大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估：理論、方法與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的飛速推進(jìn)以及建筑技術(shù)的不斷創(chuàng)新，大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中扮演著愈發(fā)關(guān)鍵的角色。這類結(jié)構(gòu)憑借其卓越的力學(xué)性能、獨(dú)特的建筑造型以及對(duì)大空間的高效利用能力，廣泛應(yīng)用于體育館、展覽館、航站樓等城市地標(biāo)性建筑，成為彰顯城市形象與實(shí)力的重要標(biāo)志。從力學(xué)性能來看，大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)受力合理，桿件主要承受軸向力，能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度特性，在滿足大跨度空間需求的同時(shí)，有效減少材料用量，降低結(jié)構(gòu)自重。在一些大型體育場(chǎng)館中，采用該結(jié)構(gòu)后，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，鋼材用量可節(jié)省10%-20%左右，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。在建筑空間利用方面，它可形成開闊無柱的大空間，為各類活動(dòng)提供了靈活的空間布局，也為觀眾帶來更好的觀賽或參觀體驗(yàn)。其造型豐富多樣，能滿足現(xiàn)代建筑對(duì)美觀性和藝術(shù)性的追求，如悉尼歌劇院的獨(dú)特造型，成為了城市的標(biāo)志性景觀。然而，大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和高技術(shù)含量，使其安全和健康監(jiān)測(cè)成為至關(guān)重要的問題。一方面，結(jié)構(gòu)在服役期間不可避免地受到材料老化、環(huán)境侵蝕、隨機(jī)荷載等因素的影響，隨著時(shí)間的推移，這些因素可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。如長(zhǎng)期的風(fēng)荷載作用可能使桿件連接處出現(xiàn)松動(dòng)，濕度變化可能引發(fā)鋼材銹蝕，進(jìn)而削弱結(jié)構(gòu)的承載能力。另一方面，此類結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞，往往會(huì)造成災(zāi)難性事故，不僅嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面社會(huì)影響。2003年美國(guó)明尼蘇達(dá)州一座跨河大橋突然坍塌，造成13人死亡、145人受傷，經(jīng)濟(jì)損失巨大，社會(huì)影響惡劣。因此，對(duì)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。通過實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的健康監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)捕捉結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，如應(yīng)力應(yīng)變的異常波動(dòng)、變形的超出預(yù)期等，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù)提供及時(shí)準(zhǔn)確的依據(jù)。而科學(xué)全面的安全評(píng)估則能深入分析結(jié)構(gòu)的整體性能和潛在風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余壽命，為結(jié)構(gòu)的管理和決策提供科學(xué)指導(dǎo)。這不僅有助于保障結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，還能有效降低維護(hù)成本，提高建筑設(shè)施的可持續(xù)性，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程人員已開展了大量富有成效的研究工作。國(guó)外在該領(lǐng)域起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的技術(shù)。在監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，美國(guó)、日本等國(guó)家率先將先進(jìn)的傳感器技術(shù)應(yīng)用于大跨空間結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。例如，美國(guó)在一些大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，采用高精度的光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。這些傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。日本則在地震頻發(fā)的背景下，著重研究結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過布置大量的加速度傳感器，對(duì)管桁架拱結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在安全評(píng)估理論與方法上，國(guó)外學(xué)者提出了多種先進(jìn)的評(píng)估模型。如基于可靠度理論的評(píng)估方法，通過考慮結(jié)構(gòu)材料性能、幾何尺寸、荷載等因素的不確定性，計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全水平。還有基于機(jī)器學(xué)習(xí)的評(píng)估方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法，對(duì)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，建立結(jié)構(gòu)性能與監(jiān)測(cè)參數(shù)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的智能評(píng)估。在某大型展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，運(yùn)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的變形和應(yīng)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理提供了科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)對(duì)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估的研究近年來也取得了顯著進(jìn)展。隨著國(guó)內(nèi)大型體育場(chǎng)館、展覽館等建筑的大量興建，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高校積極投入研究，結(jié)合工程實(shí)際，在監(jiān)測(cè)技術(shù)和評(píng)估方法上不斷創(chuàng)新。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成方面，國(guó)內(nèi)研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理等多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在一些大型體育場(chǎng)館的應(yīng)用中，該系統(tǒng)能夠及時(shí)捕捉結(jié)構(gòu)的微小變化，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給管理人員，為結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供了有力保障。在評(píng)估方法創(chuàng)新上，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了多種適用于大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的評(píng)估指標(biāo)和方法。如基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的評(píng)估方法，通過分析結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型等參數(shù)的變化，判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的位置和程度。還有基于結(jié)構(gòu)整體性的評(píng)估方法，綜合考慮結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、變形協(xié)調(diào)等因素，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性能進(jìn)行評(píng)估。在某大型航站樓的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，采用基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的方法，成功識(shí)別出結(jié)構(gòu)中存在的潛在損傷部位，為結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)。盡管國(guó)內(nèi)外在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估方面取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)在傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性方面仍有待提高，部分傳感器在復(fù)雜環(huán)境下易出現(xiàn)故障或測(cè)量誤差增大的問題。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析方面，雖然已經(jīng)發(fā)展了多種方法，但如何從海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取有用信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的快速、準(zhǔn)確評(píng)估，仍是一個(gè)亟待解決的難題。此外，目前的安全評(píng)估方法大多基于確定性模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的不確定性因素考慮不夠全面，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的可靠性存在一定局限性。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究將圍繞大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估展開，旨在構(gòu)建全面、高效的監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系，為結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供有力保障。具體研究?jī)?nèi)容如下：健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建：依據(jù)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和受力特性，綜合考慮結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和易損區(qū)域，進(jìn)行傳感器的優(yōu)化布置。采用先進(jìn)的光纖光柵傳感器、應(yīng)變片、位移傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。構(gòu)建穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。開發(fā)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與分析軟件，運(yùn)用濾波、降噪、特征提取等技術(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，提取反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的有效信息。結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立與驗(yàn)證：運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等理論知識(shí)，結(jié)合有限元分析方法，建立大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的精細(xì)化力學(xué)模型。在建模過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及邊界條件的復(fù)雜性，確保模型能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。通過與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)建立的力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的安全評(píng)估提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。安全評(píng)估方法的研究與應(yīng)用：深入研究基于可靠性理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等的安全評(píng)估方法，結(jié)合大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立適用于該類結(jié)構(gòu)的綜合安全評(píng)估指標(biāo)體系。綜合考慮結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)、抗力退化、損傷累積等因素，運(yùn)用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)估，確定結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)?；谠u(píng)估結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余壽命，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)、加固和改造提供科學(xué)依據(jù)。案例分析與工程應(yīng)用：選取具有代表性的大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，如某大型體育館、展覽館等，將建立的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全評(píng)估方法應(yīng)用于實(shí)際工程中。對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，分析結(jié)構(gòu)在不同工況下的健康狀態(tài)和安全性能，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和評(píng)估方法的有效性和實(shí)用性。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和評(píng)估方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高其工程應(yīng)用價(jià)值。在研究方法上，本研究將綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和案例研究等多種方法。理論分析方面，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)等基礎(chǔ)理論，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)公式，分析結(jié)構(gòu)的受力特性和破壞機(jī)理。數(shù)值模擬方面，利用大型通用有限元軟件ANSYS、ABAQUS等，建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，模擬結(jié)構(gòu)在不同荷載工況和損傷狀態(tài)下的力學(xué)行為，為理論分析提供補(bǔ)充和驗(yàn)證。案例研究方面，通過對(duì)實(shí)際工程案例的監(jiān)測(cè)和分析，深入了解大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)和性能變化規(guī)律，檢驗(yàn)研究成果的可行性和有效性，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。二、大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)概述2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)是一種極具特色的建筑結(jié)構(gòu)形式，融合了桁架與拱的結(jié)構(gòu)特性，展現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能和獨(dú)特的空間表現(xiàn)力。從受力特點(diǎn)來看，管桁架拱結(jié)構(gòu)巧妙地將整體受彎轉(zhuǎn)化為局部構(gòu)件的受壓或受拉。在豎向荷載作用下，上弦桿主要承受壓力，下弦桿主要承受拉力，腹桿則起到傳遞力和維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。以某大型體育館的管桁架拱屋蓋為例，在滿負(fù)荷觀眾及設(shè)備荷載作用下，通過有限元分析可知，上弦桿最大壓應(yīng)力達(dá)到120MPa，下弦桿最大拉應(yīng)力為100MPa，而腹桿的應(yīng)力分布則根據(jù)其位置和受力方向有所不同，靠近拱腳處的腹桿應(yīng)力較大，主要承擔(dān)剪力傳遞。這種受力方式充分發(fā)揮了材料的強(qiáng)度特性，相比傳統(tǒng)梁式結(jié)構(gòu)，在滿足相同跨度和荷載要求時(shí)，可有效減少材料用量，降低結(jié)構(gòu)自重，提高經(jīng)濟(jì)效益。在結(jié)構(gòu)形式上，大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)通常采用空間三角形或梯形布置，形成穩(wěn)定的幾何形狀。空間三角形布置使結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上都具有較好的剛度和穩(wěn)定性，能夠有效抵抗水平和豎向荷載。梯形布置則在滿足一定空間需求的同時(shí)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的受力性能，使桿件的內(nèi)力分布更加均勻。這些結(jié)構(gòu)形式還可根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行多樣化組合和變形，創(chuàng)造出豐富獨(dú)特的建筑造型。例如，國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”的大跨度空間管桁架拱結(jié)構(gòu)，通過獨(dú)特的編織式網(wǎng)格布局，不僅實(shí)現(xiàn)了超大跨度的空間覆蓋，還展現(xiàn)出震撼的視覺效果，成為建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)力學(xué)完美結(jié)合的典范。大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)憑借其出色的性能和獨(dú)特的造型，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在展館領(lǐng)域，如上海世博會(huì)的眾多場(chǎng)館，大量采用管桁架拱結(jié)構(gòu)作為屋面和主體支撐體系。這些結(jié)構(gòu)為展館提供了開闊無柱的展覽空間，滿足了展品展示和人員流動(dòng)的需求，同時(shí)其獨(dú)特的造型也成為吸引參觀者的亮點(diǎn)。在體育館方面，許多大型體育賽事的舉辦場(chǎng)館都選用管桁架拱結(jié)構(gòu)。以北京冬奧會(huì)的部分場(chǎng)館為例，該結(jié)構(gòu)不僅為觀眾提供了良好的觀賽視野，還具備較強(qiáng)的抗震性能，能夠在復(fù)雜的環(huán)境條件下保障場(chǎng)館的安全穩(wěn)定。在航站樓領(lǐng)域，像北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的航站樓，大跨度管桁架拱結(jié)構(gòu)支撐起巨大的屋蓋，實(shí)現(xiàn)了寬敞明亮的候機(jī)空間，其高效的空間利用和美觀的造型，提升了機(jī)場(chǎng)的整體形象和運(yùn)營(yíng)效率。2.2常見病害及監(jiān)測(cè)重點(diǎn)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過程中，由于受到多種復(fù)雜因素的影響，容易出現(xiàn)各類病害，威脅結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。桿件裂縫是較為常見的病害之一。長(zhǎng)期的荷載作用，尤其是反復(fù)的動(dòng)荷載，如體育館中頻繁舉辦的大型活動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)荷載，會(huì)使桿件承受交變應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過材料的疲勞極限時(shí)，就可能引發(fā)裂縫。在一些使用年限較長(zhǎng)的體育館管桁架拱結(jié)構(gòu)中，通過無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分腹桿在焊縫附近出現(xiàn)了疲勞裂縫，長(zhǎng)度可達(dá)5-10厘米。環(huán)境因素也是導(dǎo)致桿件裂縫的重要原因，例如，在濕度較大的環(huán)境中，鋼材容易發(fā)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹會(huì)在桿件內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而促使裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。節(jié)點(diǎn)松動(dòng)同樣不容忽視。節(jié)點(diǎn)作為管桁架拱結(jié)構(gòu)中桿件連接的關(guān)鍵部位，承受著復(fù)雜的內(nèi)力。在結(jié)構(gòu)的使用過程中，由于溫度變化、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等原因，節(jié)點(diǎn)處的螺栓可能會(huì)逐漸松動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的連接剛度下降。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過定期檢查發(fā)現(xiàn)，部分節(jié)點(diǎn)的螺栓扭矩明顯減小，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了輕微的位移，這表明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。如果不及時(shí)處理，隨著時(shí)間的推移，節(jié)點(diǎn)松動(dòng)會(huì)進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。此外，結(jié)構(gòu)變形也是大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)常見的病害。不均勻沉降是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的主要原因之一，當(dāng)?shù)鼗幚聿划?dāng)或受到周邊施工的影響時(shí)，基礎(chǔ)可能會(huì)發(fā)生不均勻沉降，從而使管桁架拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜或彎曲變形。在某航站樓的建設(shè)過程中，由于地基局部土質(zhì)松軟，在結(jié)構(gòu)施工完成后，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域的管桁架拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的沉降變形，最大沉降量達(dá)到了50毫米，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的正常使用。針對(duì)這些常見病害，明確監(jiān)測(cè)重點(diǎn)至關(guān)重要。關(guān)鍵受力桿件是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位之一，如拱腳處的弦桿和腹桿，這些桿件在結(jié)構(gòu)中承受著較大的內(nèi)力，一旦出現(xiàn)病害，將對(duì)結(jié)構(gòu)的整體承載能力產(chǎn)生重大影響。通過在這些關(guān)鍵受力桿件上布置應(yīng)變片和位移傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力應(yīng)變和變形情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常變化。節(jié)點(diǎn)部位也是監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵所在，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位移、螺栓的松動(dòng)情況以及節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布?？刹捎酶呔鹊奈灰苽鞲衅鞅O(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位移變化，利用超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)螺栓的松動(dòng)程度，通過在節(jié)點(diǎn)處粘貼應(yīng)變片來監(jiān)測(cè)應(yīng)力分布。結(jié)構(gòu)的整體變形也是監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)的豎向位移、水平位移和傾斜度。通過布置全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體變形進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。三、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建3.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成與原理大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜且精密的體系，主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)以及數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等部分協(xié)同組成，各部分緊密配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“感知末梢”，承擔(dān)著獲取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵物理參數(shù)的重要職責(zé)。在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)中，常用的傳感器類型豐富多樣。光纖光柵傳感器憑借其抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等突出優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，通過在關(guān)鍵弦桿和腹桿上布置光纖光柵應(yīng)變傳感器，能夠精確測(cè)量桿件在不同荷載工況下的應(yīng)變變化，測(cè)量精度可達(dá)微應(yīng)變級(jí)別。位移傳感器則用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的位移情況，包括線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）位移傳感器和激光位移傳感器等。LVDT位移傳感器通過鐵芯在差動(dòng)變壓器中的位移變化引起輸出電壓的改變，從而測(cè)量結(jié)構(gòu)的線性位移，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)；激光位移傳感器利用激光測(cè)距原理，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)量，適用于對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高的場(chǎng)合。加速度傳感器用于捕捉結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析提供數(shù)據(jù)支持，常見的有壓電式加速度傳感器，其基于壓電效應(yīng)，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這些傳感器依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)合理的布置。在關(guān)鍵受力桿件上，如拱腳處的弦桿和腹桿，以及節(jié)點(diǎn)部位，密集布置傳感器，以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)這些部位的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化。在結(jié)構(gòu)的主要支撐點(diǎn)和跨中位置，也會(huì)布置相應(yīng)的傳感器，以全面掌握結(jié)構(gòu)的整體變形情況。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，通過有限元分析確定了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力區(qū)域和易損部位，然后在這些部位布置了光纖光柵應(yīng)變傳感器和位移傳感器，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的不同位置布置了加速度傳感器，形成了一個(gè)全方位、多層次的傳感器網(wǎng)絡(luò)，確保能夠準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的各種物理參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是連接傳感器與后續(xù)處理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵橋梁，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的原始信號(hào)進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換和初步處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常包含信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和時(shí)鐘同步裝置等組件。信號(hào)調(diào)理模塊的作用是對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，以提高信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。對(duì)于應(yīng)變傳感器輸出的微弱電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大，使其達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡能夠準(zhǔn)確識(shí)別的范圍；同時(shí)，通過濾波處理去除信號(hào)中的噪聲干擾，確保采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。數(shù)據(jù)采集卡則將經(jīng)過調(diào)理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。它具有高速采集、高精度轉(zhuǎn)換和多通道同步采集等功能，能夠滿足大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中對(duì)大量數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確采集的需求。時(shí)鐘同步裝置用于保證各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集的時(shí)間一致性，這對(duì)于分析結(jié)構(gòu)在不同工況下的響應(yīng)至關(guān)重要。在多傳感器協(xié)同監(jiān)測(cè)的情況下，若數(shù)據(jù)采集時(shí)間不同步，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，無法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。通過時(shí)鐘同步裝置，如GPS同步時(shí)鐘，能夠使所有傳感器在同一時(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確保采集數(shù)據(jù)的時(shí)間準(zhǔn)確性和一致性。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的核心樞紐，借助先進(jìn)的通信技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，使管理人員能夠隨時(shí)隨地對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。通信技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，常見的有有線通信和無線通信兩種方式。有線通信方式如以太網(wǎng)，具有傳輸速率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于距離較短、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。在一些場(chǎng)館內(nèi)部，通過鋪設(shè)以太網(wǎng)電纜，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。無線通信方式則包括Wi-Fi、4G/5G等，具有安裝便捷、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸需求。對(duì)于一些臨時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目或結(jié)構(gòu)位置較為偏遠(yuǎn)的情況，采用4G/5G無線通信模塊，將采集到的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通常具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、預(yù)警功能和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能以直觀的圖表、曲線等形式展示結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等，使管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。預(yù)警功能則根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超出正常范圍時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員采取相應(yīng)措施。在某體育館的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移超過設(shè)定的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出聲光警報(bào)，并通過短信通知相關(guān)管理人員，以便及時(shí)進(jìn)行檢查和處理。歷史數(shù)據(jù)查詢功能允許管理人員查詢過去一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)部分是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“智慧大腦”和“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”，負(fù)責(zé)對(duì)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、分析和長(zhǎng)期存儲(chǔ)，為結(jié)構(gòu)的健康評(píng)估和決策提供有力依據(jù)。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)運(yùn)用一系列先進(jìn)的算法和技術(shù)，對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、降噪、特征提取等處理，以去除數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，提取能夠反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的有效特征信息。在對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，采用小波變換等濾波算法，去除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲和干擾信號(hào)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量；通過特征提取算法，如峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)等，提取振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)，用于判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的程度。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則采用可靠的存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性和可訪問性。常見的存儲(chǔ)設(shè)備包括硬盤陣列、固態(tài)硬盤等，能夠提供大容量、高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)如MySQL、Oracle等，用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理和查詢，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中，還會(huì)采用數(shù)據(jù)備份和冗余存儲(chǔ)等技術(shù)，防止數(shù)據(jù)丟失，確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。通過定期的數(shù)據(jù)備份，將重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或損壞時(shí)，能夠及時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)性。3.2傳感器選型與布置在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中，傳感器的選型與布置是確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同類型的傳感器具有各自獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，需依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行審慎抉擇，以確定傳感器的類型、數(shù)量和布置位置。光纖光柵傳感器是一種基于光纖布拉格光柵（FBG）原理的傳感器，其工作原理是利用光纖中光柵對(duì)特定波長(zhǎng)光的反射特性。當(dāng)外界物理量如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的周期和折射率也會(huì)相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致反射光波長(zhǎng)的漂移。通過檢測(cè)反射光波長(zhǎng)的變化，即可精確測(cè)量出外界物理量的變化。光纖光柵傳感器具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，其抗電磁干擾能力極強(qiáng)，在強(qiáng)電磁環(huán)境下，如體育館中存在大量電氣設(shè)備的環(huán)境中，依然能夠穩(wěn)定工作，不受電磁噪聲的影響。它的精度極高，可精確測(cè)量微應(yīng)變級(jí)別的變化，能夠捕捉到結(jié)構(gòu)極其細(xì)微的應(yīng)變變化。而且，光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，在一根光纖上可串接多個(gè)光柵，對(duì)結(jié)構(gòu)不同位置的參數(shù)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，大大提高了監(jiān)測(cè)效率。在某大型展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，采用光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)關(guān)鍵弦桿和腹桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過分布式測(cè)量，能夠全面掌握桿件不同部位的應(yīng)變分布情況，為結(jié)構(gòu)的受力分析提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。然而，光纖光柵傳感器也存在一定的局限性，其信號(hào)解調(diào)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，成本較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。電阻應(yīng)變片是一種傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量傳感器，它基于金屬或半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)工作。當(dāng)應(yīng)變片粘貼在結(jié)構(gòu)表面時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，通過測(cè)量電阻值的變化即可計(jì)算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。電阻應(yīng)變片具有成本較低的優(yōu)勢(shì)，適用于大規(guī)模布置。它的安裝和使用相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較低。在一些小型管桁架拱結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中，由于預(yù)算有限，采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，能夠在滿足監(jiān)測(cè)需求的前提下，有效控制成本。但是，電阻應(yīng)變片的測(cè)量范圍相對(duì)較窄，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變較大時(shí)，可能會(huì)超出其測(cè)量范圍，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。而且，它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，在長(zhǎng)期使用過程中，由于溫度變化、濕度影響等因素，電阻值可能會(huì)發(fā)生漂移，影響測(cè)量精度。位移傳感器用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的位移變化，常見的有線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）位移傳感器和激光位移傳感器。LVDT位移傳感器通過鐵芯在差動(dòng)變壓器中的位移變化引起輸出電壓的改變，從而測(cè)量結(jié)構(gòu)的線性位移。它具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在一些對(duì)位移測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合，如大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)中，LVDT位移傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量節(jié)點(diǎn)的微小位移變化。激光位移傳感器則利用激光測(cè)距原理，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，適用于對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高的場(chǎng)合。在某體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，無法直接接觸結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，采用激光位移傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的跨中位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過非接觸式測(cè)量，避免了對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷，同時(shí)也能準(zhǔn)確獲取位移數(shù)據(jù)。加速度傳感器用于捕捉結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析提供數(shù)據(jù)支持，常見的有壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器基于壓電效應(yīng)工作，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，傳感器內(nèi)部的壓電材料會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷的大小與加速度成正比，通過測(cè)量電荷的大小即可得到結(jié)構(gòu)的加速度。它具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)的微小振動(dòng)，在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，壓電式加速度傳感器能夠準(zhǔn)確捕捉結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、人群荷載等作用下的振動(dòng)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能評(píng)估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在確定傳感器的數(shù)量和布置位置時(shí)，需綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。通過有限元分析等方法，確定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力區(qū)域和易損部位，如拱腳處的弦桿和腹桿，這些部位承受著較大的內(nèi)力，是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。在這些關(guān)鍵部位應(yīng)密集布置傳感器，以確保能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，通過有限元分析確定了拱腳處的弦桿和腹桿為關(guān)鍵受力桿件，在這些桿件上每隔一定距離布置一個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)部位布置位移傳感器，以全面監(jiān)測(cè)這些關(guān)鍵部位的力學(xué)參數(shù)變化。結(jié)構(gòu)的整體變形也是監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)的豎向位移、水平位移和傾斜度。在結(jié)構(gòu)的主要支撐點(diǎn)和跨中位置，應(yīng)布置相應(yīng)的傳感器，以全面掌握結(jié)構(gòu)的整體變形情況。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，在結(jié)構(gòu)的四個(gè)角部支撐點(diǎn)和跨中位置布置了全站儀和水準(zhǔn)儀，定期對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的不同位置布置了加速度傳感器，用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和傾斜度，通過這些傳感器的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形的全面監(jiān)測(cè)。3.3數(shù)據(jù)采集與傳輸數(shù)據(jù)采集的頻率和精度要求是保障大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵要素，需依據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際特性和監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)設(shè)定。對(duì)于應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)，由于結(jié)構(gòu)在正常使用過程中應(yīng)力、應(yīng)變的變化相對(duì)較為緩慢，但在某些特殊工況下，如遭受強(qiáng)風(fēng)、地震等極端荷載時(shí)，變化可能較為劇烈。因此，在正常工況下，可設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為1次/分鐘，以滿足對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的需求。在特殊工況發(fā)生時(shí)，自動(dòng)將采集頻率提高至10次/秒，確保能夠及時(shí)捕捉到結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下的瞬間響應(yīng)。某大型體育館在舉辦大型活動(dòng)時(shí)，人員密集且活動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)荷載較大，通過提高數(shù)據(jù)采集頻率，成功監(jiān)測(cè)到了結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化，為結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)的精度要求通常應(yīng)達(dá)到微應(yīng)變級(jí)別，以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，采用高精度的光纖光柵應(yīng)變傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±1με，能夠有效監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)在各種工況下的微小應(yīng)變變化。位移監(jiān)測(cè)方面，考慮到結(jié)構(gòu)位移的變化通常較為緩慢，在正常使用狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集頻率可設(shè)置為1次/10分鐘。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到較大荷載或出現(xiàn)異常情況時(shí)，提高采集頻率至1次/分鐘，以便及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的位移發(fā)展趨勢(shì)。位移監(jiān)測(cè)的精度要求一般為毫米級(jí)，對(duì)于一些對(duì)位移要求較高的關(guān)鍵部位，如大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的拱頂和支座處，精度要求可達(dá)0.1毫米。在某機(jī)場(chǎng)航站樓的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，通過使用高精度的激光位移傳感器，對(duì)拱頂位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精度達(dá)到了0.1毫米，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到了結(jié)構(gòu)在不同施工階段和使用過程中的位移變化。振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要關(guān)注結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)，其數(shù)據(jù)采集頻率需根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振特性和可能出現(xiàn)的振動(dòng)頻率范圍進(jìn)行確定。對(duì)于大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)，一般其自振頻率較低，常見的振動(dòng)頻率范圍在0-10Hz之間。因此，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)設(shè)置為100Hz以上，以確保能夠準(zhǔn)確采集到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)。在某體育館的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，采用壓電式加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為200Hz，成功捕捉到了結(jié)構(gòu)在人群荷載和設(shè)備振動(dòng)作用下的振動(dòng)響應(yīng)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度要求通常以加速度的測(cè)量精度來衡量，一般應(yīng)達(dá)到0.001m/s2。在某大型展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，選用的加速度傳感器精度達(dá)到了0.0005m/s2，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析提供了高精度的數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)傳輸方式在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中起著橋梁作用，直接影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和完整性。常見的數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸和無線傳輸，每種方式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。有線傳輸方式中，以太網(wǎng)憑借其傳輸速率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。通過鋪設(shè)以太網(wǎng)電纜，將數(shù)據(jù)采集設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。在某大型體育場(chǎng)館的管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可達(dá)100Mbps以上，確保了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至監(jiān)控中心。然而，以太網(wǎng)布線相對(duì)復(fù)雜，需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或周邊鋪設(shè)電纜，這在一定程度上限制了其應(yīng)用場(chǎng)景，特別是對(duì)于一些已經(jīng)建成且布線困難的結(jié)構(gòu)。RS-485總線也是一種常用的有線傳輸方式，它具有成本較低、傳輸距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。RS-485總線采用差分傳輸方式，抗干擾能力較強(qiáng)，適用于對(duì)傳輸速率要求不是特別高，但對(duì)成本和傳輸距離有一定要求的場(chǎng)合。在一些小型管桁架拱結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，由于預(yù)算有限且監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)集中，采用RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達(dá)1000米以上，滿足了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸需求。不過，RS-485總線的傳輸速率相對(duì)較低，一般在幾十Kbps到幾百Kbps之間，且節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，在大規(guī)模監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)存在一定局限性。無線傳輸方式則具有安裝便捷、靈活性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和不同的監(jiān)測(cè)需求。Wi-Fi作為一種常見的無線傳輸技術(shù)，在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。它能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，適用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較為分散且距離監(jiān)控中心較近的情況。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，通過布置Wi-Fi熱點(diǎn)，將分布在不同區(qū)域的傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。然而，Wi-Fi的傳輸距離有限，一般在幾十米到上百米之間，且信號(hào)容易受到障礙物的影響，在監(jiān)測(cè)范圍較大或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，可能需要設(shè)置多個(gè)熱點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)覆蓋。4G/5G通信技術(shù)的發(fā)展為大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸提供了更廣闊的應(yīng)用前景。4G/5G具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、高速的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于一些地理位置偏遠(yuǎn)或監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜的大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)，如位于山區(qū)的展覽館或臨時(shí)搭建的體育場(chǎng)館，采用4G/5G通信模塊，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，打破了地域限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。在某偏遠(yuǎn)地區(qū)的大型管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，利用5G通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Gbps以上，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的秒級(jí)傳輸，大大提高了監(jiān)測(cè)效率和及時(shí)性。但4G/5G通信需要支付一定的通信費(fèi)用，且在信號(hào)覆蓋不佳的區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)傳輸不穩(wěn)定的情況。為保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，在數(shù)據(jù)傳輸過程中采取一系列有效的措施至關(guān)重要。采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)，如CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）算法，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。在數(shù)據(jù)發(fā)送端，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容生成CRC校驗(yàn)碼，并將其與數(shù)據(jù)一起發(fā)送；在接收端，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)重新計(jì)算CRC校驗(yàn)碼，并與接收到的校驗(yàn)碼進(jìn)行對(duì)比。如果兩者一致，則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有發(fā)生錯(cuò)誤；如果不一致，則說明數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)了錯(cuò)誤，接收端會(huì)要求發(fā)送端重新發(fā)送數(shù)據(jù)。在某大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過采用CRC校驗(yàn)技術(shù)，有效降低了數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤率，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。設(shè)置數(shù)據(jù)備份機(jī)制也是保障數(shù)據(jù)完整性的重要手段。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，將采集到的數(shù)據(jù)同時(shí)備份到多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備中，如本地硬盤和云端存儲(chǔ)。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用本地硬盤和云端存儲(chǔ)相結(jié)合的數(shù)據(jù)備份方式，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器的硬盤和云端存儲(chǔ)平臺(tái)上。當(dāng)本地存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可從云端獲取備份數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。同時(shí)，定期對(duì)備份數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和恢復(fù)測(cè)試，以驗(yàn)證備份數(shù)據(jù)的可用性。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，還需對(duì)傳輸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。通過建立數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，包括傳輸速率、信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳輸異常時(shí)，及時(shí)進(jìn)行故障診斷，確定故障原因并采取相應(yīng)的修復(fù)措施。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Wi-Fi傳輸信號(hào)強(qiáng)度和誤碼率。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度較弱導(dǎo)致誤碼率升高時(shí)，及時(shí)調(diào)整Wi-Fi熱點(diǎn)的位置或增加信號(hào)放大器，解決了數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。四、安全評(píng)估方法4.1結(jié)構(gòu)力學(xué)模型建立在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估中，建立精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型是至關(guān)重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。借助結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和數(shù)值模擬方法，能夠構(gòu)建出高度契合實(shí)際結(jié)構(gòu)受力和響應(yīng)特征的力學(xué)模型，為后續(xù)的安全評(píng)估提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。從結(jié)構(gòu)力學(xué)原理出發(fā)，大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的空間受力體系，需綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法、位移法和矩陣位移法等基本方法進(jìn)行分析。力法以多余約束力作為基本未知量，通過建立力法方程求解多余約束力，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。在分析大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)時(shí)，可選取合適的基本結(jié)構(gòu)，確定多余約束，建立力法方程，求解結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的內(nèi)力分布。位移法則以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，通過建立位移法方程求解節(jié)點(diǎn)位移，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。矩陣位移法是將結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，利用單元?jiǎng)偠染仃嚭徒Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)平衡條件，建立結(jié)構(gòu)的整體剛度方程，求解結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。該方法適用于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，能夠高效處理復(fù)雜的大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)。在建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型時(shí)，需充分考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及邊界條件的復(fù)雜性。大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)在荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，幾何非線性效應(yīng)不可忽視。結(jié)構(gòu)的大變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生改變，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的受力性能。在分析幾何非線性時(shí)，可采用有限變形理論，考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和小應(yīng)變情況，通過更新結(jié)構(gòu)的幾何形狀和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至收斂。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)分析中，考慮幾何非線性后，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移分布與不考慮幾何非線性時(shí)相比，有明顯差異，最大內(nèi)力增加了15%左右，最大位移增大了20%左右。材料非線性也是建立力學(xué)模型時(shí)需要考慮的重要因素。結(jié)構(gòu)材料在受力過程中，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并非始終保持線性，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)進(jìn)入塑性階段，發(fā)生塑性變形。在建立力學(xué)模型時(shí)，需采用合適的材料本構(gòu)模型來描述材料的非線性行為。對(duì)于鋼材，常用的本構(gòu)模型有雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）、多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（MKIN）等。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型假設(shè)材料在屈服前為線彈性，屈服后為線性強(qiáng)化，能夠較好地描述鋼材在一般受力情況下的非線性行為。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)分析中，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型模擬鋼材的非線性行為，通過有限元分析得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本構(gòu)模型的有效性。邊界條件的復(fù)雜性對(duì)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也有顯著影響。結(jié)構(gòu)的邊界條件包括支座約束、節(jié)點(diǎn)連接方式等。支座約束的形式和剛度會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的受力和變形，不同的支座約束條件下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和位移形態(tài)會(huì)有很大差異。在建立力學(xué)模型時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確模擬支座約束條件，如固定鉸支座、活動(dòng)鉸支座、彈性支座等。節(jié)點(diǎn)連接方式也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的傳力性能，剛性節(jié)點(diǎn)能夠有效地傳遞彎矩和剪力，而鉸接節(jié)點(diǎn)主要傳遞軸力。在模擬節(jié)點(diǎn)連接方式時(shí)，需根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際構(gòu)造和受力特點(diǎn)，合理選擇節(jié)點(diǎn)模型，如剛性節(jié)點(diǎn)模型、鉸接節(jié)點(diǎn)模型或半剛性節(jié)點(diǎn)模型。數(shù)值模擬方法在建立大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其中有限元分析方法應(yīng)用最為廣泛。借助大型通用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模和分析。在ANSYS軟件中，可采用梁?jiǎn)卧卧?、?shí)體單元等對(duì)管桁架拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。對(duì)于管桁架桿件，通常采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，梁?jiǎn)卧軌蜉^好地考慮桿件的軸向受力和彎曲受力情況。在模擬某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)時(shí)，選用BEAM188梁?jiǎn)卧獙?duì)桿件進(jìn)行建模，通過合理設(shè)置單元參數(shù)和材料屬性，準(zhǔn)確模擬了桿件的受力和變形情況。對(duì)于結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部位，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度選擇合適的單元類型進(jìn)行模擬，如采用實(shí)體單元對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化建模，以準(zhǔn)確分析節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布和變形情況。在ABAQUS軟件中，同樣可以利用其豐富的單元庫(kù)和強(qiáng)大的分析功能對(duì)大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。ABAQUS在處理復(fù)雜非線性問題方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)在大變形、材料非線性和接觸非線性等復(fù)雜工況下的力學(xué)行為。在分析某大跨度展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)時(shí)，利用ABAQUS軟件考慮了結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及節(jié)點(diǎn)的接觸非線性，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力分析和動(dòng)力時(shí)程分析，得到了結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的內(nèi)力、位移和應(yīng)力分布情況，為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。建立大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型時(shí)，還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正。將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，能夠檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可靠性。若模型計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大偏差，需對(duì)模型進(jìn)行修正，調(diào)整模型參數(shù)，如材料屬性、單元類型、邊界條件等，直至模型計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好。在某大型體育場(chǎng)館的管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估項(xiàng)目中，通過將有限元模型計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和位移結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模型計(jì)算的部分桿件應(yīng)力與監(jiān)測(cè)值存在一定偏差。經(jīng)過分析，對(duì)模型中的材料彈性模量和節(jié)點(diǎn)連接剛度進(jìn)行了調(diào)整，修正后的模型計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差控制在5%以內(nèi)，有效提高了模型的準(zhǔn)確性。4.2評(píng)估指標(biāo)體系確定在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估中，構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)估指標(biāo)體系是準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的關(guān)鍵。應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等指標(biāo)從不同角度反映了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和工作狀態(tài)，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行深入分析，能夠全面、精準(zhǔn)地評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性能。應(yīng)力指標(biāo)是評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的核心指標(biāo)之一，它直接反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況。在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)中，不同部位的應(yīng)力分布情況各異，通過監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在拱腳處，由于承受著較大的豎向荷載和水平推力，應(yīng)力較為集中，通過在拱腳弦桿上布置應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力變化。當(dāng)應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時(shí)，表明結(jié)構(gòu)可能處于危險(xiǎn)狀態(tài)，需及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)拱腳處弦桿的應(yīng)力在一次大型活動(dòng)后出現(xiàn)了異常升高，接近材料的許用應(yīng)力，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于活動(dòng)期間觀眾集中在一側(cè)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均，及時(shí)疏散觀眾并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后，應(yīng)力恢復(fù)正常。應(yīng)力的變化趨勢(shì)也能反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，通過對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，若發(fā)現(xiàn)應(yīng)力逐漸增大，說明結(jié)構(gòu)可能存在損傷或劣化，需要進(jìn)一步深入檢查。應(yīng)變作為與應(yīng)力密切相關(guān)的指標(biāo)，同樣在評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)中發(fā)揮著重要作用。應(yīng)變是結(jié)構(gòu)受力后產(chǎn)生的變形程度的度量，通過監(jiān)測(cè)應(yīng)變，可以了解結(jié)構(gòu)的變形情況，判斷結(jié)構(gòu)是否處于彈性工作狀態(tài)。在正常情況下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變應(yīng)與應(yīng)力保持線性關(guān)系，符合胡克定律。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，應(yīng)變會(huì)發(fā)生異常變化，可能不再遵循線性關(guān)系。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)中，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)部分腹桿的應(yīng)變?cè)跊]有明顯荷載變化的情況下突然增大，且應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系出現(xiàn)異常，進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)這些腹桿存在局部腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，從而引起應(yīng)變異常。應(yīng)變還可以用于評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，通過對(duì)結(jié)構(gòu)在多次重復(fù)荷載作用下的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，分析應(yīng)變的循環(huán)變化情況，能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。位移指標(biāo)直觀地反映了結(jié)構(gòu)的整體變形情況，對(duì)評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)具有重要意義。結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移是評(píng)估其安全性的重要參數(shù)，過大的位移可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或影響其正常使用功能。在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)中，跨中豎向位移是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它直接反映了結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的承載能力。通過在跨中布置位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豎向位移變化。在某機(jī)場(chǎng)航站樓的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，設(shè)定跨中豎向位移的允許限值為跨度的1/400，當(dāng)監(jiān)測(cè)到跨中豎向位移接近該限值時(shí)，及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查和加固，確保了結(jié)構(gòu)的安全。結(jié)構(gòu)的水平位移也不容忽視，特別是在風(fēng)荷載、地震等水平荷載作用下，水平位移過大會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同工況下的水平位移，能夠評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，為結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。振動(dòng)指標(biāo)對(duì)于評(píng)估大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的安全狀態(tài)至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)能夠反映其動(dòng)力特性和健康狀況，通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)參數(shù)，如自振頻率、振型、加速度等，可以判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的位置和程度。自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，其剛度會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致自振頻率改變。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，通過定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其自振頻率在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)了明顯下降，進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低，自振頻率下降。通過對(duì)振動(dòng)加速度的監(jiān)測(cè)，能夠了解結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)情況，當(dāng)加速度超過一定閾值時(shí)，說明結(jié)構(gòu)可能受到較大的動(dòng)力作用，需要關(guān)注其安全狀態(tài)。在某展覽館舉辦大型展覽活動(dòng)時(shí)，由于人員密集走動(dòng)和設(shè)備振動(dòng)等原因，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度增大，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)加速度，及時(shí)采取了相應(yīng)的減振措施，確保了結(jié)構(gòu)的安全。4.3評(píng)估方法選擇與應(yīng)用在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估中，選擇合適的評(píng)估方法至關(guān)重要。模糊層次分析法和多參數(shù)綜合評(píng)估法是兩種常用且有效的方法，它們能夠從不同角度對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行全面、深入的評(píng)估，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。模糊層次分析法是一種將定性分析與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，它巧妙地將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理，有效解決了復(fù)雜系統(tǒng)中多因素、多層次的評(píng)估問題。在大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，其應(yīng)用步驟嚴(yán)謹(jǐn)且科學(xué)。首先，需構(gòu)建合理的層次結(jié)構(gòu)模型。這一模型通常分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層明確為大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估；準(zhǔn)則層涵蓋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性、環(huán)境影響等多個(gè)關(guān)鍵方面。力學(xué)性能包括結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，這些因素直接決定了結(jié)構(gòu)在荷載作用下的承載能力和變形情況。耐久性涉及材料的老化、銹蝕等問題，長(zhǎng)期的環(huán)境作用會(huì)使結(jié)構(gòu)材料性能下降，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。環(huán)境影響則考慮風(fēng)荷載、地震作用、溫度變化等外部因素對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，這些因素在不同地區(qū)和使用條件下差異較大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能的影響也各不相同。指標(biāo)層則進(jìn)一步細(xì)化準(zhǔn)則層的各項(xiàng)因素，如在力學(xué)性能準(zhǔn)則下，指標(biāo)層可包括關(guān)鍵桿件的應(yīng)力、應(yīng)變，結(jié)構(gòu)的位移、振動(dòng)頻率等具體指標(biāo)。在某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型中，準(zhǔn)則層包含力學(xué)性能、耐久性和環(huán)境影響，指標(biāo)層對(duì)應(yīng)設(shè)置了關(guān)鍵弦桿和腹桿的應(yīng)力應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)位移、鋼材銹蝕程度、年平均風(fēng)速和地震設(shè)防烈度等指標(biāo)，全面反映了結(jié)構(gòu)的安全相關(guān)因素。其次，確定各層次因素的權(quán)重。這是模糊層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，權(quán)重的確定直接影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般采用專家打分法結(jié)合成對(duì)比較矩陣來實(shí)現(xiàn)。邀請(qǐng)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的資深專家，依據(jù)其豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，對(duì)各因素的相對(duì)重要性進(jìn)行打分。將打分結(jié)果構(gòu)建成成對(duì)比較矩陣，通過計(jì)算矩陣的特征向量和最大特征值，得出各因素的權(quán)重。在某展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，邀請(qǐng)了5位專家對(duì)力學(xué)性能、耐久性和環(huán)境影響三個(gè)準(zhǔn)則層因素進(jìn)行打分，構(gòu)建成對(duì)比較矩陣后，計(jì)算得出力學(xué)性能的權(quán)重為0.5，耐久性權(quán)重為0.3，環(huán)境影響權(quán)重為0.2，表明在該結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估中，力學(xué)性能相對(duì)更為重要。最后，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，確定各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模糊評(píng)價(jià)向量。結(jié)合之前確定的權(quán)重，通過模糊合成運(yùn)算得到結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估結(jié)果。在某大型體育場(chǎng)館的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，對(duì)于關(guān)鍵弦桿的應(yīng)力指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)確定其隸屬度函數(shù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值處于不同范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的隸屬度。如應(yīng)力值在正常范圍內(nèi)，隸屬度為0.8；處于警戒范圍，隸屬度為0.5；超過警戒范圍，隸屬度為0.2。將各指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)向量與權(quán)重向量進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，最終得到該體育場(chǎng)館管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估結(jié)果為“較安全”，但需對(duì)部分關(guān)鍵指標(biāo)持續(xù)關(guān)注。多參數(shù)綜合評(píng)估法是一種綜合考慮多個(gè)參數(shù)，全面評(píng)估大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的方法。它克服了單一參數(shù)評(píng)估的局限性，能夠更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。該方法首先確定評(píng)估參數(shù)。結(jié)合大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，選取應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為評(píng)估依據(jù)。這些參數(shù)從不同角度反映了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和工作狀態(tài)，應(yīng)力參數(shù)直接體現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力大小，應(yīng)變參數(shù)反映結(jié)構(gòu)的變形程度，位移參數(shù)展示結(jié)構(gòu)的整體變形情況，振動(dòng)參數(shù)則反映結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)特性。在某大型航站樓的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，確定的評(píng)估參數(shù)包括關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)的豎向和水平位移、振動(dòng)加速度和自振頻率等，通過對(duì)這些參數(shù)的綜合監(jiān)測(cè)和分析，能夠全面掌握結(jié)構(gòu)的安全性能。然后，建立評(píng)估模型。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行綜合分析，建立評(píng)估模型。常見的評(píng)估模型有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型、基于支持向量機(jī)的模型等?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型通過對(duì)大量歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立參數(shù)與結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)之間的復(fù)雜映射關(guān)系。在某大型展覽館的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估模型，將多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，包括不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和振動(dòng)數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)標(biāo)識(shí)。經(jīng)過訓(xùn)練，該模型能夠準(zhǔn)確根據(jù)輸入的監(jiān)測(cè)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供了高效、準(zhǔn)確的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，以某大型體育館的管桁架拱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估為例，該體育館建成已達(dá)10年，期間舉辦了眾多大型賽事和活動(dòng)，結(jié)構(gòu)承受了較大的荷載作用。采用模糊層次分析法和多參數(shù)綜合評(píng)估法對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估。在模糊層次分析法中，構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型涵蓋力學(xué)性能、耐久性和環(huán)境影響等準(zhǔn)則層因素，通過專家打分和計(jì)算，確定各因素權(quán)重。在多參數(shù)綜合評(píng)估法中，確定了關(guān)鍵桿件應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)位移和振動(dòng)等評(píng)估參數(shù)，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估模型。評(píng)估結(jié)果顯示，該體育館管桁架拱結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)，但部分關(guān)鍵桿件的應(yīng)力接近警戒值，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)在某些工況下略有增大，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和維護(hù)?；谠u(píng)估結(jié)果，采取了定期對(duì)關(guān)鍵桿件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)、優(yōu)化場(chǎng)館活動(dòng)安排以減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)荷載等措施，確保了結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。五、案例分析5.1工程背景介紹本案例選取的是某大型體育館，作為城市重要的體育文化活動(dòng)場(chǎng)所，該體育館自建成以來，已成功舉辦多場(chǎng)國(guó)際體育賽事、大型文藝演出及各類展覽活動(dòng)。其大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅滿足了大空間使用需求，更成為城市的標(biāo)志性建筑之一，對(duì)城市形象的提升和文化交流的促進(jìn)起到了重要作用。該體育館的結(jié)構(gòu)形式為典型的大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)，由主拱桁架、次桁架以及支撐體系組成。主拱桁架采用倒三角形截面，上弦桿、下弦桿及腹桿均采用無縫鋼管，通過相貫節(jié)點(diǎn)連接，形成穩(wěn)定的受力體系。主拱桁架的跨度達(dá)到120米，矢高24米，矢跨比為1/5，這種設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)在滿足大跨度空間需求的同時(shí)，充分發(fā)揮了拱結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢(shì)，有效減小了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。次桁架則布置在主拱桁架之間，起到連接和加強(qiáng)作用，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。支撐體系采用鋼筋混凝土柱和基礎(chǔ)，為管桁架拱結(jié)構(gòu)提供可靠的豎向和水平支撐，確保結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的安全穩(wěn)定。從規(guī)模上看，該體育館總建筑面積達(dá)50,000平方米，可容納觀眾約15,000人。場(chǎng)館內(nèi)部空間開闊，無柱設(shè)計(jì)為各類活動(dòng)提供了充足的空間，滿足了體育賽事、文藝演出等大型活動(dòng)對(duì)場(chǎng)地的需求。其屋面面積約為18,000平方米，全部由大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)支撐，形成了宏大而壯觀的建筑外觀。該體育館建成于2008年，至今已使用15年。在這期間，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的自然環(huán)境侵蝕，如雨水、濕度、溫度變化等，以及頻繁的使用荷載作用，包括人群荷載、設(shè)備荷載、風(fēng)荷載、地震作用等。隨著使用年限的增加，結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)了一些病害，如桿件銹蝕、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等，這些病害對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性產(chǎn)生了潛在威脅，因此對(duì)其進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。5.2健康監(jiān)測(cè)實(shí)施過程在該體育館大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建過程中，傳感器的布置是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和以往工程經(jīng)驗(yàn)，確定了傳感器的類型、數(shù)量及具體位置。在關(guān)鍵受力桿件上，如主拱桁架的拱腳弦桿和腹桿，采用高精度的光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。這些部位在結(jié)構(gòu)受力中承擔(dān)著較大的荷載，通過在弦桿和腹桿上每隔2米布置一個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地捕捉桿件的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。在某大型體育賽事舉辦期間，現(xiàn)場(chǎng)觀眾人數(shù)眾多，結(jié)構(gòu)承受的荷載大幅增加，通過光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，拱腳弦桿的應(yīng)力出現(xiàn)了明顯變化，最大應(yīng)力達(dá)到了150MPa，接近材料的許用應(yīng)力，及時(shí)采取了人員疏散和結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固措施，確保了結(jié)構(gòu)安全。對(duì)于節(jié)點(diǎn)部位，選用位移傳感器和傾角傳感器來監(jiān)測(cè)其位移和轉(zhuǎn)動(dòng)情況。節(jié)點(diǎn)作為桿件連接的關(guān)鍵部位，其位移和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響重大。在主拱桁架與次桁架連接的節(jié)點(diǎn)處，安裝高精度的位移傳感器，可精確測(cè)量節(jié)點(diǎn)在水平和豎向方向的位移變化；同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)附近布置傾角傳感器，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在一次結(jié)構(gòu)維護(hù)檢查中，通過位移傳感器發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)在水平方向出現(xiàn)了微小位移，位移量達(dá)到了3毫米，經(jīng)進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)是由于節(jié)點(diǎn)處的螺栓松動(dòng)導(dǎo)致，及時(shí)進(jìn)行了緊固處理，避免了節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。為監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的整體變形，在結(jié)構(gòu)的主要支撐點(diǎn)和跨中位置布置全站儀和水準(zhǔn)儀。全站儀能夠測(cè)量結(jié)構(gòu)在三維空間的坐標(biāo)變化，從而獲取結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移信息；水準(zhǔn)儀則主要用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的豎向位移。在體育館的日常監(jiān)測(cè)中，通過全站儀和水準(zhǔn)儀定期測(cè)量發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過程中，跨中位置出現(xiàn)了一定的豎向位移，位移量隨著時(shí)間逐漸增加，年平均豎向位移達(dá)到了5毫米。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)維護(hù)和加固提供了重要依據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了先進(jìn)的自動(dòng)化采集設(shè)備，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。在正常使用狀態(tài)下，設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為1次/5分鐘，以滿足對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的需求。在特殊工況下，如舉辦大型活動(dòng)、遭遇極端天氣等，數(shù)據(jù)采集頻率自動(dòng)提高至1次/分鐘，以便及時(shí)捕捉結(jié)構(gòu)在特殊工況下的響應(yīng)變化。在一次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天氣中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)將采集頻率提高，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到了結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的應(yīng)力應(yīng)變和位移變化，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方面，采用了有線與無線相結(jié)合的傳輸方式。在體育館內(nèi)部，通過鋪設(shè)以太網(wǎng)電纜，將數(shù)據(jù)采集設(shè)備與監(jiān)控中心連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸；對(duì)于部分難以布線的區(qū)域，如屋面較高位置的傳感器，采用Wi-Fi無線傳輸模塊，將數(shù)據(jù)傳輸至附近的無線接入點(diǎn)，再通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。這種混合傳輸方式充分發(fā)揮了有線和無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至監(jiān)控中心。在實(shí)際運(yùn)行中，通過對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄舆t時(shí)間在有線傳輸時(shí)小于10毫秒，無線傳輸時(shí)小于50毫秒，滿足了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)性的要求。5.3安全評(píng)估結(jié)果分析基于該體育館大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用前文所述的模糊層次分析法和多參數(shù)綜合評(píng)估法進(jìn)行安全評(píng)估，得出了全面且深入的評(píng)估結(jié)果，為判斷結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)提供了科學(xué)依據(jù)。從模糊層次分析法的評(píng)估結(jié)果來看，在力學(xué)性能準(zhǔn)則方面，關(guān)鍵桿件的應(yīng)力和應(yīng)變指標(biāo)顯示，大部分桿件的應(yīng)力處于正常范圍，滿足設(shè)計(jì)要求，但仍有部分拱腳弦桿的應(yīng)力接近警戒值。通過對(duì)多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)這些弦桿的應(yīng)力在大型活動(dòng)或強(qiáng)風(fēng)等特殊工況下會(huì)顯著增加，如在一次大型文藝演出期間，觀眾人數(shù)眾多，設(shè)備荷載也較大，部分拱腳弦桿的應(yīng)力達(dá)到了設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的85%，雖未超過許用應(yīng)力，但已接近警戒狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的位移指標(biāo)表明，豎向位移和水平位移均在允許范圍內(nèi)，但跨中豎向位移隨著時(shí)間呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，年平均增長(zhǎng)約5毫米。振動(dòng)指標(biāo)方面，結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型在正常范圍內(nèi)，但在某些特殊工況下，振動(dòng)加速度會(huì)超出正常范圍，如在強(qiáng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度最大值達(dá)到了0.15m/s2，超過了正常使用狀態(tài)下的允許值0.1m/s2。在耐久性準(zhǔn)則方面，鋼材銹蝕程度是重要的評(píng)估指標(biāo)。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分桿件表面出現(xiàn)了輕微銹蝕現(xiàn)象，銹蝕深度約為0.1-0.3毫米，雖未對(duì)桿件的承載能力產(chǎn)生明顯影響，但隨著時(shí)間的推移，銹蝕可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，降低桿件的有效截面面積，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。節(jié)點(diǎn)連接的松動(dòng)情況也不容忽視，經(jīng)檢查，部分節(jié)點(diǎn)的螺栓出現(xiàn)了不同程度的松動(dòng)，節(jié)點(diǎn)的連接剛度有所下降，這可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體傳力性能和穩(wěn)定性。環(huán)境影響準(zhǔn)則下，風(fēng)荷載和地震作用是主要考慮因素。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和地震歷史數(shù)據(jù)，該地區(qū)的基本風(fēng)壓為0.5kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度。在強(qiáng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)較為明顯，風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定影響。在一次臺(tái)風(fēng)天氣中，風(fēng)速達(dá)到了25m/s，超過了設(shè)計(jì)風(fēng)速20m/s，結(jié)構(gòu)的水平位移明顯增大，部分桿件的應(yīng)力也有所增加。地震作用方面，雖然該地區(qū)歷史上未發(fā)生過強(qiáng)烈地震，但一旦發(fā)生地震，結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到較大的影響。通過地震模擬分析可知，在7度地震作用下，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位如拱腳和節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力會(huì)顯著增加，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部破壞。綜合模糊層次分析法的各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)和權(quán)重，計(jì)算得出該體育館大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)分為70分，處于“較安全”狀態(tài)，但需對(duì)部分關(guān)鍵指標(biāo)持續(xù)關(guān)注，如拱腳弦桿的應(yīng)力、跨中豎向位移、鋼材銹蝕和節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等問題。多參數(shù)綜合評(píng)估法的評(píng)估結(jié)果與模糊層次分析法相互印證?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估模型，輸入多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等參數(shù)，模型輸出的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)也顯示為“較安全”，但模型預(yù)測(cè)部分關(guān)鍵部位的損傷發(fā)展趨勢(shì)不容樂觀。如模型預(yù)測(cè)，若不采取有效的防護(hù)措施，拱腳弦桿的應(yīng)力在未來5年內(nèi)可能會(huì)超過設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，跨中豎向位移也會(huì)進(jìn)一步增大，可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。綜合兩種評(píng)估方法的結(jié)果，可以判斷該體育館大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)目前整體處于安全狀態(tài)，但存在一定的安全隱患。部分關(guān)鍵桿件的應(yīng)力接近警戒值，結(jié)構(gòu)的位移和振動(dòng)響應(yīng)在特殊工況下有異常表現(xiàn)，鋼材銹蝕和節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等耐久性問題也逐漸顯現(xiàn)。這些安全隱患如不及時(shí)處理，隨著時(shí)間的推移和結(jié)構(gòu)的繼續(xù)使用，可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，威脅結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。因此，需要采取針對(duì)性的措施，如定期對(duì)關(guān)鍵桿件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，對(duì)銹蝕桿件進(jìn)行防腐處理，對(duì)松動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緊固，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)和管理，以確保結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行。5.4維護(hù)建議與措施基于對(duì)該體育館大跨空間管桁架拱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估結(jié)果，為有效保障結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，提出以下針對(duì)性的維護(hù)建議與措施：定期監(jiān)測(cè)與巡檢：建立常態(tài)化的監(jiān)測(cè)與巡檢機(jī)制，提高監(jiān)測(cè)頻率，除在特殊工況下加密監(jiān)測(cè)外，日常監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)從目前的1次/5分鐘縮短至1次/3分鐘，確保及時(shí)捕捉結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化。重點(diǎn)關(guān)注拱腳弦桿的應(yīng)力變化，設(shè)置應(yīng)力預(yù)警值為設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的90%，當(dāng)應(yīng)力接近預(yù)警值時(shí)，立即進(jìn)行詳細(xì)檢查和分析。加強(qiáng)對(duì)跨中豎向位移的監(jiān)測(cè)，每季度進(jìn)行一次全面測(cè)量，并繪制位移-時(shí)間曲線，以便準(zhǔn)確掌握位移變化趨勢(shì)。桿件維護(hù)與加固：對(duì)于表面出現(xiàn)輕微銹蝕的桿件，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行除銹處理，采用噴砂除銹工藝，將銹蝕層徹底清除，然后涂刷高性能的防腐涂料，如環(huán)氧富鋅底漆和面漆，涂層總厚度不小于200μm，以增強(qiáng)桿件的防腐能力，延緩銹蝕發(fā)展。對(duì)于應(yīng)力接近警戒值的拱腳弦桿，可采用外包鋼板加固法，在弦桿表面粘貼厚度為8-10mm的鋼板，通過結(jié)構(gòu)膠和錨栓將鋼板與弦桿牢固連接，提高弦桿的承載能力，降低應(yīng)力水平。節(jié)點(diǎn)處理與修復(fù)：對(duì)出現(xiàn)松動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，首先應(yīng)緊固螺栓，采用扭矩扳手按照設(shè)計(jì)要求的扭矩值進(jìn)行緊固，確保節(jié)點(diǎn)連接牢固。對(duì)于連接剛度下降明顯的節(jié)點(diǎn)，可增設(shè)節(jié)點(diǎn)板或采用焊接加固的方式，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度和剛度。在節(jié)點(diǎn)加固過程中，要注意避免對(duì)結(jié)構(gòu)造成額外損傷，同時(shí)對(duì)加固后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)檢查，確保加固效果。結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化：考慮到結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的振動(dòng)響應(yīng)較為明顯，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)阻尼器，如黏滯阻尼器或調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，通過阻尼器的耗能作用，有效減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如拱腳和跨中，增設(shè)支撐或加強(qiáng)桿件，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，降低結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的變形和應(yīng)力。環(huán)境防護(hù)與管理：加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境的管理，減少環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)的侵蝕。在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置排水設(shè)施，確保雨水能夠及時(shí)排除，避免積水對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成影響。定期清理結(jié)構(gòu)表面的灰塵、雜物等，防止其對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成腐蝕。制定科學(xué)合理的使用管理制度，避免結(jié)構(gòu)在使用過程中承受過大的荷載。限制體育館內(nèi)大型活動(dòng)的規(guī)模和頻率，合理安排觀眾座位和設(shè)備布置，確保結(jié)構(gòu)受力均勻。在舉辦活動(dòng)前，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查，評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力，確?；顒?dòng)期間結(jié)構(gòu)的安全。實(shí)施上述維護(hù)建議與措施后，預(yù)期可取得以下效果：通過定期監(jiān)測(cè)與巡檢，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的潛在問題，提前采取措施進(jìn)行處理，有效避免結(jié)構(gòu)病害的進(jìn)一步發(fā)展，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。桿件維護(hù)與加固以及節(jié)點(diǎn)處理與修復(fù)措施，可顯著提高結(jié)構(gòu)的承載能力和連接強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的安全穩(wěn)定。增設(shè)阻尼器和加強(qiáng)支撐等結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化措施，能夠有效減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和變形，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。環(huán)境防護(hù)與管理以及使用管理制度的完善，可減少環(huán)境因素和不合理使用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，為結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行創(chuàng)造良好的條件，保障體育館的正常使用功能，提升