《Applied Sciences》：DynBudget: Adaptive Risk Calibration and Dynamic Budgeting for Safe Reinforcement Learning Under Distribution Drift
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大型体育馆通常采用大跨度空间钢屋盖系统，需要高效的非接触式监测。本研究提出了一种基于毫米波雷达的检测与安全评估方法，用于大型在役体育馆屋盖。研究人员（研究人员替代“我们”）对代表性钢桁架进行了环境振动测试，使用了毫米波雷达和共位加速度计，并通过峰值拾取法和随机
大型体育馆通常采用大跨度空间钢屋盖系统，需要高效的非接触式监测。本研究提出了一种基于毫米波雷达的检测与安全评估方法，用于大型在役体育馆屋盖。研究人员（研究人员替代“我们”）对代表性钢桁架进行了环境振动测试，使用了毫米波雷达和共位加速度计，并通过峰值拾取法和随机子空间识别（SSI）识别了模态频率和振型。研究人员建立了未损伤有限元模型（FE model）以解释测得的模态信息并模拟局部刚度降低场景。雷达识别的前四阶垂直频率为3.32、7.03、10.35和13.18 Hz，而加速度计结果为3.32、7.03、10.35和13.48 Hz。前三阶频率在报告精度下相同，第四阶频率差异约为2.2%。数值结果表明，基于模态曲率的安全指标（Safety Indicator）对局部刚度退化敏感，并能指示近似异常区域。在现场测试的桁架中未观察到明显的局部模态异常，这与现场检查一致。本研究展示了一个集成工作流程，结合了非接触雷达测量、运行模态识别、有限元支持解释及大型体育馆屋盖的初步状态评估。
**研究背景与问题**
大型体育馆、展览厅和机场航站楼等大跨度公共建筑常采用空间钢屋盖系统，具有大跨度、复杂几何形状、多节点类型和显著的三维荷载传递机制。这些结构作为重要城市公共服务设施，在长期服役中受材料退化、腐蚀、风、温度变化、雪荷载和地震作用影响，其动力特性和局部构件状态可能随时间变化。因此，高效检测、结构健康监测（SHM）和可靠状态评估对确保在役体育馆结构安全运行至关重要。现有研究已证实振动监测和运行模态分析的价值，但传统接触式传感器安装维护工作量大，尤其对于高处或难以接近的结构构件。毫米波雷达因高采样率、亚毫米测量能力、非接触操作和多目标监测能力而受到关注，但在大型体育馆屋盖等空间结构中的应用仍有限，主要因为空间荷载传递机制、复杂屋盖几何、传感器可达性受限和可测自由度稀疏。此外，近年来体育馆屋盖坍塌事故凸显了及时结构检测和风险识别的重要性，亟需快速、可靠且可部署的状态评估技术。
**研究内容与结论**
本研究针对大型在役体育馆钢屋盖，开发了一种集成非接触模态测试与状态评估框架，结合毫米波雷达测量、运行模态识别、有限元支持解释及基于模态曲率的安全指标。主要结论包括：（1）雷达识别的前三阶垂直频率与共位加速度计在报告精度下一致，第四阶频率差异约2.2%，验证了基于雷达的环境振动测量可行性；（2）数值刚度降低案例表明，归一化模态曲率变化指标对局部刚度变化敏感，并能指示其大致空间位置；（3）现场测试中未观察到明显局部模态异常，与现场目视检查一致，但该结果属于初步条件筛查，并非完全无退化的确证。该研究发表于《Applied Sciences》。
**关键技术方法**
（1）毫米波雷达干涉测量：利用调频连续波（FMCW）雷达，通过分析雷达回波相位变化获取沿视线方向（LOS）的位移，采样频率≤50 Hz，测量精度优于0.2 mm（50 m内），可在光照、降雨和风影响下实时获取非接触动力数据。
（2）运行模态识别：采用峰值拾取法（PP）和随机子空间识别（SSI）从环境振动响应中识别模态频率和振型，通过稳定图区分物理模态与数值噪声。
（3）有限元建模：在ANSYS 14.5中建立未损伤钢屋盖有限元模型，使用BEAM188梁单元模拟主桁架杆件，MASS21集中质量单元模拟非结构质量，COMBIN14弹簧单元模拟支座柔性，通过特征值分析计算前20阶模态，选取前四阶垂直振动主导模态作为数值基线。
（4）基于模态曲率的安全指标：定义归一化模态曲率变化系数，结合多个模态的模态曲率变化，通过数值刚度降低场景（小、中、大损伤）评估其局部化能力，并应用于现场实测振型与有限元基线对比。现场测试样本来自一个大型室内体育馆（2010年竣工，Q345B钢），对代表性桁架（跨度71.6 m）在2025年4月21日至30日进行环境振动测试，沿桁架布置3个测点（MP1–MP3，坐标x=8.5、20.2、35.8 m），每个测点安装角反射器用于雷达观测和共位加速度计，采用全站仪确定几何关系，振动记录时长180 s。
**研究结果**
**3. 大型体育馆现场测试**
**3.1. 工程背景**：研究对象为大型室内体育馆，由钢筋混凝土下部结构和长跨度钢屋盖系统组成，屋盖杆件采用Q345B钢，2010年竣工。测试桁架代表跨度为71.6 m，沿纵向定义x坐标，在8.5、20.2、35.8、51.4、63.1和71.6 m处用于振型重建和状态指标评估。
**3.2. 环境振动测试**：2025年4月21日至30日，使用毫米波雷达和加速度计对屋盖钢桁架进行测试。三个测点沿代表性桁架布置，每个测点安装角反射器和共位加速度计。FMCW雷达位于桁架下方，通过全站仪确定雷达站和角反射器位置。941B低频加速度计作为参考传感器。每个振动记录持续180 s。采用随机子空间识别（SSI）识别固有频率和振型。振动响应主要由环境激励引起，未量化不同激励源的相对贡献。
**3.3. 测试数据分析**：通过峰值拾取法（PP）和SSI识别了屋盖桁架的主导垂直振动频率。雷达数据识别的前四阶频率为3.32、7.03、10.35和13.18 Hz，加速度计数据为3.32、7.03、10.35和13.48 Hz，前三阶相同，第四阶差异约2.2%。由于测点仅布置在半跨（MP1、MP2、MP3，MP3位于桁架中心），基于对称性将测点振型坐标关于MP3反射，得到五点半跨振型轮廓。该半跨测量布置是工程折中，保证了雷达信号质量，但可能引入误差，无法区分对称位置的异常。数据预处理包括选择有效时段、去均值与线性趋势、频谱初步峰值识别、SSI验证、振型归一化与对称扩展。
**4. 基于模态曲率的安全评估**
**4.1. 有限元建模**：在ANSYS 14.5中建立钢屋盖有限元模型，采用BEAM188梁单元模拟主桁架杆件，MASS21单元模拟非结构质量，COMBIN14弹簧单元模拟支座柔性。模型包含708个节点和1948个单元，构件截面属性根据设计图纸分配，材料为Q345B钢（弹性模量2.06×10
11 Pa，泊松比0.30，密度7850 kg/m
3）。混凝土下部结构未详细建模，以弹簧约束代替。通过特征值分析计算前20阶模态，选取前四阶垂直振动主导模态作为数值基线。计算频率与实测频率对比见表2。
**4.2. 模拟损伤与现场测试评估**：将单榀桁架划分为三个区域，模拟小、中、大损伤场景（见表3），通过降低所选杆件刚度贡献引入局部退化。计算每个损伤案例的模态曲率变化系数，结果显示该指标对局部刚度减小敏感，能准确识别损伤区域（图13）。最后，以未损伤有限元模型振型为基线，以毫米波雷达实测振型（图9）为当前状态，计算现场桁架的模态曲率变化系数（图14）。现场衍生的条件筛查指标未出现与模拟损伤模式相关的明显局部峰值，表明测试桁架在可用测量和数值基线范围内无明显局部模态异常，与现场目视检查一致。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究仅对无已知损伤的体育馆屋盖进行现场测试，因此现场测量验证了基于雷达的振动测量和模态识别流程，但未构成损伤定位的直接实验验证。模态曲率指标的敏感性通过理想化数值刚度降低场景评估，未来需通过实验室试件、受控损伤试验或独立确认损伤的在役结构进一步验证。
结论部分翻译如下：
本研究研究了基于毫米波雷达的大型体育馆钢屋盖检测与安全评估方法，结合了现场环境振动测试和有限元损伤模拟。主要结论如下：（1）开发了集成毫米波雷达、运行模态识别、有限元分析和基于模态曲率的状态筛查工作流程。雷达识别的主导垂直频率与共位加速度计结果吻合良好，前三阶频率在报告精度下相同，第四阶频率差异约2.2%，证实了基于雷达的环境振动测量可行性。（2）数值刚度降低案例表明，归一化模态曲率变化指标对局部刚度变化敏感，并能指示其大致空间位置。在现场测试中，未观察到明显且一致的局部模态异常。该结果是初步条件筛查结果，而非测试桁架完全无退化的确证。由于指标在每个条件下归一化，用于相对异常定位而非定量损伤严重程度分类。该方法仍存在若干局限性：单雷达仅测量视线方向位移分量，有限测点需对称重建未测半跨，结果依赖于所采用的有限元参考模型。未来工作应考虑全跨多点测量、多视角雷达配置、有限元模型更新、环境补偿以及使用受控或独立确认的结构退化进行验证。
