钢结构施工过程中健康监测与分析

结构健康监测系统简述
三 常用监测仪器简介
1 静力水准仪 如图 2.6 所示，静力水准仪本质上可看做是一组高精度连通 器，利用易流动的液体作为连通管内的工作介质。首先选定一个 基准点，也即参考点或不动点，结构各测点的液面在重力作用下 形成一个平面，作为测量的基准面或工作面。实际测量时，浮子 跟踪液位上升和下降变化，将测点与基准点的微小高差变化通过 接杆转化为标志杆的垂直位移信号，此信号再通过传感器采集并 传输到采集箱。该仪器特别适合于要求高精度监测垂直位移的场 合，可监测到 0.05mm 的高程变化，可以进行连续实时监测。采 用这种位移监测系统进行监测，精度比 GPS 更高，耐久性不小于 3 年。
结构健康监测系统简述
在外荷载或温度作用下，电阻丝将沿轴向伸长或缩短，其横 截面直径也会相应缩小或变大，横截面积与直径 D 相关联，产生 相应的变化。
式中， μ 为电阻丝的泊松比，d L/L 为电阻丝长度变化率， 若用应变来表示，有：
在长度变化后，电阻值也发生了变化，其相对变化为：
结构健康监测系统简述
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大跨钢结构施工的方法和特点
2 整体吊装法
整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体，用起重设备将其 吊装至设计标高并固定的方法。 用整体吊装法安装空间钢结构时，可以就地与柱错位总拼或 在场外总拼，此法一般适用于焊接连接网架，因此地面总拼易于 保证焊接质量和几何尺寸的准确性。其缺点是需要大型的起重设 备，且对停机点的地耐力要求较高，同时会影响土建的施工作业。 秦山二期核电站钢结构穹顶就是采用整体吊装法进行安装。
背景
这些大跨钢结构受力复杂，所处环境状况多变，发生损伤 和破坏的潜在危险性较大。尤其是在施工阶段，其受力和变形 与竣工后正常服役状态的受力和变形有很大的不同，受施工方 法和施工过程及环境变化的影响很大。若不及时关注和控制， 将会带来一定的质量缺陷，严重时甚至会影响到整体结构。这 方面的教训国内外都有很多。
西宁体育馆健康监测方案及结果分析
三 监测方案
1 应力应变监测方案
①电阻应变片测点布置 为了解和研究支座节点和铸钢节点在卸载过程中的应力变化 情况，在支座和铸钢上、下节点处共设计了 30 个测点。由于支 座和铸钢中心上、下节点处空间狭小，光纤光栅和钢弦应变传感 器都无法安装，加之此处监测为临时监测，非长期监测，故而同 时兼顾可操作性、经济性和实用性。在上述三个部位选用了电阻 应变计进行应变的临时监测。 具体布点见图 3.4～图 3.6，共有 30 处布置应变片。
结构健康监测系统简述
结构健康监测系统简述 2 全站仪 全站仪是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学 经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光 学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且 可避免读数误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功 能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。 全站仪与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，电子经 纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的 光栅度盘(或编码盘)和读数传感器进行角度测量的。根据测角精 度可分为 0.5〃，1〃，2〃，3〃，5〃，10〃等几个等级
西宁体育馆健康监测方案及结果分析
• 结构形式
西宁体育馆 健康监测方案 及结果分析 • 监测内容 • 监测方案 • 监测结果及分析
西宁体育馆健康监测方案及结果分析
一 结构形式
体育馆钢屋盖采用空间平面桁架结构。平面桁架沿径向和环 向正交布置，6 榀主桁架通过建筑物中心且由铸钢节点构成一体， 分别支承在 12 根大柱上。
大跨钢结构施工的方法和特点
3 整体提升法
整体提升法是将结构在地面整体拼装后，起重设备设于结构 上方，通过吊杆将结构提升至设计位置的施工方法。 这种施工方法利用小机（如升板机、液压滑模千斤顶等）群 安装大型钢结构，使吊装成本降低。其次是提升设备能力较大， 提升时可将屋面板、防水层、采暖通风及电气设备等全部在地面 施工后，然后再提升到设计标高，从而大大节省施工费用。如上 海歌剧院屋盖工程采用整体提升的施工方法，提升质量达6000t。
若在施工过程中对大跨钢结构进行实时在线健康监测，及时了 解结构的受力变形及其它工作状态，就能够做到及时预警、报警，采取 相应措施排除各种危险性。同时，监测数据与分析可以进一步提高对大 跨度复杂钢结构的认识，为以后的设计与施工提供宝贵的依据。 另外，大跨复杂钢结构由于结构复杂，施工难度大，造价也相应较 高，而安装健康监测系统的费用却只占建筑总造价的极小的一部分，比 起结构日常维修和养护费用、结构倒塌损失以及重建资金来讲，这样的 投入是非常值得的。
结构健康监测系统简述
结构健康监测系统的构成
结构健康 监测系统简述 健康监测常用传感元件简介
常用监测仪器简介
结构健康监测系统简述
一 结构健康监测系统的构成
1 监测
监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系 统，为后继的诊断部分和评估部分做充分的准备。
结构健康监测系统简述 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 中心和报警设备， 是一种在线的监 测系统，主要包 括监测、诊断和 评估三部分。
结构健康监测系统简述 1 电阻应变计 1.1 电阻应变计结构 电阻应变计主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成，敏 感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型 结构如图 2.2 所示。图 2.3 为对应变计输出信号进行采集的静态应 变采集箱。
大跨钢结构施工的方法和特点
整体吊装法
高空散装法
钢结构施工 的方法
整体提升法
折叠展开安装法
大跨钢结构施工的方法和特点
1 高空散装法 将结构的全部杆件和节点（或小拼单元）直接在高 空设计位置总拼成整体的安装方法称为高空散装法。 高空散装法分为全支架法（即满堂脚手架）和悬挑 法两种。全支架法多用于散件拼装，而悬挑法则多用于 小拼单元在高空总拼。该施工方法不需大型起重设备， 但现场及高空作业量大，同时需要大量的支架材料和设 备。 高空散装法适用于非焊接连接的各种类型的网架、 网壳或桁架，拼装的关键技术问题之一是各节点的坐标 控制。
结构健康监测系统简述 2 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG) 2.1 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG)工作原理 光波作为波的一种，也具有振幅、相位、偏振态、波长等特征 参量。在外荷载、温度等环境因素的作用下，光波的这些参量会产 生间接或直接变化。而光纤正好可以作为光波的传输载体，因此， 可以将光波参量的变化通过光纤探测到，而光波的这些参量和结构 构件的受力等情况又有一定的关联性，从而获得结构和构件的内力 及变形等变化情况。上述部分即为光纤传感器的基本原理，见图 2.4 所示。
目录
背景 大跨钢结构施工的方法和特点
结构健康监测系统简述 西宁体育馆健康监测方案及结果分析
背景
大跨钢结构由于其跨度大、质量轻、造型丰富优美等优点， 已被广泛应用于大众文化交流、体育娱乐等重要设施。并且复杂 大跨钢结构分析理论的日趋成熟以及设计理念和构思的更新，致 使大跨钢结构的发展越来越快，结构跨度和规模也越来越大。目 前，这些新颖别致的大跨钢结构建筑广泛地应用于体育场馆、会 展中心、火车站、博物馆、大型停车场、钢结构厂房等各类公共 建筑领域。
结构健康监测系统简述
结构健康监测系统简述 3 钢弦应变传感器 钢弦应变传感器也是一种测量建筑物或构件表面应变量的传 感器。广泛用于混凝土结构、桥梁结构和钢结构中的桁架和支撑 结构中。它以钢弦作为传感元件，与钢弦频率测定仪配合使用， 实现其测量功能。 3.1 钢弦应变传感器构造及工作原理 其工作原理为：一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块 牢固置于被测物表面，被测物的变形使得两端块相对移动并导致 钢弦张拉变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率的改变来测量结 构的变形。仪器的信号激励与读数通过位于靠近钢弦的电磁线圈 来完成。
大跨钢结构施工的方法和特点
4 折叠展开安装法
该方法把一个穹顶看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。 因此穹顶的立体空间作用可以分解为径向拱的作用与环向箍作用 的叠加。对于杆件组成的网格状网壳来说，去掉部分的环向作用 就是去掉一部分环向杆。这样穹顶结构就可以产生 1 个竖向的、 且唯一的自由度。利用穹顶临时具有的自由度，就可以把穹顶折 叠起来，在接近地面的高度进行安装。然后利用液压顶升和气压 等方式把折叠的穹顶沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度， 完成穹顶的施工过程。
二 健康监测常用传感元件简介
结构健康监测系统简述 1.2 电阻应变计的工作原理 电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基 本任务就是把构件表面的变形量转变为电信号，输入相关的仪器 仪表进行分析。在自然界中，除超导外的所有物体都有电阻，不 同的物体导电能力不同，物体电阻的大小与物体的材料性能和几 何形状有关，正是这一特性促使了电阻应变计的诞生。 电阻应变计由基底、敏感删、覆盖层、粘结剂和引出线构成， 其中敏感删是核心部分。敏感删可以看成为一根电阻丝，其阻值 会随着本身的长度和所用材料属性变化而变化。 根据物理学知识，一根圆形金属电阻丝的电阻为 R： 其中：
结构健康监测系统简述
结构健康监测系统简述 由于钢弦的自振频率与其长度、所用材料的密度和钢弦的 内应力有关。所以，钢弦的自振频率表达式可写为：
结构健康监测系统简述
从上式可见，对于一根长度 lc 和材料密度 确定的钢弦来 说，其自振频率 N只与钢弦的内应力 c 有关，因此，N 值自 然可以表示 c 。设计时，钢弦周围绕有线圈，钢弦就相当于 被置于线圈所形成的磁场当中，当钢弦的长度发生变化时，也 会伴随着产生振动，这个振动会由于电磁感应而产生电势。电 势的频率由产生它的频率所决定，所以，电势的频率和钢弦振 动的频率是相同的。实际测量中，钢弦的频率不易直接测量， 当电势的频率则容易被测出，上面已论述过，钢弦的频率可以 用来表示钢弦内应力，而钢弦被牢固置于所测构件表面，故而 也可用来表示构件表面应力。也即测出电势的频率，便可得知 被测构件表面相应的应力。
上式中，最后结果有两项，第一项与材料属性有关，即电阻 率产生变化所致；第二项与材料几何尺寸有关，即电阻丝长度产 生变化所致。在一定温度下，金属丝的电阻变化率与其长度变化 率存在正比关系，有：
式中
结构健康监测系统简述
K s 被称为电阻丝的灵敏度系数。通过上面所述可见：电阻丝 的电阻变化率与它的轴向应变存在一定的线性关系。遵循上述规 律，寻求合适的金属材料，其电阻变化能够在金属材料性能和尺 寸变化中处于稳定变化状态，也即能够将应变信号较好地转换为 电信号，那么，便可用这些金属材料来制作性能优良的电阻应变 计。电阻应变片常用的敏感栅材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合 金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等。
二 监测内容
（1）关键部位应力应变监测； （2）结构变形监测； （3）结构振动（加速度）监测； （4）风速监测； （5）结构温度监测。 在上述 5 个监测项目中，关键部位应力应变监测、结构变 形监测是体育馆在施工阶段和运营期间的重点监测项目。加速 度监测、风速监测和结构温度监测在体育馆运营期间进行。
结构健康监测系统简述 2 诊断
诊断部分主要是首先对结构建立模型，通过有限元模拟分析 和计算，对模型进行多次修正后获得理论计算数据，再利用特定 分析处理技术对所得数据进行进一步地处理。结合监测和计算数 据，动用各类手段对结构的损伤位置和损伤程度进行识别。
结构健康监测系统简述 3 评估
评估部分则主要是根据诊断部分的损伤识别结果，结合专家 评估系统，对结构进行可靠性分析和评价。评估结构的剩余强度， 预测结构的剩余使用年限和寿命，得出结构的评估结论，根据结 论，作出对结构的维护或维修决策和措施。