第1章绪论
1.1空间结构健康监测的需求
1.1.1空间结构的应用和发展
空间结构是大跨度、大空间和大面积建筑与工程结构的主要形式，在国家基础设施与城市建设领域有重大需求，同时其应用与推广也是一个国家建筑科技水平的重要衡量标准。相较于平面结构，空间结构在外部荷载作用下具有三维受力的特点，其优势在于结构受力合理、使用空间大、工业化程度高及结构形式多样等。因此，该类结构广泛应用于体育场馆、交通枢纽及会展中心等地标性建筑。
20世纪80年代以来，空间结构在全球范围蓬勃发展，各种新型空间结构形式不断涌现。通常空间结构按形式可分为薄壳结构、网壳结构、网架结构、悬索结构和膜结构五大类。21世纪以来，我国的综合国力发展取得了举世瞩目的成就，在经济、文化、体育等重要领域取得了重要突破，跻身****行列。2008年北京夏季奥运会、2010年广州亚运会、2010年上海世博会、2022年北京冬季奥运会和2023年杭州亚运会的顺利举办，更是为我国大型空间结构的蓬勃发展增添了充足动力。如今，空间结构的形式已不仅仅局限于以往传统的网架结构、网壳结构，而是向索杆结构与索膜结构等新结构体系发展。各种新型的空间结构形式不断涌现，造型新颖的地标性大型公用建筑和民用设施在全国广泛应用，其中具有显著影响力和代表性的有国家体育场“鸟巢”、国家速滑馆“冰丝带”和北京大兴国际机场等，如图1.1.1所示。
图1.1.1我国典型空间结构
1.1.2空间结构的监测必要性
在空间结构走向兴盛的同时，依然不可忽视其在安全性上存在的潜在风险。一方面，空间结构大多为创新性的结构设计，结构传力路径错综复杂，其工程庞大，施工过程复杂，部分新工艺缺乏充足的工程案例经验，部分结构的设计已超出结构规范的设计范围；另一方面，空间结构的建筑功能性强，安全可靠度要求高，但其所处的外界环境状况较为复杂，各类荷载的作用具有显著的随机性。此外，由于环境侵蚀、材料老化、疲劳效应等各种因素的影响，其性能状态存在较大的不确定性。外界环境和内部退化的协同作用，使得空间结构在全寿命周期过程中的性能状态不断转变。结构健康监测能够有效地定量获取结构在复杂工况下的响应，实时反映结构的性能状态，弥补了数值仿真与模型试验难以精确模拟其施工和运营复杂全过程的局限，对保障空间结构安全具有重要意义。
通常结构的全寿命周期可以分为规划设计阶段、施工阶段、运营阶段、改造加固阶段以及拆解回收阶段等，如图1.1.2所示，而结构风险则主要集中于结构施工、运营和改造加固三个阶段。因此，空间结构健康监测需考虑结构不同风险阶段的典型特点，进而在全寿命周期的各阶段充分发挥不同的研究意义和应用价值。在施工阶段，空间结构存在整体滑移、临时支承卸载以及预应力张拉等复杂的施工过程，导致结构出现风险的概率相对较高。空间结构的施工全过程是时变过程，实际完成结构与理论设计结构的内力水平图1.1.2结构全寿命周期示意图
和结构状态存在一定差距，而结构健康监测是定量获知差距大小*直接有效的手段。在运营阶段，空间结构会受到长期的环境侵蚀、材料老化以及疲劳效应等各种因素的影响而产生相应的结构退化。同时，刚性空间结构由于太阳辐射以及建筑构造的影响通常处于非均匀温度场，导致其温度效应极其复杂；而柔性空间结构具有质量轻、柔度大、阻尼小以及自振频率低等特点，属于风敏感结构，风荷载成为控制结构设计的主要荷载之一。在改造加固阶段，空间结构经历了漫长的演变，既有结构状态相较于初始状态发生了较大的变化，而结构健康监测是获知结构当前状态*直接有效的手段，为制定合理有效的改造方案提供科学指导。可见，对空间结构进行全寿命周期的长期跟踪监测，分析特殊构件、关键部位的受力变化规律以及主控荷载的作用特征，并把握结构整体的性能状态及其演化规律，对设计科学的改造修缮方案和预测结构服役寿命具有十分重要的意义。
1.2结构健康监测的主要内涵与概念
1.2.1结构健康监测的主要内涵
结构健康监测（structural health monitoring，SHM）定义为利用传感技术获取结构荷载与响应的关键信息，通过现场测量数据分析和挖掘获得结构性能表征，进而评估当前结构健康状态与服役能力的一般过程。具体来说，结构健康监测是通过在施工中或建成后的结构构件上设置传感或驱动元件，定时探测结构内部与环境因素耦合作用下的参数改变，并通过实时采集与信号传输，使监测单位及时获取与结构性能状况有关的各类信息，从中提取损伤特征因子，进行状态识别、健康评估、灾害预警等实际应用的技术。可见，结构健康监测的内涵在于：基于传感技术，通过对结构的物理力学性能进行无损检测，实时监控结构的整体状态，对结构的损伤、退化进行诊断，对结构的承载能力、服役状况、可靠性和耐久性等进行智能综合评估，同时在突发情况下或结构状态异常时发出预警提示，从而为结构的维护与管理决策提供指导和依据。
结构健康监测是一个跨学科、多领域的综合性技术，包含结构分析技术、传感技术、测试技术、通信技术、信号分析技术、计算机技术和数据挖掘处理技术等。对结构进行长期健康监测意义重大。
（1）可以实时或准实时地对结构出现的损伤进行诊断，及时发出危险预警，从而避免或减小事故发生造成的损失。
（2）对发现的损伤原因或异常情况进行分析，从而提供合理的维护建议。
（3）在结构突发事件后对其安全状态进行评估，或在服役后期预测其使用寿命。
（4）监测所得的实测数据和分析结果可以提高研究人员和设计人员对大型复杂结构的认识，为今后的设计和建造提供参考依据。
1.2.2结构健康监测的若干概念
基于上述结构健康监测的主要内涵，有必要对其中涉及的概念进行进一步说明。阐述结构健康的基本概念，厘清结构损伤的定义与成因，明确结构状态评估的范畴，有助于进一步理解结构健康监测。
1.结构健康
结构健康是指结构部件或系统具备出色执行其既定功能的能力。通常，结构的既定功能包含以下四点。
（1）能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用。
（2）在正常使用条件下应具有良好的使用性能。
（3）在正常维护条件下应具有足够的耐久性能。
（4）在偶然性超载或其他偶然激励条件下仍然保持必需的整体稳定性。
其中，（1）和（4）项为对结构的安全性要求，（2）项为对结构的适用性要求，（3）项为对结构的耐久性要求，它们统称可靠性要求。具体而言，结构健康这个表述中隐含了三层意思：*先，结构至少能够保持既定基本功能，即在全寿命周期下实现并保证预先设定的安全性、稳定性及可靠性规定的功能；然后，还能保持一些研究人员额外期待的功能，如出现超越设计规范的作用时，结构具有抵抗这一作用的冗余度；*后，结构要出色地保持或完成既定功能，这就意味着结构保证这些功能的能力强，各种裕量充足。
2.结构损伤
结构损伤是指在结构的长期服役过程中，工程结构的初始设计性能会不可避免地发生各种偏离和下降，直接导致结构状态向趋于不利的方向发展，进而影响结构健康。一般而言，结构损伤可以简化为结构刚度、质量的损失，也可以归因于阻尼的改变，质量通常假设不变。尽管出现结构损伤的成因非常复杂，但可将其大致分为三类：结构自身性能退化、结构局部刚度损伤及使用条件损伤。结构自身性能的退化一般是由材料劣化、收缩徐变等原因引起的，常常导致结构特性变化和结构抗力退化，从而危及结构健康。同样，对于结构局部刚度损伤，常规意义上也有复杂的产生机理，有偶然性撞击、爆炸作用留下的突发性局部受力面积缺损导致的刚度损伤，也有结构局部性能偏离和下降导致的局部缓变刚度损伤，还有刚度损伤带来的阻尼损伤，以及结构性能劣化带来的阻尼损伤。而使用条件损伤是指结构不再满足使用条件的要求，如屋面结构必须有一定的支撑条件，屋面板必须有相当平顺的铺装层等，当这些条件与设计不符时，就可能危及结构的健康。
3.结构状态评估
结构状态评估一般包含异常状态识别与健康状态评价，即需要回答结构中是否存在结构自身性能退化、结构局部刚度损伤及使用条件损伤，并且指出结构当前健康状态的程度。通常，异常状态识别是对结构刚度异常的识别，一般不直接进行结构刚度损失的探测，而是通过测量静力物理量和动力物理量（频率、振型等），依据可测量与结构刚度的物理力学关系，间接地得出与结构状态相关的信息。而健康状态评价则是基于结构健康状态内在与外在的监测指标，构造统一的评价标准对结构安全状态或安全等级进行定量评价，得出*终健康状态程度的结论。
1.3结构健康监测的应用现状
1.3.1国内外应用基本情况
结构健康监测技术起源于20世纪50年代，*初目的是进行结构的荷载监测。随着结构日益向大型化、复杂化和智能化发展，结构健康监测技术的内容逐渐丰富起来，不再仅仅是荷载监测，而是向结构损伤检测、损伤评估、结构寿命预测乃至结构损伤自动修复等方向发展。受制于早期落后的监测手段和技术条件，当时的研究缺乏系统性。而随着传感元件、计算机设备的革新，以及健康监测理论研究的深入，结构健康监测已经引起国内外科研人员的高度重视。
结构健康监测在航空航天、机械等领域已经得到广泛的应用，但在土木工程领域，尤其是在建筑结构方面还处于逐步成熟的阶段。20世纪80年代中后期到90年代，结构健康监测系统的研究迅速发展起来，欧美一些国家*先明确提出了结构健康监测的新理念，并先后在一些重要的大跨度桥梁或结构体系新颖的桥梁上安装了健康监测系统，主要监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，用以监测施工质量、验证设计假定和评定结构安全状态(Sohn et al.，2002)。21世纪以来，随着各种监测硬件和软件系统的开发以及相关技术的进步，结构健康监测已经广泛地应用于各类重要结构中，具有代表性的有：中国香港青马大桥(Chan et al.，2006)、中国山东滨州黄河公路大桥(李惠等，2006a，2006b)，韩国珍岛大桥(Jang et al.，2010)，日本明石海峡大桥(Kashima et al.，2001)等大跨度桥梁结构，中国广州塔(陈伟欢等，2012；Ni et al.，2009)、中国上海中心大厦(Zhang et al.，2016；Su et al.，2013)、中国深圳京基100大厦(谢壮宁等，2016)等高耸结构。桥梁结构和高耸结构的一维线性特征使得结构健康监测系统的建立和工作较为容易实现，传统的有线监测系统也在实际工程上得到了大规模应用。考虑到空间结构分布面域大、体系分类多、施工难度高以及荷载效应复杂的特点，结构健康监测技术在空间结构中的应用就成为新的挑战。
1.3.2空间结构领域的应用
伴随着我国大跨度空间结构研究与建设的浪潮，结构健康监测在大跨度空间结构领域得到了广泛的应用和发展（罗尧治等，2022）。空间结构健康监测的发展具有多维度循序渐进的特点：在监测周期方面，从施工阶段短期监测发展到服役阶段长期监测；在监测内容方面，从单一内力监测扩展到多维结构参数监测；在监测技术方面，从施工繁复的有线传感技术进步到安装便捷的无线传感技术；在数据分析方面，逐渐由基于模型的方法过渡到数据驱动的监测分析理论。同时，纵观空间结构健康监测的发展历史，大致经历了起步阶段、发展阶段和成熟阶段三个时期。
在空间结构监测技术的起步阶段，我国的监测技术研发水平相对较弱，不具备从无到有*立开发完善的监测系统的能力。为了应对空间结构日益增长的健康监测需求，光纤光栅技术开始应用于部分工程的施工阶段，如杭州未来世界网架屋盖、新乡火电厂干煤棚以及北京华能热电厂干煤棚等，如图1.3.1所示。但由于监测项目工程经验匮乏及监测设备维护意识薄弱，有线（光纤）传感技术距离实现长期监测这一目标仍然存在着一定的差距。无线传感器技术也在这一阶段出现在研究者的视线中
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