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编前语
我国自上世纪末起，大型建筑的建设进入了高速发展的阶段，这一态势在将来相当长的一段时间内还将继续维持。
随着计算技术和材料科学的发展，现代大型建筑结构的建设向着更高、更长、更轻的方向发展，正因如此，2011年IABSE-IASS年会的主题选择了“Taller，Longer，Lighter”。
现有建筑结构工程的理论体系是建立在足尺模型的理论研究或数值模拟和缩尺模型的试验基础上的，这一理论体系缺少实践(结构原型在实际外部作用下实际效应的观察结果)的检验和佐证。
结构尺度和规模越大，实践检验和佐证越显重要和必要。
因而，现代大型建筑结构的工程理论已经落后于大规模工程建设的需求，建立在结构工程理论基础上的现有工程设计规范体系已不能完全确保结构在整个生命周期中的安全性。
正是在这一背景下，结构健康监测的概念一经提出就获得了快速的发展和应用。
一方面，结构健康监测可以成为确保结构安全建造和健康运营的一个重要保障手段，可以对极端条件下结构可能出现的失效进行预警从而最大程度地减少人员和财产损失。
另一方面，结构健康监测结果可以检验、修正、完善和发展现有结构工程理论体系。
针对大型建筑结构，介绍了结构健康监测的基本概念和一般组成，并通过若干基于结构健康监测结果的典型实例进行了结构性态研究。
1 建筑结构健康监测系统的组成和相关技术
建筑结构健康监测的内容是结构外部荷载作用(风、地震、温度等)和结构外部荷载作用效应(位移、加速度、应力、裂缝等)。范围涵盖结构的建造周期和一定时间内的运营期间。
健康监测系统包含4个子系统:
1)传感器子系统;
2)数据采集与传输子系统;
3)数据处理与分析子系统;
4)结构预警子系统。
1.1 传感器子系统
传感器子系统包含对风速风压、地面运动加速度、温度、结构位移、振动加速度、应力(内力)、裂缝等的实时探测传感技术和器件。
其中，风速风压、地面运动、温度等为建筑结构所受外部作用，结构位移、加速度、应力(内力)、裂缝等为建筑结构在外部荷载作用下的效应。
风速风压监测可采用三维超声风向风速仪和风压计，如图2所示。
地面运动加速度仪可记录作用在建筑物上的实际地震波，设置在建筑物特征部位(如楼顶)时也可记录该位置处的加速度时程。图3为地面运动加速度仪。
数字式温度仪器(图4)可测量结构构件表面的日温差、结构构件向阳和背阳处的表面温差、不同季节的温差等。
结构的内力(应力)是反映结构受力情况最直接的参数，跟踪结构在建造和使用阶段的内力变化，是了解结构形态最直接的途径，也是判断结构效应是否符合设计计算预期值的最有效方式。
对结构关键部位的应力情况进行监测，可以确保结构的安全性。振弦式应变计是最有效的应力监测传感器之一，它利用弦振频率与弦的张力的变化关系来测量应变计所在点的应变，如图5所示。
大跨度索结构中的索力水平是决定结构刚度和强度以及结构安全性的主要参数。在索结构施工过程中可采用压力表测定千斤顶液压、压力传感器直接法、频率测定法、三点弯曲法等测量索力。
但使用阶段最有效和精确的方法是磁通量(EM)法，其测试精度可达到95%左右，图6为其构造图和照片。
施工阶段通过结构位移的测试可控制施工安装精度，使用阶段的位移测试可掌握结构的静力工作性能。位移监测可采用GPS(图7)、全站仪(图8)等进行。
结构振动加速度是反映结构动力性能和动力参数的重要指标，图9显示了*DH201-50扩散硅加速度传感器和动态信号测试仪。
对于大型钢结构而言，重要焊接连接节点的开裂是导致结构局部或整体失效的主要原因之一，也是导致结构损伤积累可靠度降低的重要因素。
对裂缝的监测是确保寒冷地区或温度变化剧烈地区的大型焊接钢结构安全的一个重要措施。
ICMS是一种新型的采用智能涂层的裂纹探测仪，可利用裂纹产生会导致涂层电阻改变的原理来探测裂纹的开始和扩展宽度，其构造及试验标准件如图10所示。
1.2 数据采集与传输子系统
数据采集与传输子系统从传感器读取数据并传输至子站，再由子站传输至中心路由器和服务器，用户或管理单位可通过网络远程读取和显示数据。
传感器至子站、子站至路由器的数据传输可采用无线、有线、光纤等方式。图11为数据采集与传输子系统的示意图。
1.3 数据处理与分析子系统
数据处理与分析子系统承担对监测所获取的结构荷载及其效应数据进行处理与在线分析的功能，如图12所示。
1.4 结构预警子系统
结构预警子系统可根据数据处理与分析子系统的结果，分类分层次显示建筑结构的状态性能。
结构的监测数据可分为荷载作用和作用效应两大类。可对荷载作用分项设置权重值，依据其处于设计预期范围内、超出预期范围情况进行评分。
作用效应数据又可分为底层、中层、顶层三类，可设置各层各70项指标的权重，根据指标值是否在设计预期范围内及超出预期值情况对结构健康状态进行评分，如图13所示。
可综合结构荷载及其作用效应的评分用红、黄、绿色综合评定结构的性态。
例如，当荷载及其作用效应均在设计预期范围内时，性态可显示绿色;当荷载超出设计预期但重要效应指标均在设计范围内时或部分效应指标超出设计范围时，性态可显示黄色;当重要效应指标超出设计范围使结构安全产生隐患时，性态可显示红色。
2 基于健康监测的结构性态研究实例
2.1 某奥体中心火灾后的结构性态检测与评估
某奥体中心采用弦支穹顶屋面体系，在施工和使用阶段布置了结构监测系统，其中，索力监测采用EM法，EM传感器的布置如图14所示。施工张拉完成后，索力的监测值与理论计算结果吻合较好，见图15。
在该结构屋面系统的施工过程中发生了火灾，事后必须判断火灾对结构性能的影响以决定后续工作。
在弦支穹顶中，索拉力是结构性能的一个重要指标，火灾发生前后索力值的变化既能直接反映火灾对索的影响程度，也能间接反映火灾对上部钢网格结构的影响。
实测后表明，火灾前后索力变化很小(图16)，说明火灾对上部屋面结构影响不大，可以继续使用。
2.2 某博物馆性态监测和面板台风破坏原因分析
某航海博物馆在2011年“梅花”台风中屋面部分板件被吹落，如图17所示。
该博物馆由索网-钢管桁架组成，设置了施工和使用阶段的健康监测系统，监测内容包括风速风压风振、索网拉力和结构内力。
使用阶段不同时期的索力监测结果及台风前后索力监测对比如图18所示。可见，结构的工作应力正常，台风没有影响主结构体系的性能。
监测所得“梅花”台风在结构所在地的风速时程如图19所示，瞬时最大风速达到33.26m/s。
采用CFD进行了结构风压计算，得到破坏区域最大吸力系数为－1.5。根据监测与CFD结果，可计算破坏区域实际受到的风吸力P：
为了研究面板破坏的原因，对铝板进行了反向静压试验研究。铝板构造如图20所示。
铝板破坏时钢抽钉全部拉断，钢抽钉承载能力为P=4.8kN/mm2，远远大于其实际受到的风吸力。
进一步的现场检查发现，现场有很多未拉断的钢抽钉，说明实际铝板的破坏伴随着很多钢抽钉的拉脱，这意味着钢抽钉的施工安装质量问题导致了在风吸力作用下连接铝板的钢抽钉拉脱，进而导致铝板被吹落。
2.3 某体育馆震后性态评估与加固
某体育馆在汶川地震中边界橡胶支座限位板剪坏、个别杆件压弯，如图21所示。
为了解震后结构的实际性能，对结构进行了整体动力性能的检测和内力检测。结构振动加速度传感器的布置及测点脉动激励反应如图22所示。
将所采集到的时域信号，经过傅立叶变换，得到各个测点的功率谱和测点相互之间的互功率谱，如图23所示。
从图中互谱可以看出，结构振型分布比较密集，且都集中在低频段，自谱与互谱的峰值可以为时域模态参数识别提供参考。
识别出的频率和计算频率的比较如表1所示，表中还列出了结构阻尼比。识别出的振型与计算结果的比较见图24。
由以上比较可见，结构实际频率较计算值略小，说明结构刚度在震后有所退化，但结构实际振型与计算结果较为接近。
对结构构件内力采用EM法进行了检测，EM法用于空心钢管内力检测时有一定的误差，实测结果为一个区域。考虑实际结构可能的边界条件，对结构进行计算得到的结构内力及其与检测结果的比较如图25所示。
由图可见，除了个别已弯曲或弯曲构件周边构件外，所测结构构件内力与计算结果比较接近。
进一步对结构跨中施加一集中力，得到结构的计算内力及位移增量与实测值的比较，如图26所示。
由图可见，除个别杆件外，荷载作用下结构内力增量的实测值与计算值较接近，结构位移增量的实测值与计算值吻合较好。
综合以上测试及计算分析，地震导致的结构损伤限于个别构件和支座，结构整体仍呈较好的弹性工作性能。
在这一结论下，对结构震后弯曲构件进行了修复，对结构整体布置拉索进行了加固改造。
2.4 世博轴大型膜结构的结构参数和动力性能
膜结构的应用已很广泛，其风致破坏极为常见，现有关于膜结构的工作性能特别是动力性能的研究还很不深入。
健康监测无疑是了解膜结构风致动力性能的最有效方法。上海世博会世博轴宽约80m，长达1000m，见图27，是目前世界最大张拉膜结构。确保其风致振动下的安全性十分重要。
在世博轴膜屋面上设置了健康监测系统，测试内容包括风速、风压、风振和结构内力。风振、风压监测点的布置如图27所示。
首先采用监测系统测试识别膜结构的动力参数，图28给出了一些测点的加速度时程和功率谱。由图可见，膜结构的频率分布非常密集。
通过参数设别可以得到世博轴膜结构的频率和阻尼比，见表2。采用有限元法对膜结构进行了动力参数的数值分析，计算结果列于表2中。
由表可见，有限元法的数值分析能够得到较为准确的结构动力特性。
膜面风压的监测结果与风洞试验结果比较如图29所示。
由图可见，两者有较大的误差，说明膜面的变形及雷诺数效应等导致刚性模型风洞试验所得膜面风压系数的可信度较低。
不同风速下膜结构的加速度时程方差如图30所示。由图可知，膜结构的风振效应随风速的增加而增大。
图31给出了正常小风下和2011年“梅花”台风下膜面2号测点的风压时程。由图可见，台风下膜面发生了较大的变形，使膜面的平均风压产生较大的偏移。
设计时可以取被监测膜面的体型系数范围为［－0.86，0.92］、基本风压550Pa、风振系数1.8，由此可得膜结构的设计风压范围为:
［Pmin，Pmax］|design=550×1.8×Cp=［－851.14，910.8］Pa
“梅花”台风下被监测膜面的实际风压范围为:
［Pmin，Pmax］|monitoring=［－300，300］Pa
可见，膜面设计可承受风压是“梅花”台风产生风压的2.8倍。此次“梅花”台风下现场监测所得最大风速为20m/s，由此可见，即使在12级台风风速下，膜面的实际风压也小于设计风压。监测表明，世博轴膜结构具有较好的安全性。
小编总结
结构健康监测最早应用于大坝、桥梁等大型土木设施，近几年来开始应用于建筑结构。
从本文所举的几个工程实例可见，对于火、地震、台风等灾后有局部损伤的建筑结构，监测数据是最可靠的关于结构性态的直接信息，基于这一信息可以对结构的性能进一步研究和了解，并在此基础上确定后续工作。
对于目前结构理论和规范均尚未完全解决的结构风振等工作性能，监测更是必不可少的，是风洞试验和数值分析所不能替代的研究手段，基于监测的结构性态研究应该具有更为广泛的应用前景。
当然，对于大型复杂建筑结构，健康监测系统为结构体系的成功建造和安全运营提供了一个防患于未然的重要措施。
END
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