钢结构自动化监测：核心要素、布点原则、设备部署及预警设定详解

以下从核心要素、布点原则、设备部署、预警设定四个方面展开说明：

监测核心要素划分

钢结构监测，要紧密扣住“整体稳定性，关键构件性能，连接节点状态”的关联规律，具体的监测要素，能够分为三大类：

1.整体变形监测

对大跨度钢结构来讲 其自身空间形态的变化态势 是用于评估该结构整体安全状况的核心指标 这一指标能够反映出相关情况

竖向位移，其中涵盖屋盖或者楼盖的挠度，此挠度处于跨中以及四分之一跨位置，还包含支座沉降，分别是固定支座与滑动支座的沉降情况，另外整体垂直度，也就是钢柱顶端相对于底部的偏移情况等 。

二、水平位移：大跨度桁架存在侧向偏移，也就是平面外位移，网架结构在地震或者强风作用下会产生整体水平漂移，还有悬臂构件具有端部水平位移等 。

3) 振动特性包含，结构的自振频率，此自振频率要与设计值进行对比，还有振动加速度，该振动加速度是在强风或者人群荷载的情况下，另外还有振动模态，需通过振动模态判断是否出现损伤等 。

2.构件与材料性能监测

针对钢结构关键构件的力学性能及材质劣化：

受拉区与受压区主桁架构件的应力1)，上下端及中部钢柱的轴向应力2)，处在荷载传递路径上支撑构件的应变3)，这些都属于应力应变范畴 。

钢材存在锈蚀程度情况，涂层破损区域会出现这种锈蚀，还存在疲劳损伤现象，应力集中部位会有疲劳损伤，另外钢材力学性能也出现退化，比如屈服强度降低等，这些都属于材质劣化 。

3) 构件出现变形情况，其中包括受压构件存在整体稳定问题，这是因长细比过大进而导致屈曲现象的发生，还有受弯构件出现局部变形，具体是翼缘或者腹板产生局部屈曲状况，另外存在构件截面发生变化的情形，这是由腐蚀或者磨损所引致的 。

3.连接节点与附属设施监测

关注钢结构连接部位及相关设施的状态：

节点连接时，存在螺栓连接的预紧力，此预紧力针对高强度螺栓，还存在焊接节点处的应力集中，该应力集中在焊缝区域，另外还有节点位移，节点位移是相对转动或滑动等情况 。

滑移面等

3)附属设施：防火涂层完整性方面包括厚度及破损情况，防腐涂层状态涉及起皮或剥落，拉索或吊杆张力针对大跨度索结构等来考量其情况 。

监测点布设原则

对监测点进行布设的时候，所要遵循的原则是“关键部位优先”，以及“受力路径覆盖”，还有“动静结合”，具体的情况如下：

监测因素

典型布设位置

整体变形监测

竖方向的位移，在大跨度梁的跨中位置也就是挠度最大的那个点，在屋盖网架节点处每 10m×10m 的网格设置 1 个点，在支座的地方进行沉降监测 。

- 水平位移：桁架平面外侧两边（侧向偏移监测处），结构边角柱的顶端（整体水平漂移所在），悬臂端的端部（水平位移之处）。

振动特性，在结构质量中心附近，存在加速度传感器，于主振型节点处，有着振动监测。

构件与材料监测

应力应变方面，主桁架构件存在受拉区，此受拉区位于跨中底部，其受压区在跨中顶部，另外钢柱上下端有轴向应力 。

涂层破损处，这是锈蚀监测的所在之处，应力集中的圆角或开孔那里，属于疲劳监测范畴，潮湿环境中的构件，乃是锈蚀加速区，这些情况都存在材质劣化现象 。

杆件发生变形，钢柱其中受压，长细比相对较大些，针对中部挠度展开监测，受弯构件的翼缘部分，针对其局部屈曲实施监测。

连接节点与附属监测

构件节点连接，有高强度螺栓群，于每个节点会选取三到五个螺栓来监测预紧力，还有重要焊接节点的焊缝，针对该焊缝要进行应力集中监测，另外存在可动节点，此节点要开展相对位移监测。

- 支座装置为，有滑动支座以及其滑移面，此滑移面需要进行位移监测，还有固定支座，该固定支座要做反力监测，再有支座转动轴，此轴需开展磨损监测。

附属设施包括，防火涂层存在薄弱的区域，像是构件的拐角之处，拉索或者吊杆的两端位置，这里要进行张力监测，防腐涂层出现破损的地方，需实施状态监测。

设备部署规范

设备进行部署，要去适应钢结构所具有的大跨度情况，还要适应高空作业的状况，以及动态荷载环境，需要着重关注下边这些要点：

1.设备选型适配

1)环境适应性方面：传感器要拥有抗风振的能力，也就是减少振动干扰，还要具备耐温差的能力，其工作范围是零下二十摄氏度至六十摄氏度；室外钢结构监测设备需要有防雨雪的性能，防护等级为IP66，还要有着抗紫外线的能力，以此来避免材质老化。

2)精度要求，应力应变传感器的精度要达到正负一微应变，位移监测设备像全站仪的精度要达到正负零点五毫米，振动传感器的频率响应范围要覆盖结构自振频率。

装置安装适配性方面，设备主体的体积要达成小型化的标准（举例贴片式应变片尺寸要小于等于10mm×5mm的情况），重量要保持较轻的状态（单个设备重量小于等于100g），以此来防止对构件受力状况造成影响；针对高空进行安装的设备，要拥有防坠落的设计（比如添加安全绳固定这种方式）。

2.安装工艺要求

1) 无损安装：传感器与构件相连接，其采用粘贴方式（借助专用结构胶）或者磁吸附方式，以此避免在构件之上钻孔（因为钻孔会影响结构强度）；若进行高空安装，那么需使用吊篮或者高空作业车，从而确保安装人员的安全。

(2)位置要精准：应力应变传感器粘贴时得沿着构件主应力方向来进行，偏差要小于等于5°；位移监测靶标要和监测设备之间视线保持通畅，不存在遮挡情况；振动传感器要与构件进行刚性连接，共振频率要比结构自振频率高。

3)防护措施，室外传感器要加装防护罩，其具备抗冲击、防腐蚀的特性，线缆要沿构件表面敷设，且要用专用卡具固定，目的是避免随风摆动而磨损，高空设备须设置警示标识，以此防止碰撞。

3.数据质量保障

校准机制：针对应力应变传感器，在其安装之后，要开展现场校准这般的校准行为（校准方式为加载试验对比）；对于位移监测设备，每月都要和基准点进行校准；振动传感器每季度都要实施灵敏度校准。

2)干扰予以排除：电磁式传感器要远离强电磁场，像变压器、电机这类；应变片需要进行温度补偿，目的是消除温度变化对测量所产生的影响；无线传输设备需避开信号遮挡区域，例如大型构件阴影区 。

4.运维可行性

可达性方面的设计要求如下，其一，监测点要尽可能设置在方便能够到达的位置，比如说像走道附近那样的地方；其二，针对高空监测设备而言，必须预留出可供检修的通道或者平台；其三，对于电池供电的设备来讲，其续航的能力必需是大于或等于1年，目的在于减少更换的频次 。

安全保障方面，高空作业时运维人员要系好安全带；设备更换要在结构荷载较小的时段开展，像夜间或者低荷载期；要针对重要监测点设置备用设备，以此来防止数据中断。

预警值设定逻辑

衡量预警值，要依据钢结构设计规范，考量跨度大小，结合使用环境，动态地去确定，它一般被划分成三级，分别是 关注值，所谓关注值也就是轻微异常的情况，还有预警值，这预警值提示需做出干预，另外还有紧急值，紧急值意味着要立即进行处置

1.预警值确定依据

标准规范要求，参考《钢结构设计标准》（GB50017）等，其中受拉构件应力不应超过屈服强度的80%，同时大跨度梁挠度限值为跨度的1/250 。

2)结构特性：大跨度钢结构，其跨度大于30米，这种结构的预警值，比中小跨度结构要严格；重要构件，比如主桁架，其预警值比次要构件严格；承受动荷载的结构，像桥梁，还有体育馆，需要提高预警灵敏度。

（3）运行数据，将结构竣工验收时候的监测数据用作基准值，在参数偏离基准值百分之二十以上之际启动关注预警，结合历史数据趋势，于变化速率加快之时提前预警。

2.典型预警值示例

监测因素

关注值（示例）

预警值（示例）

紧急值（示例）

跨中挠度

达到跨度的1/500

达到跨度的1/350

达到跨度的1/250（设计限值）

构件应力

达到屈服强度的60%

达到屈服强度的75%

达到屈服强度的90%（接近屈服）

螺栓预紧力

低于设计值的10%

低于设计值的20%

低于设计值的30%（连接松动）

振动加速度

0.1g

0.2g

0.3g（可能导致结构损伤）

支座位移

超过设计允许值的50%

超过设计允许值的80%

超过设计允许值的100%（支座失效风险）

3.动态调整方式

按照固定周期来做评估，每2年的时候，要结合结构检测报告，像荷载试验、还有无损检测这些，去调整预警值；面向那些使用年限迈过超过20年范围的钢结构，要将预警阈值适度调低句号。

2)工况适配：于强风天气来临前，使振动、位移预警灵敏度得以提升；在地震这种恶劣天气之前也同样如此；于大型活动举办期间比如说体育馆赛事之时，让人群荷载相关的预警值实现降低。

总结，构建钢结构自动化监体系，要聚焦大跨度特性，要精准布设监测点，要适应高空环境，要动态响应工况变化，最终实现从被动检测到主动预警的转变，保障大跨度钢结构安全稳定运行。