分享|大型钢结构健康监测技术方案

1. 前言

随着大跨度、超高层钢结构在建筑中的广泛应用，其结构安全性、耐久性与正常使用性能日益受到重视。钢结构在长期荷载、环境侵蚀、材料老化、疲劳效应及极端荷载（如地震、强风）作用下，其承载能力和使用功能会逐渐退化。为确保结构在整个生命周期内的安全，预防灾难性事故，并实现科学的预测性维护，实施一套长期、在线、自动化的结构健康监测系统至关重要。

2. 监测目标与原则

2.1 监测目标

1) 获取设计阶段难以精确计算的结构在实际荷载（风、温度、地震等）下的真实响应（应力、变形、振动），验证并修正设计模型。

2) 提供对施工过程中关键部位的变形监测，通过对结构形态的偏移状况，结构的挠度情况分析结构的安装质量与工作状态。

3) 监测结构性能的长期变化趋势，为结构的维护、维修与管理提供科学依据和数据支撑。

4) 实时评估结构整体健康状况，及时察觉结构响应的异常、结构损伤或退化情况，在结构响应出现异常时及时预警，为管理人员提供决策支持，保障生命财产安全。

5) 获取一份完整的结构施工与运营监测数据资料，为后续同类工程的设计、施工、运营等提供参考。

2.2 监测原则

1) 统一性：充分考虑施工监测和运营期监测的共享，进行统一设计和统一管理。

2) 可靠性：对现场的硬件设备长期处于户外，对其进行防水、防潮、防尘处理，保证设备正常运行。

3) 先进性：设备的选择、监测系统功能应与现在监测技术发展水平、结构安全监测的相关理论发展相适应，具有先进和超前预警性。

4) 易维护：应选择操作简单和易于维护管理的系统，对技术水平和能力不高的人员也能及时维护。

5) 成本最优：本方案的一个设计原则就是利用最优布点方式做到既节省项目成本、后期维护投入的人力和物力，又能达到预期的监测效果。

3. 参考的标准和规范

1) 《工程测量规范》（GB 50026-2016）

2) 《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）

3) 《建筑变形测量规程》（JGJ 8-2016）

4) 《建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范》（JGJ/T 302-2013）

5) 《结构健康监测系统设计标准》（CECS 333：2012）

4. 监测内容与测点布置

（1）位移测点

1)  涉及屋盖结构安全的关键点；

2)  涉及屋盖结构形状的关键部位；

3)  屋盖变形最大之处。

（2）应变测点

1)  布设在结构受力最大的几榀桁架上；

2)  布设在桁架上应力较大的关键截面上；

3)  布设在应力集中位置，截面强度控制点或者应力分布特征点上。

（3）倾角测点

  布设在桁架柱顶变形大的桁架柱上；

（4）振动测点

1)  布设在结构振动响应最大的位置，如振型极值点；

2)  布设在结构的关键节点和构件上，以确保对结构振动性能的有效监测。

（5）风压测点

1)  布设在风压变化较大的区域；

2)  对于大跨度屋盖结构，风荷载作用主要表现为上吸力，重点布设在屋盖的上表面和下表面，以捕捉风压的分布情况。

（6）风速风向测点

1)  布设在能代表结构物环境风场的典型部位；

2)  测点应能监测自由场风速和风向，避免受到建筑物、树木等障碍物的遮挡。

（7）环境温度测点

  布设在能代表结构物环境温度的典型部位。

（8）地震动测点

  布设在能代表结构物地震输入的典型部位。

5. 设备介绍

6. 现场施工

7. 应用成效

1) 保障安全：通过施工与运营期的实时监测和多级预警，有效防范结构安全风险，确保重大活动与日常使用的安全。

2) 验证设计：将监测数据与数值模拟结果对比，验证并优化了设计施工方案，为同类工程积累了宝贵数据。

3) 智能运维：建立自动化监测系统与数字档案，实现从“被动检修”到“主动预警”的智能化管养，提升效率，降低长期维护成本。

4) 提升韧性：全面感知风、地震等环境荷载与结构响应，显著提升了大型公共建筑应对极端事件的能力。