《Applied Sciences》：Detection and Safety Assessment of Large Stadium Structures Based on Millimeter-Wave Radar
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大型体育场常采用大跨空间钢屋盖体系，需高效非接触监测手段。研究人员提出一种基于毫米波雷达的检测与安全评估方法，针对某在役大型体育场屋盖开展研究。研究人员采用毫米波雷达与同址加速度计对代表性钢桁架进行环境振动测试，利用峰值拾取（Peak Picking，PP）与
大型体育场常采用大跨空间钢屋盖体系，需高效非接触监测手段。研究人员提出一种基于毫米波雷达的检测与安全评估方法，针对某在役大型体育场屋盖开展研究。研究人员采用毫米波雷达与同址加速度计对代表性钢桁架进行环境振动测试，利用峰值拾取（Peak Picking，PP）与随机子空间识别（Stochastic Subspace Identification，SSI）识别模态频率与振型；建立无损伤有限元模型解释实测模态信息并模拟局部刚度折减工况。雷达识别的前四阶竖向频率分别为3.32、7.03、10.35与13.18 Hz，加速度计结果为3.32、7.03、10.35与13.48 Hz，前三阶在报告精度下一致，第四阶相对差异约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，可指示近似异常区域；现场被测桁架未观测到显著局部模态异常，与现场巡查一致。该研究展示了融合非接触雷达测量、运行模态识别、有限元支撑解释与初步状态评估的完整流程。
研究背景方面，大跨公共建筑如体育场、展览馆与机场航站楼常采用空间钢系统，具有大跨、复杂几何与多维传力特征。长期服役中受材料劣化、腐蚀、风、温度、雪载与地震作用影响，动态特性与构件状态可能演化，因此需高效检测、结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）与可靠状态评估。传统方法包括收敛计、水准仪、全站仪、加速度计、光纤应变传感、GNSS、近景摄影测量与地面激光扫描，各具局限：接触式安装维护工作量大，光学法受光照与视距限制，GNSS采样率与高频局振灵敏度不足。毫米波雷达（30–300 GHz）具备高采样率、亚毫米量级精度、非接触与多点监测能力，其中调频连续波（Frequency-Modulated Continuous-Wave，FMCW）雷达因低功耗、紧凑与场适应性强，适于短期结构测试。既有雷达监测多聚焦桥梁等线状结构，对大跨空间屋盖因几何复杂、可测自由度稀疏而研究有限。鉴于齐齐哈尔与佳木斯体育馆坍塌等事故凸显及时巡检必要性，研究人员开展本项融合雷达测量、模态识别与有限元解释的综合评估框架研究，论文发表于《Applied Sciences》。
关键技术方法上，研究人员于2025年4月21日至30日对某在役体育场（2010年建成，Q345B钢屋盖，典型桁架跨71.6 m）代表性钢桁架半跨布置3个测点（x=8.5、20.2、35.8 m），各点设角反射器供便携式FMCW毫米波雷达（北京工业大学与国家安全发展中心研发，50 m内精度优于0.2 mm，采样≤50 Hz，测距>150 m）观测，并同址布设941B低频加速度计参照；全站仪定站与反射器坐标以定义雷达视线（Line of Sight，LOS）几何。每记录180 s环境振动，经去均值与线性去趋势后，用PP与SSI辨识前四阶竖向模态，借桁架近似对称将半跨3测点模态纵标镜像重构为5点剖面。同步建立ANSYS 14.5无损伤有限元模型（BEAM188梁单元、MASS21集中质量、COMBIN14弹簧支座，708节点1948单元，E=2.06×1011 Pa，ν=0.30，ρ=7850 kg/m3），提取前20阶取前四竖向模为基准；在单榀桁架分三区模拟小、中、大刚度折减，用归一化模态曲率变系数（基于模态斜率与曲率归一化组合指标）定位异常，再将雷达实测模态形状与有限元基准比对算现场安全指标。
研究结果部分，第二章毫米波雷达检测方法阐明了微波干涉相位测LOS位移原理（d=λΔφ/4π，λ为电磁波长，Δφ为形变相位差），并给出模态曲率κ≈φ''及归一化组合损伤敏感指数公式体系，构建模态曲率变系数安全指标。第三章大型体育场现场测试中，工程背景段说明被测体育场钢筋砼下部与钢屋盖体系及71.6 m代表桁架坐标定义；环境振动测试段指出雷达与加速度计同址采集，SSI稳定图依极点跨阶持续性择物理模；测试数据分析段报告雷达前四频3.32、7.03、10.35、13.18 Hz，加速度计3.32、7.03、10.35、13.48 Hz，前三阶一致、四阶差约2.2%，半跨对称重构得5点竖弯振型剖面，并指出远距回声质量下降与对称重构不能区分对称位异常的局限。第四章基于模态曲率的安全评估中，有限元建模段给出单元类型、弹簧支座模拟支撑柔度与前四数值竖弯模；模拟损伤与现场评估段显示数值三区刚度折减下模态曲率变系数峰位与预设损伤区吻合，而现场雷达模态与有限元基准比对曲线无显著局部峰，与目检无异常一致，明确现场仅验证测量流程而非损伤定位实验。
讨论与结论翻译：本研究针对大型体育场钢屋盖提出融合毫米波雷达、运行模态识别、有限元分析与模态曲率状态筛查的完整流程，雷达与同址加速度计前三维频一致、四阶差约2.2%证实用雷达环境振测可行；数值刚度折减表明归一化模态曲率变指标对局部刚度变化敏感并可指示近似空间位置，现场未现持续局部模态异常，该结果属初步筛查而非证明桁架无劣化，因指标按工况内归一化仅用于相对异常定位而非定量严重度分类。方法局限为单雷达仅测LOS分量、半跨对称重构、依赖有限元基准；未来应开展全跨多点、多视角雷达、有限元更新、环境补偿及受控或独立确认损伤验证。
整体意义在于，研究人员首次在在役大跨体育场屋盖将FMCW毫米波雷达与SSI、对称重构及模态曲率指标链通，提供一套不依赖光照、少布点、可快速部署的非接触初筛路径，为公共大跨空间结构巡检从单一接触传感向雷达—数值联合评估延伸提供工程级证据。
