1 绪论
1.1 选题的背景
近年来伴随着国家科技的进步，大跨度空间结构的运用也逐年增多。在当今社会的发展历程中，大跨度空间结构的发展也成为了衡量国家建筑科技水平的关键指标。这是由于它具有跨度大、质量轻、造型独特等众多优点，尤其在文化娱乐交流、体育场馆、展览馆等地方皆受到广泛的运用。再者因这种大型人流较多的公共场所有极高的社会和经济效益，能够让其安全运营并正常使用就具备其重要的意义[1]。
大型建筑结构在运营期间，难以避免的受到地震、大火、水灾、大风侵蚀和建筑用材的老化等自然因素以及设计、施工或运营期间的人为因素的影响而发生损坏，严重的发生倒塌事故。伴随着国家的发展和对外交流的需求，近几年来多地区都在建设各种大型博物馆、展览会场、体育馆等大跨度空间钢结构建筑，例如包头市奥体中心主体育场屋盖采用东西两个巨大的钢管桁架拱结构跨越体育场上空，其东西罩蓬跨度各为 280m、299m，同时，拱的主平面也是倾斜的（如图 1.1 所示）；2008 年奥运会中国家体育场"鸟巢"在单个杆件和整体结构都采用不规则的空间几何形态[2]；"水立方"游泳中心外观是一个简单的立方体结构，而其承重结构[3] 是由无数个多面体组合成的异型空间网架结构；相比迥异于传统高层建筑中央电视台新的办公大楼，两个向内倾斜的塔楼在顶部悬挑连接成整体,形成了一个不规则的封闭门式结构体系。这些在当地作为标志性建筑在建设时投入了大量的成本，其一旦发生破坏危害性极大。因而，如何针对建筑结构在运营期间或是受到意外破坏后的结构状态做出有效的判断，就具备十分重要的实际意义，这也就成为全世界范围内的热门性课题[4]。
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1.2 大跨度钢结构健康监测发展的研究现状
从 50 年代初世人们就已然明白对大型复杂工程建筑结构进行安全监测是十分重要的，因当时受到监测技术发展不均衡这一因素所影响，它在实际现场中的应用受到了一定程度的制约。随着时间的推移，人们也对结构参数和损伤理论的认识以及安全性可靠度的评估等知识内容的理解程度也在逐步加深，随之而来的便是各类传感器、软件系统、监测设备丰富和发展，现如今国民对大型复杂项目的监测与安全评估也变得越来越重视。
早期开始应用健康监测系统便是在大跨度桥梁结构上，时间过渡到 80 年代后期，这一系统在不同类型桥梁结构中才不断地完善和发展，当时便是用来检验工程施工质量以及结构运营的安全状态。
(1) 建成于 1981 年的日本明石海峡大桥，作为当前各国范围内跨度最大的悬索桥，其主跨为 1991 米，经过在桥上安装加速度计、位移计、风速计、地震仪、温度计等监测系统[11],来获取结构在强风和地震作用下相关参数的变化及具体数值，进一步确定桥梁在变温环境下的变形特征。(2) 建成于 1987 年的英国 Foyle 大桥，作为一个多跨变高度连续钢箱梁桥，其总长为 522 米，在桥上布设传感器[12]为的是监测主梁在车辆荷载和风荷载作用下的振动、挠度和应变响应,并伴随着结构温度场的测定。
(3) 建成于 1996 年的美国 Sunshine Skyway Bridge 大桥，将 500 多个传感器[13] 按照距离远近两种不同方式进行安装，主要为了获取大桥在不同使用阶段的振动、位移、应变等信息，通过分析采集到的数据得到结构以及工程材料随时间的变化情况。
(4) 1997 年建成的加拿大的 Confederatio Bridge 桥，作为建成在海上的预应力混凝土箱梁桥[14,15]，其全长为 1290 米。在当时世界各地任没有与之配套的规范标准的前提下，其采用一套切实可行的监测方案，研究桥梁的变形、低温状态下的温度应力、多种荷载和地震作用下的响应。监测运用到了加速度计、应变计以及热电偶等大量传感器。
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2 结构健康监测系统简述
2.1 健康监测的简单介绍
Honsner 等[37~40]将结构健康监测（Structural Health Monitoring 即 SHM）定义为：利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测结构损伤或退化的目的。健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息[41~45]。
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2.2 结构健康监测系统的构成
结构健康监测技术是融合了结构力学、材料传感、计算机通信和网络信号等众多学科的知识和技术的系统工程，其目标主要是发展一种最小人工干预的在线连续监测和检查损伤的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动报告结构状态。一个完善的健康监测系统框图如图 2.1 所示。
从系统构成看，结构健康监测系统主要包括传感器、数据采集与处理设备、通讯系统、监控中心，是一种在线的监测系统。从上图可知，检测部分主要是结构在外界激励（包括外荷载、重力作用和温度、地震等环境因素）作用下的内力、变形等响应被事先安装在结构构件上的各种传感器所捕获，并将所采集的各类原始数据传输到信号处理系统。经信号处理系统处理的数据再进入诊断，为后继的诊断部分和评估部分做充分的准备。
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3.1 结构模态分析的基本原理................................. 11
3.1.1 无阻尼体系的特征方程.................................. 11
3.1.2 多自由度体系主振型的正交性...............................12
4 结构变形监测及钢构件锈蚀的分析..............................33
4.1 结构变形监测方案.........................................33
4.1.1 钢罩蓬的变形监测测点布置...................................33
4.1.2 钢罩蓬的变形监测仪器和设备......................................34
5 结论与展望............................... 53
5.1 主要研究工作及结论...................................53
5.2 后续工作及展望........................53
4 结构变形监测及钢构件锈蚀的分析
4.1 结构变形监测方案
大跨钢结构在外荷载、温度等作用下的变形量是钢结构监测的一个重要参数和重要的安全性指标。因此，在体育馆钢罩蓬运营期间对其进行了变形监测是很有必要的。包头奥林匹克体育馆大跨度钢结构变形监测，采用了一台高精度的全站仪及若干反光片，完成了结构上一百多个关键点的空间位移监测工作。使用的方法灵活，监测精度较高，满足施工监测的要求。
钢罩蓬位移观测点位置如下图 4.3 所示，全站仪所布置的观测节点的位置，东主副桁架 20 个节点，西主副桁架 24 个节点，共计 44 个观测节点。
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5 结论与展望
5.1 主要研究工作及结论
随着复杂空间钢结构的大量使用，对大跨度复杂空间钢结构的健康监测以及安全性能的评估是很有必要的。本文对大跨度复杂空间钢桁架结构进行了相关的研究工作，并以包头市奥林匹克体育场的健康检测为研究对象，对运行阶段的振动测量和结构变形进行了监测，得到了一些有用的成果，在研究的过程中，得到以下主要结论：
（1）运用具有无序振动特性的白噪声对整体结构进行振动分析，来判断结构刚度，其中，运用去均值、消除趋势项、目视检验法这三种方法对样本数据的处理是合理有效的。最后得出东罩蓬的频率和刚度退化程度虽然较大，但仍然在可接受的范围内。西罩蓬频率和刚度退化在安全范围内，则不存在问题。这为接下来的结构变形和应力检测提供一份宏观方向上的判断依据。
（2）变形结果显示，西罩蓬钢结构整体随温度的变化而基本均匀变形，结构主体仍处在弹性范围以内。相比较而言，东罩蓬整体则变化并不均匀，局部节点已经丧失了部分的约束力。
（3）东、西罩蓬钢节点位移在水平方向上的变化趋势表明，东、西罩蓬在主拱部分都存在扭转的现象。其中，东、西罩蓬主拱不同温度状态下转角测量结果中提到二者皆在降温状态下都产生一定的扭转，这一测量结果验证了我们判断结果的合理性，也从侧面检验了结构变形测量数据与转角测量数据是真实有效的。同时，转角测量中测点东 5、东 7、西 3 迥异的扭转现象，也表明其周边支撑系统在多向复杂应力状态的作用下有松动产生。
（4）从结构表面的锈蚀程度来看，东罩蓬主体结构受损程度更大，尤其是柱脚附近各节点处受损更为严重。
参考文献（略）