本文是一篇建筑工程管理论文，本文以包头奥林匹克体育中心主体育场为项目依托，设计并实施了适用于大跨度钢结构体育场的健康监测系统。目前系统设备状态良好，系统运行稳定，测量和通过对结构应变数值以及环境条件变化等信息的采集和处理，以及后期的内力计算、强度和稳定性校核、绘制各监测指标的内容图谱等手段，基本达到了预期的目标，测量结果为掌握结构的状态提供了第一手的资料，分析结果为后续对于结构可靠度和的研究工作提供了可靠的技术支持和数据来源，为后期综合判断结构的状态和计算结构可靠度等研究任务建立了基础，为同类型体育场的使用和养护，尤其是针对我国中西部高海拔地区大跨度钢结构建筑的健康监测系统的构建提供了理论依据和一定的借鉴参考价值。
1 绪论
1.1 研究背景
进入新世纪以来，随着社会经济水平不断提升，科学技术研究不断取得新的突破，在工程技术领域，也不断有新的工程技术和结构形式出现，空间钢结构便是其中之一，自其问世以来，便被越来越作为主要的结构形式或辅助性构件广泛的应用到各种大规模的建筑物当中，钢结构建筑的规模可以设计的很大，同时保证结构总质量较混凝土结构而言更轻，并且在内部空间和外部造型的设计上，钢结构也有着不可比拟的优势。随着科学的进步和经济的发展，钢结构领域也不断地产生新的结构形式和建造工艺。伴随着分析理论的不断成熟和设计理念的革新，使得大跨钢结构建设项目的结构跨度和规模也越来越大，在这之中，空间管桁架的结构形式应用最为广泛，甚至已经成为主流形式。造型不断拖成出新的建筑作品不仅为地方城市形象增光添彩，同时也是国家和地区建筑科技进步发展的体现。
图1.1 国家体育场（鸟巢） 图1.2 国家游泳中心（水立方）
以上所列举的工程实例，建筑规模相对较大，且结构较为复杂，无法采用传统的施工工艺和梁柱等支撑结构，且结构建成后的使用周期也比较长，结构建成后需要承受环境因素、外部荷载条件、人为活动、材料性能退化等因素带来的不利影响。当其积累到一定程度时，就有可能对结构产生较为严重的破坏，由于结构本身的规模和使用性质，一旦发生事故，起后果往往是较为严重的。
.............................
1.2 研究现状
结构健康监测技术诞生于 20 世纪80 年代，在问世之初主要被应用在桥梁结构上，20 世纪 90 年代后才逐渐地被引入到建筑工程领域[7]。得益于2008 年中国成功举办北京奥运会之后国内各地开始大批兴建公共体育设施，结构健康监测技术在我国也由此得到了迅猛的发展[8]。通过对国内外已有的健康监测项目实例进行研究可以看出，大致可以分为以下几个阶段[2]：
1）以结构健康监测领域的专家或具有经验的工程技术人员为主体，通过肉眼对结构进行观察或利用简单的仪器进行测量来对结构安全状态和发展趋势进行评估。
2）单机集中式的监测系统，此种系统模式的将所有监测点数据的采集、这种检测系统的的特点是：系统内所有的数据采集、数据处理和结果分析工作都在同一台计算机上进行。系统设立成本较低，维护起来也较为方便，但同时有着系统监测的物理量有限、测点数量不能设定很多的不足之处。
3）分布式系统，和前面所介绍的单机集中式相比，分布式系统中增加了计算机的数量，将数据的采集、传输、转换、分析，和得出分析结果后的发送、预警分别交给不同的计算机去完成。计算机之间通过局域网或互联网构成一个和监测网络。可大量布置传感器测点，特别是将系统接入到互联网之后，工程人员足不出户就可以在办公室或家中对系统进行控制、调整和接受已经得到的数据及分析结果，但是此类系统也有着结构较为复杂、系统搭建技术难度高的先天不足。
4）无线监测系统，其最大的特点就是将传统的各种有线传感器换成了无线传感器，免去了电源供应和信号传输线缆的布设的繁琐工作，但是到目前为止，无线传感器较短的使用寿命和成本较高的问题依旧没有得到完全解决，在“云时代”迅速发展的今天，无线传感器在将来也是一个热门的研究领域。无线传感监测也是今后健康监测领域重点研究和发展的方向。
............................
2结构健康监测系统简述
2.1健康监测系统设计的基本原则
根据大型钢结构建筑物和构筑物的结构特点，一般说来，开展健康监测工作应遵循以下几个原则：
(1)应根据不同地区特有的地理条件和项目自身的结构特点等因素，在监测方法和监测形式的选择确立上，应当考虑被检测对象的结构特点、规模，以及对象所在地的气温、降水、日照等自然条件，因地制宜地进行选择。
(2)在监测设备和仪器的选择上，不能一味的追求技术性能上的高、精、尖；数量上的大、多、全。应根据被监测对象的特点要获取的数据的精度、可靠度等要求综合考虑，既要能满足监测要求，达到监测目标，又能够适应经济性的原则。
(3)如何选取监测点，从理论上来讲，如果能够在结构得到每一根杆件上都布置上传感器，无意这种方式采集到的信息是最全面的，但是在绝大多数实际工程中，这并不现实，一方面由于结构体量比较大，构件数量庞大；另一方面，在真实的建筑结构中，往往只需要对结构的关键部位进行监测，就能够较为准确、全面地掌握结构的状态。所以，在监测点位的选择上，应当选取结构的关键杆件和关键部位进行布置，用有效的测点来反映整体的受力状态。
.............................
2.2结构健康监测系统的组成部分
结构健康监测作为一种新兴的建筑检测和维护手段，正在被越来越广泛的应用到在建或已有的众多建筑结构当中。他的研究与应用涉及到材料力学、结构力学、传感器技术、计算机科学和信号传输等多门学科领域。从系统组成上来看，其主要由以下几部分构成：1）传感器系统，主要包括应变传感器、加速度传感器、位移传感器、温度传感器、风速传感器等，如果把健康监测系统比作一个人那么传感器就是这个人的眼睛耳朵和鼻子。性能优良、结构可靠的传感器是健康监测系统建立的必要条件；2）数据传输系统，传感器采集到各项数据以后，需要将其发送到负责接收的计算机，可采用的方式有电缆、光纤和无线传输技术等，电缆传输是最传统的信号传输方式，倘若被监测结构体体量较为庞大，那么电缆的敷设将成为一项较为繁琐的工序，且发生故障后检修较为困难，因此在现代结构健康监测中，越来越多的采用无线传输的技术；3）数据接收和处理系统，该子系统一般由设在监控室的数据接收装置和负责数据记录、存储和处理的计算机组成，计算机通过专门的软件或程序对接收到的各项数据进行处理与分析，判定结构的内力和位移等各项指标；4）报警、通讯系统，假如将监测系统通过通过局域网或者因特网与外界相连，并设置结构出现较危险变形或内力时向预先设定的电子邮箱发送警告，那么便可以实现自动预警功能，因为已经介入到互联网，所以平时工程人员也可以通过网络远程访问监控系统，查看和拷贝各项监测数据，或者随时更改系统的各项参数设置[27]。
图2.1 健康监测系统的组成部分和工作流程图
...........................
3 包头体育场的结构特性和监测需求分析................................14
3.1工程概况......................... 14
3.2 计算机模拟分析..................14
4. 包头体育场健康监测系统的整体设计.....................30
4.1 监测系统的组织构成............................ 30
4.2 监测点设置.............................30
5.系统运行成果..............................47
5.1监测流程及计划...............................47
5.2 杆件应力应变监测结果的计算和分析...........................49
5.系统运行成果
5.1监测流程及计划
监测系统的运行流程如下：如前所述，本项目中系统采用了较为先进的Zigbee 无线数据传输技术，系统工作时，只需将主拱上的各无线数据采集器和接受室内的接收器上电开机，所有设备即自动进行通讯并组网，当数据被布置在结构重要位置的传感器采集到后，通过无线通讯传送到安装在数据接收室的计算机中，监测系统软件可以实时显示并记录各监测点得到应变数值（如图5.1），系统获得结构的应变和温度变化数据后，监测人员通过 MATLAB 程序首先对应变和温度数据进行计算来获得各监测点的应力、截面轴力和杆件弯矩等结构内力的数据，进而能够对杆件的稳定性进行核验，最终输出应力变化曲线和杆件稳定性验算结果这两类主要的结果，系统工作流程如图5.2 所示。
图5.1 应变监测系统工作的界面
.............................
6结论与展望
本文以包头奥林匹克体育中心主体育场为项目依托，设计并实施了适用于大跨度钢结构体育场的健康监测系统。目前系统设备状态良好，系统运行稳定，测量和通过对结构应变数值以及环境条件变化等信息的采集和处理，以及后期的内力计算、强度和稳定性校核、绘制各监测指标的内容图谱等手段，基本达到了预期的目标，测量结果为掌握结构的状态提供了第一手的资料，分析结果为后续对于结构可靠度和的研究工作提供了可靠的技术支持和数据来源，为后期综合判断结构的状态和计算结构可靠度等研究任务建立了基础，为同类型体育场的使用和养护，尤其是针对我国中西部高海拔地区大跨度钢结构建筑的健康监测系统的构建提供了理论依据和一定的借鉴参考价值。本文的主要研究结果如下：
（1）提出了针对大跨度钢结构的的监测系统的设计原则：在监测的内容上，应当根据被监测目标的结构特点、使用环境和当前已经出现的结构病害等
