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結構健康監測：大跨穹頂與懸挑結構的安全守護者

2025-07-11 09:54:05上海隼(sun)星傳(chuan)感技術有限公司3

; 在建筑與工程的(de)前沿，一套看不見的(de)智(zhi)能神經系統正守護著(zhu)那些(xie)挑戰重力的(de)龐然大物——它感知應力、預警風險，讓不(bu)可(ke)能的(de)建(jian)筑成為(wei)可(ke)靠的(de)城市地標。

國家(jia)科技(ji)傳播中心巨大(da)的穹頂之下，58米跨度(du)的預應力(li)穹頂與14米超長(chang)的重型懸挑(tiao)結構在(zai)空中交匯。這個組合結構體系的安全保(bao)障，來自于200多個傳感器組成的(de)監測(ce)網絡(luo)，它們(men)如同建筑的(de)“末梢神經”，實時(shi)捕捉(zhuo)著結構的(de)每(mei)一(yi)次(ci)“呼吸”與“心跳”。

在(zai)現代建筑工(gong)程中，大跨重(zhong)型(xing)穹頂(ding)與懸挑(tiao)組合結(jie)構因其恢弘氣勢(shi)和空間(jian)表(biao)現力(li)，成為體育場館(guan)、交(jiao)通(tong)樞紐和文化地(di)標(biao)的(de)首選。然而這類結(jie)構的(de)施工(gong)和運營安全面臨巨大挑(tiao)戰：懸挑(tiao)部(bu)位的(de)變形控制(zhi)、穹頂(ding)節點(dian)的(de)應力(li)集(ji)中、預應力(li)損失等問題時(shi)刻威脅著(zhu)結(jie)構安全。

01 技術必要(yao)性

傳統監測(ce)方(fang)法在面對(dui)(dui)大(da)(da)跨(kua)懸挑和穹(qiong)頂結(jie)構時顯得力不從心。人工測(ce)量方(fang)式操(cao)作復雜、效率低(di)、誤差大(da)(da)，難以(yi)反映結(jie)構整體變形狀態；而常規監測(ce)技術需要(yao)外(wai)部設備(bei)全方(fang)位(wei)覆(fu)蓋(gai)，對(dui)(dui)施工現(xian)場環境要(yao)求極高。

不連續支承弦(xian)支穹頂等復雜(za)(za)結(jie)構在(zai)施(shi)工事故(gu)中，主要原因(yin)之一(yi)是未對結(jie)構復雜(za)(za)受(shou)力(li)性能進行狀(zhuang)態監控。在(zai)結(jie)構服役期，環(huan)境變化、材料損傷(shang)老化及偶(ou)然荷載的共同作用將導致結(jie)構抗力(li)衰減，甚至引發災(zai)難(nan)性事故(gu)。

太原植物園主入口懸挑鋼結(jie)構的監測實(shi)踐(jian)揭(jie)示(shi)了一個殘酷現實(shi)：有限元(yuan)分析顯示(shi)其關鍵(jian)相貫節點(dian)雖滿足規范要求(qiu)但安全儲備(bei)較小，存在重大隱患。這種“符合規范卻不安(an)全”的(de)現象在復雜結構中尤為突出。

02 關鍵技術(shu)突破(po)

現代結構健康監(jian)測系(xi)統已形成完整(zheng)技術(shu)鏈(lian)條，融合(he)了多學科前沿成果：

多傳(chuan)(chuan)感(gan)器融合(he)監測(ce)：振(zhen)弦應(ying)變(bian)(bian)計感(gan)知構(gou)件表(biao)面微應(ying)變(bian)(bian)，磁通量傳(chuan)(chuan)感(gan)器捕捉拉索(suo)索(suo)力變(bian)(bian)化，高(gao)精(jing)度全(quan)站儀(yi)追蹤節點(dian)位移(yi)，加速(su)度傳(chuan)(chuan)感(gan)器記錄(lu)結構(gou)動態響應(ying)，形(xing)成立(li)體監測(ce)網絡。

數字孿生技(ji)術應用(yong)：天津大學團隊開發的(de)(de)簡(jian)化模型數字孿生框(kuang)架解決了實(shi)(shi)時(shi)計算難題，將多維(wei)高階(jie)物理模型簡(jian)化為低階(jie)近似模型。實(shi)(shi)驗驗證表明，該系統對索力監測(ce)的(de)(de)平(ping)均(jun)相對誤差小于3.85%，計算速度達到(dao)0.5秒/次。

智(zhi)能(neng)預(yu)警(jing)平(ping)臺(tai)：中(zhong)建五局(ju)開發(fa)的系統將(jiang)實時(shi)數據(ju)與(yu)預(yu)制(zhi)三維模型比對，用顏色變化直觀顯示結(jie)構(gou)狀態(tai)。當監(jian)測(ce)數據(ju)異常時(shi)，系統通(tong)過4G/5G網(wang)絡即時報警，異常(chang)示警率高(gao)達(da)99.99%，數據(ju)傳輸延時小于1ms。

深(shen)度學習算法：山西建工與太原(yuan)理工大學合作項目采用CNN+LSTM混合(he)算(suan)法，基于貝葉斯(si)優化的(de)測點布置(zhi)方(fang)案，實(shi)現對結構響應(ying)的(de)精準預(yu)測，大(da)大(da)提前了預(yu)警時間窗(chuang)。

03 工(gong)程應用前(qian)沿

這些(xie)技術已在多個重大工程項目(mu)中成功應用：

國家(jia)科技(ji)傳(chuan)播(bo)中(zhong)心項(xiang)目(mu)中(zhong)，技(ji)術團隊(dui)采(cai)用結構有限(xian)元(yuan)分析與預(yu)應力施(shi)工模擬相結合的(de)方(fang)式制定監測方(fang)案。系統實(shi)現了模型預(yu)測控(kong)制、智能(neng)診斷和多(duo)傳(chuan)感器融合，可精準(zhun)判斷結構損傷位置(zhi)及(ji)程度(du)。

2008奧運羽毛(mao)球館(guan)弦支(zhi)穹頂（跨度93米）監測(ce)中，研究人員基于灰色模型理論對索力數據建立(li)預測(ce)模型。監測(ce)發現：施工完成后，索力與構件(jian)內力波動率隨時間不(bu)斷減(jian)小，約6個(ge)月(yue)后趨于穩定(ding)，驗證了結構體系的(de)可靠性(xing)。

太(tai)原植物園(yuan)懸(xuan)挑結(jie)構監測布點采用有限元輔助優化技術，共布置178個應變傳感器、4個風速儀(yi)、8個溫度傳感器和6個加速度傳感器。通過大數(shu)據分析(xi)，團隊發(fa)現溫度變化是導(dao)致懸挑端部位移(yi)波動的(de)主(zhu)要因(yin)素，位移(yi)單(dan)日變化幅度可達設計值的(de)15%。

04 未來趨(qu)勢

結(jie)構(gou)健(jian)康監測技術正在(zai)向智能化(hua)、可(ke)視化(hua)、預見性方向快速演進：

數(shu)字孿生(sheng)深度應用：天津(jin)大學劉紅波團隊的研究(jiu)表(biao)明，空間結構(gou)數(shu)字孿生(sheng)技術將從“離線仿真(zhen)”轉向(xiang)“在線伴生”，實(shi)現真實(shi)結(jie)構與(yu)虛擬(ni)模型(xing)的雙向交互與(yu)實(shi)時修正(zheng)。

邊緣計算賦能(neng)：新一(yi)代監測系(xi)統將(jiang)分析功(gong)能(neng)前移(yi)至傳感器終端(duan)，大幅降(jiang)低數(shu)據傳輸量，提升系(xi)統響應速(su)度，滿足大跨結構毫秒級(ji)預警需(xu)求。