大跨空间结构索膜体系张拉施工应力监测研究

引言

大跨空间结构索膜体系以其轻盈、美观、大跨度等优势，在体育场馆、展览馆等大型公共建筑中得到了广泛应用。索膜体系的张拉施工是一个复杂的过程，施工过程中索膜的应力状态会不断变化，若应力控制不当，可能导致结构变形过大、局部应力集中甚至结构破坏等问题。因此，对索膜体系张拉施工过程进行应力监测至关重要。通过实时监测索膜的应力变化，可以及时发现施工过程中的异常情况，为施工决策提供依据，确保施工过程的安全和结构的可靠性。

一、应力监测方法与技术

1. 传感器的选择与布置

传感器是应力监测的关键设备，其性能直接影响监测结果的准确性。在大跨空间结构索膜体系张拉施工应力监测中，常用的传感器有应变片、光纤光栅传感器、振弦式传感器等。应变片具有体积小、价格便宜等优点，但抗干扰能力较弱， 且易受环境温湿度影响，在长期监测中存在一定的局限性；光纤光栅传感器具有精度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好等优势，适用于复杂环境下的长期监测，但成本较高，安装调试要求较高；振弦式传感器具有稳定性好、量程大、便于远距离传输信号等优点，在索力监测中应用广泛，尤其适用于对测量稳定性和重复性要求较高的场合。

传感器的布置应根据索膜体系的结构特点和施工过程进行合理设计。一般来说，应在索膜的关键部位，如索的锚固端、跨中，膜的边缘及连接节点等位置布置传感器，以全面掌握结构受力状态的变化情况。应考虑传感器的数量和间距，既要避免因布点过密造成资源浪费，也要防止因布点稀疏导致数据不完整，从而影响整体分析效果。在布置传感器时，还应注意传感器的安装方式和保护措施，例如采用防水、防尘、防机械损伤的设计，避免传感器在施工过程中受到损坏。此外，还需结合结构健康监测系统的整体架构，预留接口，实现数据采集系统的集成化与自动化。

2. 监测方法的比较与应用

目前，大跨空间结构索膜体系张拉施工应力监测方法主要有直接测量法和间接测量法。直接测量法是通过传感器直接测量索膜的应力或应变，如应变片测量法、光纤光栅测量法等，具有响应速度快、测量精度高的优点，适用于关键控制点的实时监测。其中，应变片可贴附于索材或膜材表面，实时反映局部应力变化；光纤光栅传感器则可通过波长位移反映应力变化，具有良好的长期稳定性，适用于复杂环境下的动态监测。

间接测量法则是通过测量与应力相关的物理量，如索的振动频率、膜的变形、索力等参数，结合理论模型反演计算索膜的实际应力水平。常见的方法包括振弦式测量法、激光扫描测量法、摄影测量法等。振弦式测量法通过测定索的自振频率推算索力，操作简便、适用性强，是目前工程实践中较为成熟的方法之一；激光扫描测量法则通过非接触式测量获取膜面变形信息，进而反演应力分布，适用于大面积柔性结构的快速检测。

直接测量法虽然测量精度高，但需要在索膜上安装传感器，可能会对索膜的结构性能产生一定的影响，且布设难度较大；间接测量法无需直接接触被测对象，对索膜的结构性能影响较小，适合广域监测，但其依赖于数学模型和假设条件，测量精度相对较低。在实际工程中，应根据具体情况选择合适的监测方法。对于精度要求较高的关键部位，可以采用直接测量法；对于大面积的索膜系统或难以布设传感器的区域，则宜采用间接测量法作为补充。同时，也可考虑将两种方法结合使用，形成互补机制，提高监测的可靠性与全面性。

二、应力监测数据处理与分析

1. 数据采集与存储

数据采集是应力监测系统中的关键环节，其准确性与可靠性直接影响后续的数据处理、分析结果以及施工过程的实时控制。在数据采集过程中，应根据索膜结构的受力特性、监测精度要求及环境干扰因素，选择高性能的数据采集设备，如高精度多通道数据采集仪、嵌入式采集系统或分布式光纤解调设备等。同时，需合理设定采集参数，包括采样频率、触发方式、采集周期等，以确保能够捕捉到结构在张拉过程中的动态响应和长期变化趋势。为保障采集数据的完整性与连续性，应对采集设备进行定期校准与维护，避免因设备故障或环境干扰造成数据丢失或异常。

数据存储作为数据管理的基础环节，应在满足高效存取的同时兼顾数据安全性与可追溯性。宜采用结构化数据库（如 MySQL、PostgreSQL）与非结构化文件存储（如 HDF5、CSV）相结合的方式，实现原始数据、处理中间数据及分析结果的分类存储与版本管理。应建立完善的数据备份机制，定期执行本地与远程双备份策略，防止因硬件损坏、系统崩溃或人为误操作导致数据丢失。此外，还应结合工程信息化管理系统，实现数据的自动化归档与可视化查询，提高数据管理效率与利用率。

2. 数据处理与分析方法

数据处理是对采集得到的原始应力数据进行预处理的过程，目的是消除噪声干扰、修正异常值并提升数据质量，为后续分析提供可靠基础。常用的处理方法包括数字滤波、小波去噪、插值补偿与曲线拟合等。其中，数字滤波可用于去除信号中的高频噪声或低频漂移；小波去噪适用于非平稳信号的降噪处理，具有良好的时频局部化特性；插值法可在数据缺失情况下通过线性插值、样条插值等方式恢复完整数据序列；拟合方法则可通过多项式回归或最小二乘拟合等手段提取数据的趋势项，揭示结构受力演变规律。

数据分析是对处理后的数据进行深入挖掘，提取关键特征信息，为施工控制、状态评估及预警决策提供科学依据。常用分析方法包括统计分析、时域分析与频域分析等。统计分析主要通过对数据均值、方差、标准差、概率分布等统计量的计算，评估结构应力状态的稳定性和离散性；时域分析则关注数据随时间的变化趋势，识别结构在不同施工阶段的应力响应规律；频域分析借助傅里叶变换或小波变换将数据从时域转换至频域，识别结构振动频率成分，判断是否存在共振或异常振动现象。对于复杂的大跨空间索膜体系，还可引入机器学习算法对历史数据进行建模分析，提升数据分析智能化水平，实现结构状态的预测与评估。

结论

本文对大跨空间结构索膜体系张拉施工应力监测进行了深入研究，得出以下结论：1. 在传感器的选择与布置方面，应根据索膜体系的结构特点和施工过程，合理选择传感器类型，并进行科学的布置，以确保能够全面、准确地监测索膜的应力变化。2. 不同的应力监测方法各有优缺点，在实际工程中应根据具体情况选择合适的监测方法，也可以将多种监测方法相结合，以提高监测结果的准确性和可靠性。3. 数据处理与分析是应力监测的重要环节，通过合理的数据采集、存储、处理和分析方法，可以及时发现施工过程中的异常情况，为施工决策提供科学依据。未来，随着传感器技术、数据处理技术的不断发展，应力监测的准确性和可靠性将不断提高，为大跨空间结构索膜体系的建设提供更加有力的保障。

参考文献：

[1] 贾斌 ， 李柯燃 ， 黄友帮 . 大跨斜拉空间结构预应力施工控制及监测技术 [J]. 施工技术 ，2018，47（15）：73-77.

[2] 耿艳丽 . 索膜结构的初始形状确定及张拉施工模拟分析 [D]. 华南理工大学 ，2011.