空间结构健康监测与预警技术

大跨度空间结构是一个国家建筑业技术水平的重要衡量标准，它广泛应用在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼等重要标志性建筑， 是新材料、新技术、新工艺为综合技术的现代文明的体现。
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。例如：2008 年奥运工程国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”、国家大剧院、首都机场新航站楼、2010 年上海世博会场馆以及广州会展中心、哈尔滨会展中心等。总体建筑规模超过2 000万m2 。

1 研究背景
大跨度空间结构工程属于集设计、分析、制造技术于一体的重大设施，它外形独特，体系复杂，建造技术高难度，通常也是人员聚集、大型活动的场所，其安全性尤为重要。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。例如：1992 年9 月深圳国际展览中心4 号展厅网架屋盖使用3年后在暴雨中倒塌；2002 年4 月湖南耒阳电厂大型空间结构储煤库建成5 年后，由于使用和环境腐蚀等原因发生倒塌事故；韩国济洲岛一体育场在2003 年的一次强台风中倒塌；2004 年5 月法国巴黎戴高乐机场刚建成的候机厅发生屋顶坍塌；2007 年1 月雨雪、大风及材料老化导致将用于举办2010 年冬奥会开幕式和闭幕式的温哥华体育场穹顶坍塌等。
上述实例说明，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。由倒塌事故来看，空间结构会在几分钟，甚至几秒钟内倒塌。因此，在我国建立起大跨度空间结构作为重大工程设施的定期故障监测制度，实施长期实时的健康监测和故障预警措施显得尤为重要。
大跨度空间结构与大型桥梁、大坝、海洋平台、石油管道等一样属于国家大型土木工程设施。对于桥梁、大坝、海洋平台等国家大型设施的故障预警与安全性评估技术研究，在世界范围内开展得比较早。尤其在美国、日本等发达国家，很早就有相应的行业标准。国内许多高校与科研机构在大型桥梁、海洋平台等重大设施安全性测评技术研究领域也开展了多年研究，取得了一系列科研成果与工程业绩。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，现有的故障预警与安全性评估技术不能直接用于大跨度空间结构中来。
要建立针对大跨度空间结构的健康监测与故障预警系统，需要开展两大方面内容的研究： ①复杂环境下大跨度空间结构的破坏机理与安全性评价标准研究；②大跨度空间结构类型的监测技术手段研究。

2 空间结构健康监测内容
结构监测的定义是指利用现场的无损传感与结构系统特性分析（包括结构反应） ，探测结构的变化，揭示结构损伤与结构性能劣化。结构监测不是一个新概念，对结构的应变、加速度、速度、位移、旋转等参数的测量一直是结构工程监测的基本方法。由于土木工程结构的特殊性，如结构形式多样、服役周期长、影响结构性能的因素复杂多变等，对其进行监测比一般的机械系统要复杂。理想的监测系统应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤，在传感器允许的情况下，结合损伤识别技术确定损伤的位置，评估损伤程度，预测剩余的有效寿命并采取相应的加固措施。目前，结构健康监测是世界土木工程界的难题，也是研究的热点。
结构健康监测技术是一个多领域跨学科的综合性技术，包括土木土程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号处理、网络通讯通信技术、计算机技术、模式识别等多方面的知识。
整个结构健康监测领域的研究内容是一个非常庞大的技术体系，主要包括以下方面。
1） 监测范围
①结构重要部位监测 对于中小型结构可以只对结构最可能发生损伤破坏的部位进行监测，以降低监测成本。一般采用间歇式人工监测，条件允许时也可采用小型监测设备；
②结构全面监测 对于大型的重要结构，既需要监测那些对损伤敏感的部位或子结构，如局部的应力、应变、位移和加速度等，也需要及时监测结构的整体健康状况，如内力、挠度及振型和频率的变化，一般需要配合大型全面的监测设备和健康监测系统。
2） 监测方式
①人工监测 利用简单的仪器，定期人工监测和检测，成本较低且不需高新技术，但费时、费力，准确性不高；
②自动监测 采用多种类的传感器和监测设备，利用系统平台对结构进行实时在线监测，一般适用于特大或重要的结构监测，自动化程度高，是当前研究热点和发展方向；
③联合监测 将上述两个方法结合起来，用各种小型的自动化程度较高的仪器，配合人工监测，比较适合一般结构，具有广泛的应用前景。
3） 监测状态
①静态监测 对结构的静态几何和力学参数进行监测，可较直观地反映结构的工作状态；
②动态监测 在结构运营情况下，基于人为激励或环境激励，监测结构的动态几何和力学参数。
4） 监测的结构参数
①位移 绝对位移和相对位移，静位移和动位移；
②变形 静（动） 挠度、静（动） 应变等；
③内力 杆件和索拉力等；
④动力参数 速度、加速度等；
⑤外观和完整 气蚀、磨损、裂缝、剥落等；
⑥物理化学现象 混凝土碱集料反应、钢材锈蚀等；
⑦环境 风速、温度、地震、荷载等。
5） 监测手段
①位移测试 位移计、倾斜仪、测量设备、GPS、数字成像机等；
②变形测试 位移传感器、电阻应变仪、压电式应变仪、振弦应变仪、分布式光纤应变计等；
③内力测试 压力环、磁弹性张力计、油压计、剪力销等；
④动力参数测试 速度计、加速度计；
⑤外观或完整率测试 刻度放大镜、数字成像机、超声探测仪等；
⑥环境测试 风速计、温度计、地震仪等。

3 空间结构健康监测及预警系统组成
大跨度空间结构故障监测和预警由于以大规模、大面积空间布局、静态应力和形变为主的特点，因此必须建立专业的大跨度空间结构健康监测理论，包括不同体系、不同荷载、不同损伤的识别与安全评估理论；开发新型适用于空间卫星式布局、性能可靠的硬件设备，确保精度和长期工作的稳定性，降低产品成本；开发相应的智能故障预警软件系统，实现对空间结构长期、实时、在线的监测与预警。
3.1 空间结构健康监测理论
大跨度空间结构健康监测理论主要包括大跨度空间结构的故障机理与安全性评估理论。研究内容主要指在基于空间结构本身的体系拓扑、计算分析、施工建造等研究的基础上，进一步分析结构整体削弱、核心部件受损、外界因素突变等情况下的受影响机理以及结构模型修正后的内力重分布。
理论研究的空间结构体系包括：空间网架网壳结构、预应力拉索网格结构、索膜结构、张弦梁结构、弦支穹顶结构、空间多面体刚架结构、“鸟巢型”复杂结构等。
考虑的复杂环境因素主要包括：材料腐蚀、地震作用、台风作用、温度效应、超载、火灾、爆炸冲击、施工工艺等。典型故障因素包括：索松弛与破断、结构挠度过大、结构振动异常、构件损伤、约束破坏等。在考虑以上因素的前提下，大跨度空间结构健康监测理论的研究可归纳为基于影响机理的结构损伤识别问题与基于模型重建的结构安全性评估问题。
大跨度空间结构损伤识别技术是健康监测研究范畴内的核心问题。一般的结构损伤在物理状态空间表现为刚度降低、柔度增大；在模态空间表现为固有频率降低。无论从研究角度还是从实用角度出发，结构损伤识别的内容均需判明损伤的部位及部位物理参数的变化以及结构整体性能的变化等方面。
完整的损伤识别技术按照流程可分4 个层次：
(1)断结构和构件是否损伤及何时发生的损伤；
(2)判断结构的损伤位置；
(3)判断结构损伤类型及损伤程度；
(4)进行结构健康状态评定和寿命预测。
前3个层次分别是结构具体损伤的定性和定时、定位和定量问题；最后的层次是结构整体的定位和定量问题。
大跨度空间结构安全度评估技术是在损伤识别的基础上，有针对性地对结构计算模型进行修正，包括材料物理特性和截面特性的偏差、荷载和边界条件的偏差等综合因素。修正后的结构模型能够更精确地反映结构的响应，从而结合实测结果对结构进行准确的损伤诊断和安全评估。
3.2 空间结构健康监测硬件开发
适用于大跨度空间结构的大规模、大面积空间布局特点的新型硬件设备开发是空间结构健康监测系统开发的核心内容。目前具有代表性的是以光纤光栅传感器为主流的有线传感设备和新兴的发展迅猛的无线传感设备。
3.2.1 光纤光栅传感设备
光纤光栅传感设备是当前国内外测试手段的主流，具有体积小、质量轻、插入损耗低、稳定性好等特点，特别适合在易燃、易爆和强电磁等恶劣环境下使用。
1） 国际上对光纤传感器研究的时间虽然不长，进展却非常迅速。目前，已有70 多种光纤传感器用于各种物理量的测量。从美国的Morey（1989 年） 等人首次对光纤光栅的应变与温度传感研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，取得丰硕成果。在短短的10 多年时间里，光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术。美国、加拿大、日本、英国、澳大利亚等国都先后投入了大量人力、物力进行该领域研究和开发。1998 年，美国加州大学Wanser Keith H。 等人采用多模光纤光栅作传感头， 用光时域反射计对振动与应变做了实时监测试验，并分别获得美国和欧洲专利。10 年来，国外学者基于光纤光栅对应变、应力和温度等物理量的传感特性进行了多方面的研究，先后发展了直接检测、干涉检测、可调F2P 滤波器解调、匹配光纤光栅解调等多种波长解调技术，并在压力、温度、振动、温度P压力双参量等光纤光栅传感器件的试验和研究方面取得了很大的进展和成果。
2） 我国虽然从20 世纪90 年代开始涉足光纤光栅传感领域的研究，目前国内多家企业与高校开展这方面的研究，并且在用于土木工程结构监测的研究与应用方面也取得了初步的成绩，但总体水平和国外相比还存在着差距。光纤光栅传感设备在各项通用的技术指标参数（如精度、稳定、敏感性等方面） 仍有很大的改进空间。而以往适用于其它大型工程设施的光纤传感设备，目前还无法直接用于大跨度空间结构，必须根据大跨度空间结构面积大、构件多、体系复杂、钢构件不可埋入等特点进行针对性的开发。
3.2.2 无线传感系统
无线传感系统作为另一种新兴的传感技术，有着光纤光栅传感产品无法比拟的优点。虽然光纤光栅传感技术因其抗干扰性、稳定性、精确性等优点普遍用于各类重大土木工程设施的安全预警系统中，并将在今后相当长一段时间内仍然作为监测硬件的主流设备。但其有线采集、布线困难的弊病同样明显。桥梁、管道、大坝等结构由于线性特征，相对影响较小，大跨度空间结构的特点是面积大、空间宽，若使用有线监测设备，在测点较多的情况下，用于布线的成本有可能超过监测设备本身，同时大量复杂的布线对于结构的美观、日后的维护、故障的检修都存在着无法回避的问题。因此必须在改进传统光纤光栅传感技术的同时，开发目前国际上逐渐流行的无线传感技术，并将其应用于大跨度空间结构的安全性测评领域中。其安装方便、成本低廉、维护简单、性能可靠等优点，将逐渐取代传统的监测手段而成为主流。
1） 无线传感系统在军事、环境、健康、家庭和其他工商业领域早已应用，而美国率先将其引入土木工程的安全性监测预警技术领域。1996 年，美国学者首次提出运用无线技术替代结构监测有线系统的思想，开辟了无线传感技术在结构监测领域中的应用，并研制了一套实时的损伤识别结构健康监测系统。由美国先进国防研究项目局所资助的、在加利福尼亚大学实施的“Smart dust”计划，旨在建立一个无线传感器开发的软硬件平台，进而开发出一系列低价格、小尺寸、高可靠性的无线传感器及其网络，进一步推动了无线传感器的应用发展。该项目开发的产品目前已成为世界许多大学等研究机构使用的实验室设备，并且以此衍生出一批较知名的专业无线传感产品生产公司。国外开发的无线传感类产品普遍存在价格高昂、无线传输距离短、技术保密、开放性差等弊病，不适合用于大型空间结构等建筑的安全性监测领域。国内已有高校从设计的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出发，采用模块化设计方法，对无线传感器的传感处理模块、中央处理模块、无线收发模块以及能源管理模块进行设计、调试，进而集成了基于数字接口的无线加速度传感器与应变传感器样品。
2） 无线传感器 传感单元采用先进的MEMS 技术
封装，具有体积小、低功耗、可靠性高等特点，适合集成；无线传感器具有智能处理单元，可以对采集信号进行预处理，对特征信号进行初步提取，数字输出，不需要有线传感系统的电荷采集箱部分，同时也分散了中央处理器处理数据的压力；无线传感器依据设定的通信协议，可以实现自组织网络，形成一个高效实时的监测系统，且网络的大范围覆盖性与可拓展性可以保证同时监测到大型结构各个部位的信息；无线传感器节点具有节能的特点。
3） 目前，无线传感技术已开始向土木工程结构监测领域渗透并成为这方面研究的一个热点。一定时期内，尽管有线传感器在产品种类上的优势会使其在结构监测领域占主导地位，但无线传感器及其网络所特有的优势已经凸现出来。随着结构健康监测无线传感网络方面的研究和在实际结构中的使用，无线传感网络将会逐步取代有线传感网络。
3.3 空间结构健康监测软件开发
智能、通用的监测及预警软件系统开发是空间结构健康监测系统开发的重要内容，是对整个系统功能的融合。软件系统运行于PC 机上，以一个图形用户界面为用户提供直观的功能模块和数据显示。应该实现对结构变形、位移、振动等物理参数的监测，对监测数据进行处理，从而实现对结构的初步评估与预警。软件系统一般包含工程管理、结构建模与显示、结构分析与计算、测点布置与组网、数据收发、数据处理、结构评估及文件存储等模块。
1） 工程管理模块 用于建立及管理工程列表，其中包含工程简介、工程图表等相关信息。
2） 结构建模与显示模块 为了掌握被检测对象的相关信息，需要显示结构前处理模型。该功能模块用于结构模型的建立以及旋转、平移、缩放等图形显示功能。
3） 结构分析与计算模块 用于结构理论分析，计算得出理论值，为与实测值的比较以及结构的安全评估提供判别依据。
4） 测点布置与组网模块 用于监测方案的设计以及测点布置、组网，并便于掌握各传感器节点的运行状态。合理的测点布置方案可以在保证有效获取结构信息的前提下，做到最大程度的经济化与稳定性。
5） 数据收发模块 用于接收传感器网络中所有节点传输来的数据，同时将各种管理命令发布到指定的节点。网络中的数据通过收发基站以串口传输到计算机，对计算机串口进行监听，实时判别是否有数据输入，输入的数据根据预定义的数据帧进行数据解码，进而完成数据的收发任务。数据收发模块将各节点检测的数据以实时曲线的形式显示给用户，此外用户也可以根据需要，以表格形式查看当前数据的数值。
6） 数据处理模块 数据处理模块一方面是为了减少数据的存储量，需要对接收入计算机的数据进行二次处理。另一方面，根据用户不同的检测或监测需求，结合不同的算法，对各测点原始数据进行单独处理和融合处理，以进一步提取有效信息。
7） 结构评估与预警模块 通过结构分析与计算模块、数据处理模块的分析与处理，用户比较计算结构理论值与实测值，结合结构本身特性及特定算法，来判别显示被监测结构的工作状态，软件对超限情况自动报警。
8） 文件存储模块 为了对数据进行管理，并为历史查询和计算分析服务，存储可以采用二进制文件、文本文件及数据库的形式。二进制存储格式可以节约硬盘空间；普通文本存储比较方便查询；而为了对数据进行高效管理，可以采用大型数据库管理系统进行存储。同时，对于结构分析评估结论，可以以报告书的格式进行输出。系统各个模块虽然功能上相对独立，但其集成于同一个图形用户界面（graphical user interface ，简称GUI）之中，相互关系紧密，不可分割。

4 结语
大跨度空间结构健康监测及预警系统开发主要包括理论、硬件、软件三方面，即大跨度空间结构在复杂荷载与复杂环境作用下的灾变机理，及建立相应的大跨度结构体系安全性评价标准；适用于大跨度空间结构的新型传感监测设备开发；大跨度空间结构故障预警集成软件系统的开发。研究内容具有明显的多学科交叉特征，需要多学科研究人员和工程技术人员的紧密合作。
大跨度空间结构健康监测系统需要进一步重点研究的课题有：
(1)传感器的耐久性和可靠性研究；
(2)无线传感网络开发；
(3)监测系统集成与工程应用；
(4)大跨度空间结构安全度评价标准及监测规范。
我国正处于大跨度空间结构建设的高峰时期，本文研究内容将对相对薄弱的大跨度空间结构健康监测领域提供一定的借鉴。

关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测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目前的健康状态。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力继续实现设计功能。