3）钢弦应变传感器,静力水准仪是一种高精密液位测量系统,该系统适用于测量多点的相对沉降。在使用中,多个静力水准仪的容器用通液管联接,每一容器的液位由磁致伸缩式传感器测出,传感器的浮子位置随液位的变化而同步

24、变化,由此可测出各测点的液位变化量。在静力水准仪的系统中,所有各测点的垂直位移均是相对于其中的一点(又叫基准点)变化,该点的垂直位移是相对恒定的或者是可用其它方式准确确定,以便能精确计算出静力水准仪系统各测点的沉降变化量。静力水准仪有多种类型,包括:振弦式,电阻式,液位式等等。,（4）静力水准仪,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,（一）基本内容 1、方案设计原则 （1）在确定监测方法时,要根据当地地形、地质及监测环境,选择适当的监测方法,尽量采用联合监测方法,经济实用。 （2）在选择监测仪器时,不能片面追求精、高、多、大、全。应根据监测内容所需要的精度、

25、可靠度、牢固程度等要求统筹考虑,既要能满足监测要求,又要满足经济性原则。通常精度较高的仪器适于监测变形量较小的结构;对于柔性较大的结构,精度则需适当放宽。 （3）测点的布设理论上要在结构的每个杆件布置测点,才能得到结构比较完整的受力状态,但是这样是不经济的,大部分部位的内力变化较小,对结构的影响较小,故没必要全面的布置测点。所以要选择结构的关键打件和关键部位进行监测点布置。 （4）根据实际情况,定制几套不同的监测方案,有条件的话同一测点可用不同的监测方法进行校对。针对不同的监测方案,要进行方案的比较和验证工作,尽量做到监测工作在技术、经济、现场实施以及最后的监测数据上都做到安全可靠,特别要避免

26、单方面追求高精度、多参数,脱离实际需要的监测方案。2、监测内容 体育馆的施工阶段监测内容有:结构关键部位的应变监测、结构变形监测。运营阶段所监测的内容有:结构关键部位的应变监测、结构变形监测、结构振动监测、风速监测、温度监测。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,（二）监测方案 1、关键测点选择原则 为了准确测试关键构件及关键节点,本工程进行了体育馆结构的分析,根据分析结果,确定关键点的位置,并进行综合优化,重新布置测点及各项监测方案。体育馆应力应变测点选择原则:a、依据内力最大、应力最大原则,综合考虑结构受力分析结果进行选择。b、变形(位移)测点选择原则

27、:根据构件烧度最大原则选则。c、动力(加速度)测点选取原则:与位移测点确定原则一致。 2、施工阶段监测方案 （1）结构关键部位应力应变监测及测点布置。 结构应力监测的目的是通过监测结构在各种载荷作用下关键部位的内力,分析其是否满足结构构件的内力要求,从而为结构的损伤状态及寿命的评估提供依据。同时通过对其控制点上的应力和应变状态的变化来检查结构是否出现损坏或有潜在损坏的状态西宁海湖体育中心体育馆项目应力应变监测采用电阻式应变计、光纤光栅及钢弦应变传感器。所选择的应变传感器的测量精度、量程满足项目构件应力应变幅度的实际要求。为了研究体育馆刚屋盖在施工卸载阶段中心铸钢节点和球铰支座节点的受力状况,在

28、球较支座节点和中心铸钢上下节点的钢板和杆件上共布置30处测点,选择电阻式应变计进行临时性监测,数据采集釆用DH3816静态应变数据采集系统。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,体育馆的球铰支座节点的球铰支座与球相连的钢板共8块,每块上面布置一个测点,钢板上的应变片按逆时针横竖向交互布置,与球相连的9根杆件距离支座50公分左右各布置一个应变片测点。共17处测点,测点布置见下图。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,中心铸钢节点下弦共12根杆件，每隔两个杆件布置一个应变片测点；斜腹杆12根杆件，和下面腹杆相对应的杆件上布

29、置测点；中间竖向腹杆上布置一个测点，共9处测点。布置图如下。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,中心铸钢节点上弦共12根杆件，每隔两个杆件布置一个应变片测点。共4处测点，测点布置如下。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,体育馆钢屋盖关键杆件和部位应力应变监测釆用光纤光栅和钢弦传感器。选择了26个关键部位进行监测,其中布置光纤光栅传感器15个,监测钢结构关键打杆件件13处、支座下混凝土柱1处。布置钢弦传感器11个屋盖中心铸钢节点上下表面各1处,关键奸件共9处。其中钢弦传感器自带温度监测,在监测应力应变的同时可以监测杆

30、件温度值。在监测现场,按照上述布置方案安装了应力应变传感器。 （2）结构变形监测。 光电测距的方法采用可见光或红外光作为载波，通过测定光线在测线两端点间往返的传播时间，算出距离。主要是由安置在结构上的菱镜,配合与测量用的全站仪，从而形成光载波通信系统，全站仪是具有红外激光探测功能的，利用此功能对菱镜进行连续测试，通过测量每个菱镜与全站仪的相对角度和距离后，经过系统计算确定结构的外型及移动情况。 结构施工过程对测点的变形观测可得到三个方向的位移数据,重点是竖向位移,对其进行静态观测。根据卸载前后各测点的三维坐标差值可计算卸载前后的变形和移动情况。西宁海湖体育中心体育馆项目在卸载阶段采用高精度全站

31、仪的测量方法。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,3）运营阶段监测方案 A、应力应变监测 结构在运营阶段继续对卸载阶段所布点位进行连续监测,监测设备及仪器仍然用卸载阶段的应力应变监测系统。 B、结构位移监测 测点布置 运营阶段变形观测点位置如图右图,共3个测点。 监测仪器和设备 采用静力水准仪进行垂直位移监测。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,C、结构振动监测。 测点布置。 选取5个节点加速度振动观测点,测点位置如右图。振动监测设备及仪器 结构的整体性能改变时，其模态参数(如频率、振型等)也会发生相应的变化。通过

32、对结构的振动特性的连续监测，可以考察结构的疲劳响应，进而考察结构的安全可靠性。结构的动态响应往往与引起整体振动的强振源相联系，因此，通过对结构振动的监测，不仅可以识别结构的动态特性参数，还可以实现对结构承受波动载荷历程的记录。结构在运营阶段采用光纤光栅加速度传感器。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,D、结构风速监测。 风速监测测点的布置安置在体育馆屋顶上，测点数量为1个，体育场和体育馆共用一个测点。风速监测在结构使用过程中实施，本项目采用机械螺旋桨式风速仪。 E、温度监测设备及仪器 通过监测结构温度场的分布状况,就可为结构设计中温度影响的计算与分析提供

33、原始依据。在系统中各温度传感器以并联方式与网络节点连接,通过网络总线来实现与计算机进行通信,对其温度监测进行自动远程监测。采用外贴式温度传感器进行结构温度监测。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,（三）监测流程及计划 整个监测流程及计划如下:由关键部位的监测传感器测得的监测数据被采集到后，通过电缆和光缆将采集到的信号传送到釆集系统上，在监控室，由数据分析系统的计算机接收采集系统采集到的数据后开始进行动态分析。在结构的施工阶段及其使用阶段可以有效地对结构构件的内力变化及结构位移进行连续的实时在线动态监测。可以监测结构在动态响应下的内力重分布，同时也可以监测

34、结构在火灾、地震、超载等异常情况下内力和位移所发生的变化，且可根据历史数据的分析对现有结构的剩余寿命进行预测。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,（四）卸载过程中结构关键部位的监测 1、应力应变监测 空间结构构件的受力状态是衡量结构是否处于正常运行状态的一个重要指标，通过杆件受力监测，不仅能从总体上评估结构的安全性和耐久性，也能检测杆件挥接系统和支撑系统是否完好。从理论上讲,结构健康监测系统使用的传感器越多，结构特性的描述就越准确,实测结果也就越精确,但考虑到传感器、仪器及传输和接收设备等的费用，一般只能使用有限数量的传感器。西宁海湖体育中心体育馆工程卸

35、载阶段在关键节点即中心铸钢节点和球铰支座节点上使用电阻式应变片监测其应力变化,共设置30处测点。关键杆件上使用光纤光栅传感器和钢弦传感器,这两种传感器具有灵敏度高,结构简单,抗干扰性强等优点。,二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明）,2、位移监测 变形监测重点是竖向位移数据,对其进行静态观测。根据卸载前后各测点的三维坐标差值可计算卸载前后的变形和移动情况。本项目在卸载阶段采用高精度全站仪的测量方法。测点如下。,三、新的技术与研究：基于物联网与云计算技术的钢结构健康检测系统,创新特色：结构在长期监测与检测状况下加入物联网、云计算技术的智能化网络节点传输的应用开发

36、以及基于物联网和云计算技术的远程检测技术研究。,謝謝您的聆聽,下面有请苏蓉同学为大家带来第四部分,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,苏蓉 李星仪：结构健康监测技术的现状和未来发展方向,张艺枫 周江南：现在主流的监测系统,大跨度空间结构广泛应用在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼等，当前是我国基本建设的高潮时期,大跨度空间结构的数量和规模都是历史上前所未有，它外形独特、体系复杂,建造技术高难度,通常也是人员聚集、大

37、型活动的场所,其安全性尤为重要。,使用 NI LabVIEW(开发环境图形化编程语言) 图形化编程程式设计环 境，与 NI CompactRIO （工业级嵌入测试系统，嵌入实时控制器）硬件硬体平台，以设计高精确度的 SHM（建筑物结 构健康安全监测监控 Structural health monitoring）系统，并使用GPS精准定位实现同步数据采集与分析同步化作业，在建筑物的关键部分实施在线以监控建筑物的关键接点。,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,主流的检测系统：,1.SeismoCast 建筑监测方案。 特点： 1.可以捕捉建筑物的振动信号，并检测到结构特性所发生的

38、任何突发转变。无论是地质作用，还是人为因素。通过连续监测特征频率与阻尼比来诊断整体结构的特征。 2此方案提 供简单即用的安装、 多种I/O选择，工 程师可快速简便地重 新配置系统以满足系 统的变化要求，它的 远程网络监测功能可 以使得专家在不同地 点进行观察研究，加 上其高性能及低单位 成本等优势. 3.多信号实时同步采集（例如：加速度与倾角数据采集等）。 应用: 鸟巢与水立方的监测，也就是说适用于空间大跨度网架结构的测量，尤其是对振动要求严格的场所。,主流的检测系统：,2.利用传感器子系统，数据采集与传输子系统，监测数据管理子系统，数据分析处理子系统等对建筑的健康状态进行监测。 解释：在传感

39、器方面可以采用精确度较高的光纤光栅传感器，实现多数据的同步实时测量。,特点： 1.采用现场分布式的数据采集控制站，数据采集上实现了分散。 2.数据传输上采用环形网络，提高数据的可靠性。 3.数据处理和分析应该采用分散式，提高系统运行的可靠性。 4.采用方便维修的传感器布置。,主流的检测系统：,应用： 1悬索大跨度桥，斜拉大跨度桥 2浙江大学罗尧治教授等在网壳结构单元积累滑移法施工过程中运用光纤光栅技术进行监测； 3同济大学在中国航海博物馆的施工过程中利用EM传感器对其索力进行了监测； 4张纪刚和张同波在青岛体育中心游泳跳水馆的复杂大跨多曲面异形钢屋盖结构的卸载过程中利用振弦式应变传感器和静力水

40、准仪进行了监测； 5用于深圳市民中心屋顶空间网架结构的智能健康监测系统 传感器子系统和结构分析子系统组成了其结构健康监测系统。传感器子系统有用于测量结构应变反应的光纤传感器和应变片，有用于测量结构的位移及其加速度反应的加速度传感器及用于测量屋顶的风压分布的风速仪和风压计，即光纤传感器、应变片、加速度传感器、风速仪和风压计构成了其传感器子系统。基于结构实测反应的结构分析子系统可以用于屋顶结构的模型修正、损伤识别和安全评定。其中，传感器子系统是用来测量屋顶部分的风压及其反应，结构分析子系统是用来计算结构的反应并对其进行安全评定。它的数据库中存储着所有的监测信号，而其数据库通过局域网和Interne

41、t网实现远程传输。,具体工程应用监测手段：,监测荷载及结构的响应 系统一：光纤光栅测试协调测试系统：主要进行关键杆件和关键节点应力应变、温度、振动的长期健康监测。,具体工程应用监测手段：,系统二：钢弦仪应力测试及静力水准仪系统：钢弦测试系统主要进行关键杆件和关键节点应力应变、温度的长期健康监测； 静力水准仪系统主要是关键节点的长期挠度监测。 光纤光栅应变传感器具有精度高、敏感度高、可实现多通道连续动态同步采集的优点。 各自优点分别是监测的长期性及准确性各有所长，光纤光栅系统技术含量高，测量速度快，长期性好，钢弦测试系统及静力水准仪系统的准确性更高，且可实施无线传输系统，监控渠道更多。 系统三：

42、风、风荷载与风效应监测 为获得风速、风向和风攻角,采用了三维超声风速仪。等等 各类工程为满足不同的监测需要，不同监测量的获取常用的具体的监测手段有所不同。,具体工程应用监测手段：,系统四： 索力监测子系统 适用于索桁体系大跨度空间结构这类柔性空间结构 采用了磁通量法、索头处布设光纤光栅应变传感器法、频率法三种方式进行索力的联合监测。 磁通量法的优点在于： (1)通过非接触式测量解决传感器受力疲劳影响寿命问题； (2) 用模拟标定来实现运营状态的数据校准； (3)可以设计成哈弗式，直接在已受力的拉索上制作及安装，在不影响桥梁运营的前提下建立索力监测或更换损坏的传感器。 (4)可以实现体内预应力(

43、有粘结)多截面应力监测。 主要缺点是造价高，不宜大范围采用；测试结果精度受电磁干扰影响较大；且由于采用高 压充放电工作原理，采样频率很低，无法实现对结构的连续快速监测。,一、大跨度空间结构健康监测与其他结构监测的不同（背景）,大跨度空间结构大量采用钢材、膜材、高强钢束等新型材料。环境的侵蚀、材料的老化、地基的不均匀沉降和复杂荷载、疲劳效应等因素的耦合作用,将不可避免地导致结构系统的损伤积累和抗力衰减,极端情况下引发灾难性的突发事件。虽然空间结构属于超静定结构,但空间受力比较复杂,当结构关键部位发生破坏,结构可能会很快整体破坏。其自身大跨度、大面积分布以及钢材为主的建筑特征,明显区别于桥梁、大坝

44、、石油管道等线性分布的混凝土结构类为主的建筑。,二、发展过程与现状,1.结构健康监测技术最早起源于航空航天领域，最初的目的主要是进行结构的载荷监测。 2.在土木工程领域,结构健康监测在20世纪80年代提出,最初主要在桥梁健康监测方面发展得比较快。 3.从20世纪90年代中后期至今,世界各国的土木工程师针对建筑结构的健康监测开展了大量的研究。 4.国内大多数的建筑结构监测主要还局限于施工阶段。 5.大跨度空间结构由于起步较晚,故障预警与安全性评估技术才刚刚起步,而由于其自身大跨度、大面积分布以及钢材为主的建筑特征,明显区别于桥梁、大坝、石油管道等线性分布的混凝土结构类为主的建筑,这些结构的故障预

45、警与安全性评估技术不能直接用于大跨度空间结构中来。,1.结构损伤机制和损伤结构的动力模型研究,2.损伤预测研究,3.结构健康监测统一标准,1.结构健康监测系统的耐久性,2.数据处理技术,3.在线监测系统研究,4.传感器优化布置研究,5.发展基于多学科交叉的结构损伤检测技术,A,B,C,D,E,F,三、未来发展,(一)复杂环境下大跨度空间结构的破坏机理和安全性评价标准研究,(二)大跨度空间结构类型的监测技术手段研究,(一)、复杂环境下大跨度空间结构的破坏机理和安全性评价标准研究,1.结构损伤机制和损伤结构的动力模型研究 实际结构损伤数据总是不足和有限的,通过大量试验获得结构损伤标准案例昂贵且费时,因此为获得多样的结构损伤样例可通过建立损伤结构的动态模型进行数值仿真。实际上,怎样在结构损伤机制中引入结构动力模型将是研究的基础和前提。 2.损伤预测研究 通过评估当前系统的损伤状态,估计系统在可能的荷载环境下的剩余使用寿命量化 3.结构健康监测统一标准 近些年涌现和积累了许多损伤检测方法，但目前结构健康监测系统还缺乏统一的规程。对于特定的大型工程结构也缺乏相应的结构健康监测软件和硬件以实现实时损伤检测与监控。,(二)、大跨度空间结构类型的监测技术手段研究,1.结构健