大跨度空间结构是公共建筑所常采用的结构形式,其造型优美、甚至可成为城市现代化的标志,但其受力却十分复杂,一旦发生破坏将造成严重的经济损失和极坏的社会影响,为了充分把握空间结构的受荷与受力特点,近年来土木工程领域中的健康监测成为了热点研究方向,其通过在结构上布设传感网络,实时地把握足尺结构真实的荷载和受力状态,是保障结构健康与安全的有效手段;此外,一个安装了健康监测系统的结构,相当于一个真实的现场试验系统,可从中揭示出结构受力和服役过程的性能演变规律,为结构分析与设计理论的发展与完善提供宝贵的资料。本文以国家游泳中心(“水立方”)工程为背景,对其进行了为期4年(建设过程与服役期间)的监测,取得了宝贵的数据;并对其进行了深入系统的分析,同时,结合数值模拟技术,揭示了该类结构建设与服役过程中的受荷与受力特点,为该类结构的分析和设计理论的发展与完善提供了科学依据。本文主要研究内容包括:提出了大跨度空间钢膜结构健康监测系统和施工卸载监控系统的设计方法,并为国家游泳中心设计了健康监测与施工卸载监测系统。对国家游泳中心施工卸载过程中的结构杆件和支撑体系应变响应进行了实测研究,并结合数值模拟技术,揭示出施工卸载过程中结构与支撑体系的受力状态变化特点,并对施工过程合拢温度取值方案及施工卸载方案进行了对比性优化分析,提出了较优的选取方案。研究了结构温度应力的产生原理及基于光栅光纤技术应变传感器的温度补偿原理,基于国家游泳中心监测数据,研究该类结构温度场分布规律,并构造了温度与结构应变响应的神经网络模型,揭示了温度与结构应变的变化规律及时滞效应,在此基础上,结合雪荷载及其应变监测数据,提出了雪荷载应变的分离方法,最后,从实测和数值模拟角度研究了该结构的温度场、温度应变和雪荷载应变的变化规律及其分布规律。基于现场监测数据,提出基于静力统计荷载分级的大跨度空间结构损伤诊断方法,证明了该方法的有效性;同时,基于温度对结构模态参数的影响原理,采用现场监测数据研究国家游泳中心的动力模态参数对温度的敏感性规律。基于现场监测数据,对ETFE充气膜结构的模态参数进行了识别,并采用现场监测与CFD数值模拟的混合子结构方法计算充气膜结构气动参数,得到气动参数的时变规律及随风速的变化规律。对国家游泳中心风环境监测数据进行统计分析,得到风速、风向及风压等参数的分布及变化规律,为该类结构的抗风分析与设计提供参考。