1引言
超高層建筑結(jié)構(gòu)的使用期限通常長(zhǎng)達(dá)幾十年乃至上百年。在其使用過程中, 由于超常荷載、材料老化、構(gòu)件缺陷等因素的作用, 結(jié)構(gòu)將逐漸產(chǎn)生損傷累積, 從而使結(jié)構(gòu)的承載能力降低, 抵抗自然災(zāi)害的能力下降。如遇地震、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)難性荷載作用時(shí), 就可能遭受極為嚴(yán)重的破壞, 給國家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。因此, 監(jiān)測(cè)和診斷超高層結(jié)構(gòu)的健康狀況, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷, 對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè), 評(píng)估服役結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r
2.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)(Structure H ealth Monitoring, 簡(jiǎn)稱SHM)是用探測(cè)到的響應(yīng), 結(jié)合系統(tǒng)的特性分析, 來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重性以及定位損傷位置。其基本思想是通過測(cè)量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應(yīng)來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化, 進(jìn)而探測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷; 或者通過持續(xù)監(jiān)測(cè)來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期退化。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可適用于所有種類的結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是集現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、傳感、信號(hào)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與管理、軟件開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)、智能控制器等為一體, 多學(xué)科相互交叉。 國外在20世紀(jì)50年代開始結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究, 主要運(yùn)用于航空航天及機(jī)械等領(lǐng)域, 大約在20世紀(jì)70年代末, 有國外的學(xué)者開始研究土木工程方面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。至今, 國內(nèi)外重大工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。早期, 人工監(jiān)測(cè)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要方式,通過具有豐富經(jīng)驗(yàn)工程師的肉眼觀察、常規(guī)檢測(cè)儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行巡查, 然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)做出判斷和決策。后來隨著計(jì)算機(jī)在土木工程中廣泛應(yīng)用, 出現(xiàn)了集中式在線監(jiān)測(cè),這種方式是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和損傷識(shí)別, 主要功能于一體, 投資少, 但是由于測(cè)點(diǎn)數(shù)目和系統(tǒng)功能有限, 只能適用于空間跨度不大、測(cè)點(diǎn)少的結(jié)構(gòu)。為了在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和空間跨度大的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè), 出現(xiàn)了分布式在線監(jiān)測(cè), 這種系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)管理等功能, 采用多臺(tái)計(jì)算機(jī), 通過傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一個(gè)完整的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它適用于如橋梁、超高層等復(fù)雜結(jié)構(gòu), 由于采用分布式技術(shù), 系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜, 技術(shù)難度大, 投資較高。
集中式和分布式在線監(jiān)測(cè)只能在結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè), 無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)或多個(gè)用戶同時(shí)在線監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展解決了這個(gè)問題, 它是在分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用了Internet和Intranet技術(shù), 實(shí)施遠(yuǎn)程診斷和訪問, 充分利用了遠(yuǎn)程技術(shù)支持和數(shù)據(jù)共享,大大提高了損傷診斷和結(jié)構(gòu)健康評(píng)估的準(zhǔn)確性。這種系統(tǒng)將是今后土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)
由于健康監(jiān)測(cè)在土木工程起初主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 形成的橋梁的監(jiān)測(cè)理論是基于歐拉梁的形式, 如曲率模態(tài), 它只考慮了彎曲變形的影響。超高層結(jié)構(gòu)體系一般采用筒中筒、框筒、框剪結(jié)構(gòu), 因此在側(cè)向荷載作用下, 還需要考慮剪切變形的影響。直接將橋梁監(jiān)測(cè)理論應(yīng)用于超高層還需要進(jìn)一步探討。不同于橋梁或普通建筑, 超高層結(jié)構(gòu)具有非常大的高度, 風(fēng)荷載往往成為結(jié)構(gòu)的控制荷載。
在側(cè)向荷載作用下, 超高層結(jié)構(gòu)的水平位移過大容易引起結(jié)構(gòu)損壞或失穩(wěn), 從而影響結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性, 因此對(duì)超高層結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測(cè)與控制是超高層健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。以往橋梁或普通建筑位移監(jiān)測(cè)主要使用加速度傳感器、激光全站儀或位移計(jì), 但由于超高層建筑獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系、動(dòng)力特性和周邊環(huán)境, 這些方法一定程度上應(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)還不太成熟, 水平位移監(jiān)測(cè)相對(duì)比較難。目前, 還未有成熟的理論和技術(shù)來監(jiān)測(cè)超高層的水平位移。
2.3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用狀況
近幾十年來, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有了一定的發(fā)展, 但還未成熟, 因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還未廣泛應(yīng)用于現(xiàn)今的超高層建筑。80年代初, 國外開始對(duì)高層建筑作長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。如M. Ce lebi等人對(duì)于1982年在美國舊金山建成的一棟24 層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了長(zhǎng)期地震監(jiān)測(cè)。該鋼框架結(jié)構(gòu)高86. 6 m, 平面尺寸為21.3mX27.4m。采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確地獲得了結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的加速度和側(cè)移, 為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估、維護(hù)以及抗震性能研究提供了有效的資料 。2002年初, 在加利福尼亞理工學(xué)院米利肯圖書館大樓內(nèi)建立了一個(gè)真正的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)被稱作R2SHAPE, 即實(shí)時(shí)建筑狀態(tài)和性能評(píng)估的縮寫。它是加利福尼亞理工學(xué)院、美國地質(zhì)調(diào)查局、數(shù)字化數(shù)據(jù)系統(tǒng)股份有限公司共同創(chuàng)建的。大樓內(nèi)新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共有36個(gè)點(diǎn), 都安裝了力平衡加速度計(jì), 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換, 采樣率每秒100點(diǎn)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí), 大量的數(shù)字信號(hào)通過TCP / IP協(xié)議傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng), 這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到異地的服務(wù)器上, 并公布于互聯(lián)網(wǎng)上 。在國內(nèi), 瞿偉廉等在深圳市民大廈的屋頂部分安裝了一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該屋頂為長(zhǎng)486m、寬156m 的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu), 跨中豎向桁架支撐在塔上。該系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)組成, 其中, 傳感器子系統(tǒng)測(cè)量屋頂部分的風(fēng)壓和反應(yīng), 結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的反應(yīng)并進(jìn)行安全評(píng)定。傳感器子系統(tǒng)包括光纖傳感器、應(yīng)變片、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計(jì)和加速度傳感器。結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基礎(chǔ)上, 可以進(jìn)行屋頂結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、模型修正和安全評(píng)定。所有監(jiān)測(cè)的信號(hào)均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中, 數(shù)據(jù)庫通過局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸 。除此之外,深圳地王大廈、上海金茂大廈和杭州市民中心等超高層建筑也做了相關(guān)方面的應(yīng)用和研究。
3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述
3.1功能
一般超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的功能:
實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體和局部狀態(tài);
對(duì)結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度做出診斷;
評(píng)估結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性以及剩余壽命;
發(fā)生臺(tái)風(fēng)、地震或爆炸等突發(fā)災(zāi)難事件或結(jié)構(gòu)發(fā)生異常狀態(tài)時(shí), 判斷結(jié)構(gòu)的安全等級(jí), 保證人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全, 并且在事后為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理決策提供依據(jù);
設(shè)計(jì)驗(yàn)證與理論研究。
3.2設(shè)計(jì)原則
超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要遵循功能要求和效益- 成本分析兩大準(zhǔn)則。對(duì)于超高層建筑結(jié)構(gòu), 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能一般為結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證或研究發(fā)展。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能確定以后, 就可以決定選擇哪些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。另外, 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模和儀器性能要求等的確定也需要充分衡量效益與成本的關(guān)系。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本通常比較大, 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及傳感器數(shù)量越多, 監(jiān)測(cè)信息就越全面, 從而系統(tǒng)成本就越高; 反之, 如果降低系統(tǒng)成本, 將由于監(jiān)測(cè)信息的不足而使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性降低。因此, 為了使系統(tǒng)成本更合理, 在目的與功能已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上,還有必要對(duì)效益與成本進(jìn)行充分衡量。超高層結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、連續(xù)的在線監(jiān)測(cè), 所以除了前兩大準(zhǔn)則以外, 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還必須滿足可靠性、耐久性和系統(tǒng)性。在建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí), 在成本允許的基礎(chǔ)上, 盡量選擇高可靠和高耐久的儀器設(shè)備。并且, 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也需要優(yōu)化, 盡量做到路徑簡(jiǎn)潔、反應(yīng)迅速; 在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置時(shí), 注意施工質(zhì)量, 避免留下隱患。
3.3監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不盡相同, 主要包括以下幾方面。
1) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)
對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷或老化, 會(huì)不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼的變化, 進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和模態(tài)參數(shù)等變化, 結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測(cè)的目的是通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、加速度時(shí)程記錄、頻響函數(shù)來推算結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化, 從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別、模型修正和損傷識(shí)別。所以結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有巨大的工程意義的, 它是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一項(xiàng)主要內(nèi)容。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)
超高層結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)水平位移。結(jié)構(gòu)水平位移過大, 將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、傾斜、或損傷, 甚至達(dá)到一定程度時(shí), 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加速度過大引起室內(nèi)人員不適。在現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中, 對(duì)超高層建筑的頂端位移和層間水平位移都有嚴(yán)格的限制 。除此之外, 超高層結(jié)構(gòu)水平變形曲線也是變形監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容, 它在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)垂直方向的剛度變化, 是損傷判斷的重要依據(jù)之一。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測(cè)
超高層局部監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括巨型柱、核心筒墻體、外伸桁架等重要構(gòu)件和一些結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)。這些構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度降低或損傷容易引起結(jié)構(gòu)整體的不穩(wěn)定, 引起安全隱患。因此, 對(duì)這些構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)、強(qiáng)度、耐久性(混凝土碳化、鋼筋腐蝕以及開裂等) 和溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè), 及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷部位也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。
4) 荷載監(jiān)測(cè)
荷載監(jiān)測(cè)目的在于記錄超高層經(jīng)受的各種可變荷載及其歷程, 為結(jié)構(gòu)自診斷分析提供荷載數(shù)據(jù)。一般來說, 超高層荷載監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是風(fēng)荷載和地震荷載。超高層結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)荷載敏感建筑。隨著高度的增加, 風(fēng)荷載往往成為超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制荷載, 并且頻繁發(fā)生的風(fēng)力作用容易引起構(gòu)件或關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的永久變形, 增加結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)和屈服破壞的可能, 從而降低結(jié)構(gòu)的可靠度, 因此, 抗風(fēng)設(shè)計(jì)歷來是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)于超過一定高度的超高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載方面的理論和規(guī)定相對(duì)還不完善。通過超高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)測(cè), 獲得超高層不同風(fēng)場(chǎng)特性不僅有助于超高層結(jié)構(gòu)在風(fēng)場(chǎng)中的行為及其抗風(fēng)穩(wěn)定性的分析, 為結(jié)構(gòu)安全、可靠性評(píng)估提供依據(jù), 同時(shí), 還促進(jìn)了超高層抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)工程的理論研究。地震荷載也是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的荷載監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一, 它主要的作用是記錄地震荷載及其歷程, 為環(huán)境激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析提供依據(jù)。并且, 獲得的地震觀測(cè)資料可以促進(jìn)我國的地震動(dòng)方面的研究。
3.4系統(tǒng)組成
一個(gè)完整超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分: 傳感器子系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)健康診斷與安全評(píng)估子系統(tǒng);數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。
3.4.1傳感器子系統(tǒng)
傳感器是進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的源頭, 能夠?qū)⒓铀俣?、速度、位移、?yīng)力應(yīng)變和溫度等測(cè)量參數(shù)直接轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)輸出, 擔(dān)負(fù)感知外界環(huán)境變化和收集外界信息的任務(wù), 它的性能和布置方法直接決定了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、精確性和全面性。適用于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器系統(tǒng)必須具備以下幾個(gè)特性:
(1) 傳感器的性能指標(biāo)滿足測(cè)量要求。各種不同的傳感器具體的要求更不相同, 主要包括量程、精確度、靈敏度、分辨率、頻響范圍等。除此之外, 傳感器工作的溫度范圍、濕度范圍或其他干擾范圍滿足使用環(huán)境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 一般情況下工作環(huán)境比較穩(wěn)定, 但其運(yùn)行周期長(zhǎng)達(dá)幾年甚至幾十年, 因此, 傳感器還應(yīng)該具備高可靠性和耐久性。
(3) 與采集、通信等系統(tǒng)兼容, 具有一定的擴(kuò)展性。傳感器收集到的環(huán)境和結(jié)構(gòu)信號(hào)通常要經(jīng)過調(diào)理器的調(diào)理放大后才能被顯示、傳輸和記錄。通常不同的傳感器具有相匹配的調(diào)理器, 在選擇傳感器時(shí)要考慮對(duì)應(yīng)這種傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式是否與后續(xù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和通信設(shè)備相容。另外, 由于超高層結(jié)構(gòu)可能會(huì)有比較多的測(cè)點(diǎn), 在選擇采集設(shè)備時(shí)還應(yīng)該考慮設(shè)備的通道擴(kuò)展性, 以滿足需要。
(4) 傳感器元件不影響結(jié)構(gòu)的外觀與性能。先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展要求不僅要求傳感器具有高精度、高可靠性和高耐久性, 而且還要求尺寸小,重量輕, 不影響結(jié)構(gòu)的外形和性能。需要預(yù)埋的傳感器應(yīng)該易和原結(jié)構(gòu)材料融合, 對(duì)原材料影響小。
由于功能、結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境的特征, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與其他重大工程結(jié)構(gòu)(橋梁、道路等)有所不同。應(yīng)針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和不同的待測(cè)參數(shù), 選擇相應(yīng)的傳感器。
1) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)的傳感器用于記錄結(jié)構(gòu)在動(dòng)載下的速度和加速度反應(yīng)譜。振動(dòng)傳感器是一種換能裝置, 它將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于傳輸、放大和記錄的電信號(hào)。由振動(dòng)傳感器的原理決定, 加速度傳感器較速度傳感器在構(gòu)造上更容易實(shí)現(xiàn), 因此加速度傳感器應(yīng)用更為普遍。常用加速度傳感器主要包括壓電式加速度計(jì)、壓阻式加速度計(jì)、電容式加速度計(jì)、力平衡式加速度計(jì)等。用于超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的加速度儀需重點(diǎn)考慮有效頻帶和分辨率兩個(gè)指標(biāo)。有效頻帶指?jìng)鞲衅髂苡行y(cè)試各種頻率振動(dòng)的頻率范圍。
該頻率范圍的下限應(yīng)低于被測(cè)結(jié)構(gòu)的基本頻率,而上限應(yīng)高于希望測(cè)試的結(jié)構(gòu)高階模態(tài)頻率。分辨率指?jìng)鞲衅魍ㄟ^放大器后能感受到的小信號(hào)水平, 可以認(rèn)為是測(cè)試系統(tǒng)的大噪聲水平。傳感器的分辨率可按信噪比不小于4確定。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的傳感器
變形監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)建筑物位置的緩慢變化或周期較長(zhǎng)的變形。超高層結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)主要是水平位移監(jiān)測(cè), 其包括結(jié)構(gòu)頂端位移監(jiān)測(cè)和整體水平變形監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的位移測(cè)量?jī)x器有加速度傳感器、位移傳感器和激光全站儀等。但是, 由于超高層結(jié)構(gòu)形式特殊, 這些儀器的測(cè)量方法對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)并不適用。比如: 超高層結(jié)構(gòu)振動(dòng)緩慢, 通過加速度傳感器測(cè)得的加速度來求位移的方法誤差大, 不能滿足監(jiān)測(cè)精度的要求; 位移傳感器是一種接觸性傳感器, 必須與測(cè)點(diǎn)直接接觸, 對(duì)于如超高層結(jié)構(gòu)的大型結(jié)構(gòu)物測(cè)量有巨大的困難; 另外, 激光全站儀雖然精度比較高, 但是, 當(dāng)結(jié)構(gòu)擺動(dòng)或振動(dòng)太大時(shí)很難捕捉到監(jiān)測(cè)點(diǎn), 尤其是在惡劣天氣(如臺(tái)風(fēng)、大雨或濃霧等)情況下激光跟蹤目標(biāo)困難, 實(shí)時(shí)性差。超高層結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)主要采用傾斜儀和全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)。
傾斜儀通常用于測(cè)量結(jié)構(gòu)主要豎向承重構(gòu)件(核心筒、剪力墻等與結(jié)構(gòu)整體變形相一致的構(gòu)件)豎向的傾角變化。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)頂端水平位移, 還能獲得超高層結(jié)構(gòu)沿豎直方向的傾角變化。一般情況下, 超高層結(jié)構(gòu)整體水平變形情況按照結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為剪切型、彎曲型、彎剪型; 復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)往往需要設(shè)置加強(qiáng)層, 這時(shí)結(jié)構(gòu)整體水平變形通常不是簡(jiǎn)單的上述三種類型, 而是它們之間的組合。因此, 為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)的整體水平變形狀態(tài), 需要設(shè)置數(shù)個(gè)或者數(shù)十個(gè)豎直分布的傾斜儀。由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式和健康監(jiān)測(cè)的特點(diǎn), 對(duì)傾角儀的性能指標(biāo)(靈敏度、量程、頻帶寬度、噪聲、零位漂移和運(yùn)行環(huán)境溫度等)需要仔細(xì)考慮。
目前, 應(yīng)用于超高層變形監(jiān)測(cè)的儀器還有GPS。GPS具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、操作方便等突出的特點(diǎn), 但是它的測(cè)量精度一直是它廣泛應(yīng)用的瓶頸。戴吾蛟等為了研究GPS在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中能夠達(dá)到的測(cè)量精度, 設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠進(jìn)行不同頻率和振幅水平振動(dòng), 且能夠輸出精確振動(dòng)位移量的振動(dòng)臺(tái)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在小波去噪及多路徑重復(fù)性誤差模型改正后, 在開闊的弱多路徑環(huán)境下, 能夠測(cè)得振幅為2mm 頻率、低于1H z的振動(dòng)位移; 而在多路徑效應(yīng)較強(qiáng)的情況下, GPS 能夠滿足振幅大于20 mm 頻率、低于0. 5 H z的振動(dòng)位移測(cè)量要求。因此, GPS應(yīng)用于這超高層的位移監(jiān)測(cè),是符合測(cè)量精度要求的。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測(cè)的傳感器
超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件監(jiān)測(cè)包括對(duì)重要構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變、耐久性、溫度、裂縫等的監(jiān)測(cè), 傳感器按照功能的不同選用。傳統(tǒng)的傳感器有壓電式力傳感器、阻抗傳感器、應(yīng)變片等, 廣泛應(yīng)用于土木工程的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)中?，F(xiàn)今, 隨著材料科學(xué)的發(fā)展, 一些智能材料例如光纖、壓電材料、形狀記憶合金、電阻應(yīng)變絲、半導(dǎo)體材料等的監(jiān)測(cè)精度、耐久性和穩(wěn)定性被證明更符合超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)耐久性、長(zhǎng)期性和可靠性的要求, 以后將成為超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。
4) 荷載傳感器
荷載監(jiān)測(cè)的傳感器按照荷載類型的不同有強(qiáng)震觀測(cè)儀器、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計(jì)等。由于不同的超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境荷載以及建筑特征會(huì)有所不同, 所以, 荷載傳感器的性能指標(biāo)和安裝方法、位置需要嚴(yán)格依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。
3.4.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要包括以下三項(xiàng)功能: 收集傳感器輸出的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理, 如信號(hào)交直分析、信號(hào)濾波、信號(hào)放大、A /D 轉(zhuǎn)換(信號(hào)采集)、采樣控制、信號(hào)預(yù)處理(異常值處理及標(biāo)定)等信號(hào)采集的基本功能; 存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù);把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。它的工作流程一般為: 傳感器將量測(cè)到的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易量測(cè)的電量信號(hào)后, 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換, 將數(shù)值量直接輸入到計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括傳輸電纜/光纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A /D )卡, 數(shù)據(jù)采集儀、工控機(jī)等, 對(duì)于這部分的設(shè)計(jì)除了滿足正常使用, 還應(yīng)該考慮性價(jià)比的原則。軟件部分功能是集成并管理數(shù)據(jù), 將各種數(shù)據(jù)信息有條理、有重點(diǎn)地反饋給監(jiān)測(cè)人員, 并通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。軟件部分的設(shè)計(jì)原則是: 選擇正確的開發(fā)語言或平臺(tái), 具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性, 選擇與目的相匹配的軟件功能, 良好的操作性。
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于Internet / intrane t的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 通過它可以將所有傳感器數(shù)據(jù)的管理和使用工作、部分現(xiàn)場(chǎng)的非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析工作和健康診斷工作在遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加有利于提高數(shù)據(jù)對(duì)象信息應(yīng)用的時(shí)效性, 科研人員和工程技術(shù)人員即使不在控制現(xiàn)場(chǎng), 也可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)運(yùn)行情況和系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)施變化, 并可根據(jù)情況通過網(wǎng)絡(luò)在客戶計(jì)算機(jī)上對(duì)在控制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行于服務(wù)器計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)出命令, 及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況, 從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。這對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
3.4.3結(jié)構(gòu)健康診斷評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康診斷評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)的功能是根據(jù)超高層結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的信息, 科學(xué)地、準(zhǔn)確地、客觀地評(píng)價(jià)超高層結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性能, 為超高層的維護(hù)與管理提供決策依據(jù), 必要時(shí)還發(fā)出預(yù)警以保證人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。
(1) 損傷識(shí)別系統(tǒng)。它基本上可以分為以下幾類: 動(dòng)力指紋分析法、模型修正法與系統(tǒng)識(shí)別法, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法, 遺傳算法, 小波變換法等。目前,在超高層建筑應(yīng)用較為廣泛的為前兩種方法。動(dòng)力指紋分析法。每座構(gòu)筑物都有其動(dòng)力特性, 當(dāng)存在損傷時(shí), 它的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)如剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣等會(huì)發(fā)生變化, 從而引起系統(tǒng)的動(dòng)力特性指紋(模態(tài)參數(shù)、頻響函數(shù))改變。因此, 可以利用損傷前后結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性指紋的變化來識(shí)別損傷。動(dòng)力指紋分析法的核心是, 對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行全面、正確的分類, 建立起結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)時(shí)的動(dòng)力指紋庫和預(yù)估的損傷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫, 再將損傷后的動(dòng)力指紋與損傷數(shù)據(jù)庫中的損傷模式進(jìn)行匹配, 從而識(shí)別損傷。現(xiàn)在通常用的動(dòng)力指紋有頻率、振型、振型曲率/應(yīng)變模態(tài)、柔度等。模型修正法。主要原理是使用動(dòng)力監(jiān)測(cè)信息, 如模態(tài)參數(shù)、加速度時(shí)程數(shù)據(jù)、頻率響應(yīng)函數(shù)
等, 通過條件優(yōu)化約束, 不斷修正模型中的剛度分布, 從而由測(cè)得的模型剛度的退化, 對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行判別和定位。
(2) 安全評(píng)定系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法常用的理論是可靠度理論。安全評(píng)定分為正常使用狀態(tài)安全評(píng)定和極限承載力狀態(tài)安全評(píng)定?？煽慷壤碚撝饕歉鶕?jù)系統(tǒng)或構(gòu)件的實(shí)效模式以確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài), 然后根據(jù)所定義的極限狀態(tài)確定極限荷載、臨界荷載和臨界強(qiáng)度, 得出相應(yīng)的實(shí)效概率、可靠度及可靠性指標(biāo), 從而進(jìn)行安全性評(píng)定。目前, 安全評(píng)定方法還有層次分析法、模糊理論以及專家系統(tǒng)等。
3.4.4 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程中所獲取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理, 通過該系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改、刪除、查詢等操作。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫的性能直接影響整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的方便性與可靠性。數(shù)據(jù)庫按存儲(chǔ)方式可分為集中式數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫。集中式數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)集中在一起進(jìn)行集中管理, 減少了數(shù)據(jù)冗余和不一致性, 其弱點(diǎn)是系統(tǒng)相當(dāng)龐大, 操作復(fù)雜, 開銷大, 處理不同領(lǐng)域問題時(shí)顯得不夠靈活,此外, 由于數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ), 大量的通信要通過主機(jī), 易造成擁堵現(xiàn)象。分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上, 大多數(shù)數(shù)據(jù)處理不通過主機(jī)而由網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上的局部處理機(jī)進(jìn)行, 響應(yīng)速度快, 負(fù)荷可均衡分散, 偶然性故障對(duì)全局的影響小。
4結(jié)論與展望
本文介紹了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性、發(fā)展歷程、特點(diǎn)以及應(yīng)用情況, 并結(jié)合以往大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)和成果, 全面闡述了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各組成部分的功能、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法。健康監(jiān)測(cè)在土木工程起初主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 目前, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)主要來源于橋梁結(jié)構(gòu), 但由于兩者結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測(cè)環(huán)境、荷載作用方式、支座形式等存在差異, 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一些技術(shù)不完全適用超高層建筑, 因此, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的理論和方法還需要不斷地研究與實(shí)踐:
(1) 由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式, 傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法并不適用其水平位移的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。且目前新采用的傾斜儀和GPS監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形的技術(shù)還未發(fā)展成熟, 處于嘗試階段, 還未達(dá)到理想的效果, 許多問題還有待于解決。
(2) 基于無線通訊技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用將是以后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一, 它避免了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建的布線困難,大幅度減少了這方面的成本, 并且不用擔(dān)心信號(hào)線的老化和損壞對(duì)信號(hào)采集的影響。
(3) 傳感器的優(yōu)化布置是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要問題, 處于對(duì)經(jīng)濟(jì)和有效性的考慮,應(yīng)該盡量做到用少的傳感器來獲取有效和全面的結(jié)構(gòu)信息。
(4) 目前, 損傷識(shí)別方法有動(dòng)力分析法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等, 前兩者在超高層健康監(jiān)測(cè)中比較常用, 但在實(shí)際工程中應(yīng)用效果往往不很理想, 未能做到對(duì)損傷精確、量化地識(shí)別, 因此超高層的損傷識(shí)別方法還需要進(jìn)一步的理論研究。
(5) 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究近年來成為了土木工程領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)課題之一, 但目前還缺少其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。
關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和識(shí)別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對(duì)結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時(shí)間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。對(duì)于長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計(jì)結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對(duì)工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一站式解決方案見長(zhǎng)。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、工程安全自動(dòng)化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.tibetyl.com
超高層建筑結(jié)構(gòu)的使用期限通常長(zhǎng)達(dá)幾十年乃至上百年。在其使用過程中, 由于超常荷載、材料老化、構(gòu)件缺陷等因素的作用, 結(jié)構(gòu)將逐漸產(chǎn)生損傷累積, 從而使結(jié)構(gòu)的承載能力降低, 抵抗自然災(zāi)害的能力下降。如遇地震、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)難性荷載作用時(shí), 就可能遭受極為嚴(yán)重的破壞, 給國家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。因此, 監(jiān)測(cè)和診斷超高層結(jié)構(gòu)的健康狀況, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷, 對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè), 評(píng)估服役結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r
2.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)(Structure H ealth Monitoring, 簡(jiǎn)稱SHM)是用探測(cè)到的響應(yīng), 結(jié)合系統(tǒng)的特性分析, 來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重性以及定位損傷位置。其基本思想是通過測(cè)量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應(yīng)來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化, 進(jìn)而探測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷; 或者通過持續(xù)監(jiān)測(cè)來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期退化。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可適用于所有種類的結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是集現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、傳感、信號(hào)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與管理、軟件開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)、智能控制器等為一體, 多學(xué)科相互交叉。 國外在20世紀(jì)50年代開始結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究, 主要運(yùn)用于航空航天及機(jī)械等領(lǐng)域, 大約在20世紀(jì)70年代末, 有國外的學(xué)者開始研究土木工程方面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。至今, 國內(nèi)外重大工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。早期, 人工監(jiān)測(cè)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要方式,通過具有豐富經(jīng)驗(yàn)工程師的肉眼觀察、常規(guī)檢測(cè)儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行巡查, 然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)做出判斷和決策。后來隨著計(jì)算機(jī)在土木工程中廣泛應(yīng)用, 出現(xiàn)了集中式在線監(jiān)測(cè),這種方式是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和損傷識(shí)別, 主要功能于一體, 投資少, 但是由于測(cè)點(diǎn)數(shù)目和系統(tǒng)功能有限, 只能適用于空間跨度不大、測(cè)點(diǎn)少的結(jié)構(gòu)。為了在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和空間跨度大的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè), 出現(xiàn)了分布式在線監(jiān)測(cè), 這種系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)管理等功能, 采用多臺(tái)計(jì)算機(jī), 通過傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一個(gè)完整的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它適用于如橋梁、超高層等復(fù)雜結(jié)構(gòu), 由于采用分布式技術(shù), 系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜, 技術(shù)難度大, 投資較高。
集中式和分布式在線監(jiān)測(cè)只能在結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè), 無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)或多個(gè)用戶同時(shí)在線監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展解決了這個(gè)問題, 它是在分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用了Internet和Intranet技術(shù), 實(shí)施遠(yuǎn)程診斷和訪問, 充分利用了遠(yuǎn)程技術(shù)支持和數(shù)據(jù)共享,大大提高了損傷診斷和結(jié)構(gòu)健康評(píng)估的準(zhǔn)確性。這種系統(tǒng)將是今后土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)
由于健康監(jiān)測(cè)在土木工程起初主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 形成的橋梁的監(jiān)測(cè)理論是基于歐拉梁的形式, 如曲率模態(tài), 它只考慮了彎曲變形的影響。超高層結(jié)構(gòu)體系一般采用筒中筒、框筒、框剪結(jié)構(gòu), 因此在側(cè)向荷載作用下, 還需要考慮剪切變形的影響。直接將橋梁監(jiān)測(cè)理論應(yīng)用于超高層還需要進(jìn)一步探討。不同于橋梁或普通建筑, 超高層結(jié)構(gòu)具有非常大的高度, 風(fēng)荷載往往成為結(jié)構(gòu)的控制荷載。
在側(cè)向荷載作用下, 超高層結(jié)構(gòu)的水平位移過大容易引起結(jié)構(gòu)損壞或失穩(wěn), 從而影響結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性, 因此對(duì)超高層結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測(cè)與控制是超高層健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。以往橋梁或普通建筑位移監(jiān)測(cè)主要使用加速度傳感器、激光全站儀或位移計(jì), 但由于超高層建筑獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系、動(dòng)力特性和周邊環(huán)境, 這些方法一定程度上應(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)還不太成熟, 水平位移監(jiān)測(cè)相對(duì)比較難。目前, 還未有成熟的理論和技術(shù)來監(jiān)測(cè)超高層的水平位移。
2.3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用狀況
近幾十年來, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有了一定的發(fā)展, 但還未成熟, 因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還未廣泛應(yīng)用于現(xiàn)今的超高層建筑。80年代初, 國外開始對(duì)高層建筑作長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。如M. Ce lebi等人對(duì)于1982年在美國舊金山建成的一棟24 層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了長(zhǎng)期地震監(jiān)測(cè)。該鋼框架結(jié)構(gòu)高86. 6 m, 平面尺寸為21.3mX27.4m。采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確地獲得了結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的加速度和側(cè)移, 為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估、維護(hù)以及抗震性能研究提供了有效的資料 。2002年初, 在加利福尼亞理工學(xué)院米利肯圖書館大樓內(nèi)建立了一個(gè)真正的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)被稱作R2SHAPE, 即實(shí)時(shí)建筑狀態(tài)和性能評(píng)估的縮寫。它是加利福尼亞理工學(xué)院、美國地質(zhì)調(diào)查局、數(shù)字化數(shù)據(jù)系統(tǒng)股份有限公司共同創(chuàng)建的。大樓內(nèi)新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共有36個(gè)點(diǎn), 都安裝了力平衡加速度計(jì), 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換, 采樣率每秒100點(diǎn)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí), 大量的數(shù)字信號(hào)通過TCP / IP協(xié)議傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng), 這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到異地的服務(wù)器上, 并公布于互聯(lián)網(wǎng)上 。在國內(nèi), 瞿偉廉等在深圳市民大廈的屋頂部分安裝了一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該屋頂為長(zhǎng)486m、寬156m 的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu), 跨中豎向桁架支撐在塔上。該系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)組成, 其中, 傳感器子系統(tǒng)測(cè)量屋頂部分的風(fēng)壓和反應(yīng), 結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的反應(yīng)并進(jìn)行安全評(píng)定。傳感器子系統(tǒng)包括光纖傳感器、應(yīng)變片、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計(jì)和加速度傳感器。結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基礎(chǔ)上, 可以進(jìn)行屋頂結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、模型修正和安全評(píng)定。所有監(jiān)測(cè)的信號(hào)均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中, 數(shù)據(jù)庫通過局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸 。除此之外,深圳地王大廈、上海金茂大廈和杭州市民中心等超高層建筑也做了相關(guān)方面的應(yīng)用和研究。
3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述
3.1功能
一般超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的功能:
實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體和局部狀態(tài);
對(duì)結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度做出診斷;
評(píng)估結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性以及剩余壽命;
發(fā)生臺(tái)風(fēng)、地震或爆炸等突發(fā)災(zāi)難事件或結(jié)構(gòu)發(fā)生異常狀態(tài)時(shí), 判斷結(jié)構(gòu)的安全等級(jí), 保證人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全, 并且在事后為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理決策提供依據(jù);
設(shè)計(jì)驗(yàn)證與理論研究。
3.2設(shè)計(jì)原則
超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要遵循功能要求和效益- 成本分析兩大準(zhǔn)則。對(duì)于超高層建筑結(jié)構(gòu), 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能一般為結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證或研究發(fā)展。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能確定以后, 就可以決定選擇哪些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。另外, 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模和儀器性能要求等的確定也需要充分衡量效益與成本的關(guān)系。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本通常比較大, 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及傳感器數(shù)量越多, 監(jiān)測(cè)信息就越全面, 從而系統(tǒng)成本就越高; 反之, 如果降低系統(tǒng)成本, 將由于監(jiān)測(cè)信息的不足而使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性降低。因此, 為了使系統(tǒng)成本更合理, 在目的與功能已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上,還有必要對(duì)效益與成本進(jìn)行充分衡量。超高層結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、連續(xù)的在線監(jiān)測(cè), 所以除了前兩大準(zhǔn)則以外, 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還必須滿足可靠性、耐久性和系統(tǒng)性。在建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí), 在成本允許的基礎(chǔ)上, 盡量選擇高可靠和高耐久的儀器設(shè)備。并且, 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也需要優(yōu)化, 盡量做到路徑簡(jiǎn)潔、反應(yīng)迅速; 在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置時(shí), 注意施工質(zhì)量, 避免留下隱患。
3.3監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不盡相同, 主要包括以下幾方面。
1) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)
對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷或老化, 會(huì)不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼的變化, 進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和模態(tài)參數(shù)等變化, 結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測(cè)的目的是通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、加速度時(shí)程記錄、頻響函數(shù)來推算結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化, 從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別、模型修正和損傷識(shí)別。所以結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有巨大的工程意義的, 它是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一項(xiàng)主要內(nèi)容。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)
超高層結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)水平位移。結(jié)構(gòu)水平位移過大, 將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、傾斜、或損傷, 甚至達(dá)到一定程度時(shí), 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加速度過大引起室內(nèi)人員不適。在現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中, 對(duì)超高層建筑的頂端位移和層間水平位移都有嚴(yán)格的限制 。除此之外, 超高層結(jié)構(gòu)水平變形曲線也是變形監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容, 它在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)垂直方向的剛度變化, 是損傷判斷的重要依據(jù)之一。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測(cè)
超高層局部監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括巨型柱、核心筒墻體、外伸桁架等重要構(gòu)件和一些結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)。這些構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度降低或損傷容易引起結(jié)構(gòu)整體的不穩(wěn)定, 引起安全隱患。因此, 對(duì)這些構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)、強(qiáng)度、耐久性(混凝土碳化、鋼筋腐蝕以及開裂等) 和溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè), 及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷部位也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。
4) 荷載監(jiān)測(cè)
荷載監(jiān)測(cè)目的在于記錄超高層經(jīng)受的各種可變荷載及其歷程, 為結(jié)構(gòu)自診斷分析提供荷載數(shù)據(jù)。一般來說, 超高層荷載監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是風(fēng)荷載和地震荷載。超高層結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)荷載敏感建筑。隨著高度的增加, 風(fēng)荷載往往成為超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制荷載, 并且頻繁發(fā)生的風(fēng)力作用容易引起構(gòu)件或關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的永久變形, 增加結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)和屈服破壞的可能, 從而降低結(jié)構(gòu)的可靠度, 因此, 抗風(fēng)設(shè)計(jì)歷來是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)于超過一定高度的超高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載方面的理論和規(guī)定相對(duì)還不完善。通過超高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)測(cè), 獲得超高層不同風(fēng)場(chǎng)特性不僅有助于超高層結(jié)構(gòu)在風(fēng)場(chǎng)中的行為及其抗風(fēng)穩(wěn)定性的分析, 為結(jié)構(gòu)安全、可靠性評(píng)估提供依據(jù), 同時(shí), 還促進(jìn)了超高層抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)工程的理論研究。地震荷載也是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的荷載監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一, 它主要的作用是記錄地震荷載及其歷程, 為環(huán)境激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析提供依據(jù)。并且, 獲得的地震觀測(cè)資料可以促進(jìn)我國的地震動(dòng)方面的研究。
3.4系統(tǒng)組成
一個(gè)完整超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分: 傳感器子系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)健康診斷與安全評(píng)估子系統(tǒng);數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。
3.4.1傳感器子系統(tǒng)
傳感器是進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的源頭, 能夠?qū)⒓铀俣?、速度、位移、?yīng)力應(yīng)變和溫度等測(cè)量參數(shù)直接轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)輸出, 擔(dān)負(fù)感知外界環(huán)境變化和收集外界信息的任務(wù), 它的性能和布置方法直接決定了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、精確性和全面性。適用于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器系統(tǒng)必須具備以下幾個(gè)特性:
(1) 傳感器的性能指標(biāo)滿足測(cè)量要求。各種不同的傳感器具體的要求更不相同, 主要包括量程、精確度、靈敏度、分辨率、頻響范圍等。除此之外, 傳感器工作的溫度范圍、濕度范圍或其他干擾范圍滿足使用環(huán)境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 一般情況下工作環(huán)境比較穩(wěn)定, 但其運(yùn)行周期長(zhǎng)達(dá)幾年甚至幾十年, 因此, 傳感器還應(yīng)該具備高可靠性和耐久性。
(3) 與采集、通信等系統(tǒng)兼容, 具有一定的擴(kuò)展性。傳感器收集到的環(huán)境和結(jié)構(gòu)信號(hào)通常要經(jīng)過調(diào)理器的調(diào)理放大后才能被顯示、傳輸和記錄。通常不同的傳感器具有相匹配的調(diào)理器, 在選擇傳感器時(shí)要考慮對(duì)應(yīng)這種傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式是否與后續(xù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和通信設(shè)備相容。另外, 由于超高層結(jié)構(gòu)可能會(huì)有比較多的測(cè)點(diǎn), 在選擇采集設(shè)備時(shí)還應(yīng)該考慮設(shè)備的通道擴(kuò)展性, 以滿足需要。
(4) 傳感器元件不影響結(jié)構(gòu)的外觀與性能。先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展要求不僅要求傳感器具有高精度、高可靠性和高耐久性, 而且還要求尺寸小,重量輕, 不影響結(jié)構(gòu)的外形和性能。需要預(yù)埋的傳感器應(yīng)該易和原結(jié)構(gòu)材料融合, 對(duì)原材料影響小。
由于功能、結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境的特征, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與其他重大工程結(jié)構(gòu)(橋梁、道路等)有所不同。應(yīng)針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和不同的待測(cè)參數(shù), 選擇相應(yīng)的傳感器。
1) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)的傳感器用于記錄結(jié)構(gòu)在動(dòng)載下的速度和加速度反應(yīng)譜。振動(dòng)傳感器是一種換能裝置, 它將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于傳輸、放大和記錄的電信號(hào)。由振動(dòng)傳感器的原理決定, 加速度傳感器較速度傳感器在構(gòu)造上更容易實(shí)現(xiàn), 因此加速度傳感器應(yīng)用更為普遍。常用加速度傳感器主要包括壓電式加速度計(jì)、壓阻式加速度計(jì)、電容式加速度計(jì)、力平衡式加速度計(jì)等。用于超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的加速度儀需重點(diǎn)考慮有效頻帶和分辨率兩個(gè)指標(biāo)。有效頻帶指?jìng)鞲衅髂苡行y(cè)試各種頻率振動(dòng)的頻率范圍。
該頻率范圍的下限應(yīng)低于被測(cè)結(jié)構(gòu)的基本頻率,而上限應(yīng)高于希望測(cè)試的結(jié)構(gòu)高階模態(tài)頻率。分辨率指?jìng)鞲衅魍ㄟ^放大器后能感受到的小信號(hào)水平, 可以認(rèn)為是測(cè)試系統(tǒng)的大噪聲水平。傳感器的分辨率可按信噪比不小于4確定。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的傳感器
變形監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)建筑物位置的緩慢變化或周期較長(zhǎng)的變形。超高層結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)主要是水平位移監(jiān)測(cè), 其包括結(jié)構(gòu)頂端位移監(jiān)測(cè)和整體水平變形監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的位移測(cè)量?jī)x器有加速度傳感器、位移傳感器和激光全站儀等。但是, 由于超高層結(jié)構(gòu)形式特殊, 這些儀器的測(cè)量方法對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)并不適用。比如: 超高層結(jié)構(gòu)振動(dòng)緩慢, 通過加速度傳感器測(cè)得的加速度來求位移的方法誤差大, 不能滿足監(jiān)測(cè)精度的要求; 位移傳感器是一種接觸性傳感器, 必須與測(cè)點(diǎn)直接接觸, 對(duì)于如超高層結(jié)構(gòu)的大型結(jié)構(gòu)物測(cè)量有巨大的困難; 另外, 激光全站儀雖然精度比較高, 但是, 當(dāng)結(jié)構(gòu)擺動(dòng)或振動(dòng)太大時(shí)很難捕捉到監(jiān)測(cè)點(diǎn), 尤其是在惡劣天氣(如臺(tái)風(fēng)、大雨或濃霧等)情況下激光跟蹤目標(biāo)困難, 實(shí)時(shí)性差。超高層結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)主要采用傾斜儀和全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)。
傾斜儀通常用于測(cè)量結(jié)構(gòu)主要豎向承重構(gòu)件(核心筒、剪力墻等與結(jié)構(gòu)整體變形相一致的構(gòu)件)豎向的傾角變化。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)頂端水平位移, 還能獲得超高層結(jié)構(gòu)沿豎直方向的傾角變化。一般情況下, 超高層結(jié)構(gòu)整體水平變形情況按照結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為剪切型、彎曲型、彎剪型; 復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)往往需要設(shè)置加強(qiáng)層, 這時(shí)結(jié)構(gòu)整體水平變形通常不是簡(jiǎn)單的上述三種類型, 而是它們之間的組合。因此, 為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)的整體水平變形狀態(tài), 需要設(shè)置數(shù)個(gè)或者數(shù)十個(gè)豎直分布的傾斜儀。由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式和健康監(jiān)測(cè)的特點(diǎn), 對(duì)傾角儀的性能指標(biāo)(靈敏度、量程、頻帶寬度、噪聲、零位漂移和運(yùn)行環(huán)境溫度等)需要仔細(xì)考慮。
目前, 應(yīng)用于超高層變形監(jiān)測(cè)的儀器還有GPS。GPS具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、操作方便等突出的特點(diǎn), 但是它的測(cè)量精度一直是它廣泛應(yīng)用的瓶頸。戴吾蛟等為了研究GPS在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中能夠達(dá)到的測(cè)量精度, 設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠進(jìn)行不同頻率和振幅水平振動(dòng), 且能夠輸出精確振動(dòng)位移量的振動(dòng)臺(tái)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在小波去噪及多路徑重復(fù)性誤差模型改正后, 在開闊的弱多路徑環(huán)境下, 能夠測(cè)得振幅為2mm 頻率、低于1H z的振動(dòng)位移; 而在多路徑效應(yīng)較強(qiáng)的情況下, GPS 能夠滿足振幅大于20 mm 頻率、低于0. 5 H z的振動(dòng)位移測(cè)量要求。因此, GPS應(yīng)用于這超高層的位移監(jiān)測(cè),是符合測(cè)量精度要求的。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測(cè)的傳感器
超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件監(jiān)測(cè)包括對(duì)重要構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變、耐久性、溫度、裂縫等的監(jiān)測(cè), 傳感器按照功能的不同選用。傳統(tǒng)的傳感器有壓電式力傳感器、阻抗傳感器、應(yīng)變片等, 廣泛應(yīng)用于土木工程的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)中?，F(xiàn)今, 隨著材料科學(xué)的發(fā)展, 一些智能材料例如光纖、壓電材料、形狀記憶合金、電阻應(yīng)變絲、半導(dǎo)體材料等的監(jiān)測(cè)精度、耐久性和穩(wěn)定性被證明更符合超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)耐久性、長(zhǎng)期性和可靠性的要求, 以后將成為超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。
4) 荷載傳感器
荷載監(jiān)測(cè)的傳感器按照荷載類型的不同有強(qiáng)震觀測(cè)儀器、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計(jì)等。由于不同的超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境荷載以及建筑特征會(huì)有所不同, 所以, 荷載傳感器的性能指標(biāo)和安裝方法、位置需要嚴(yán)格依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。
3.4.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要包括以下三項(xiàng)功能: 收集傳感器輸出的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理, 如信號(hào)交直分析、信號(hào)濾波、信號(hào)放大、A /D 轉(zhuǎn)換(信號(hào)采集)、采樣控制、信號(hào)預(yù)處理(異常值處理及標(biāo)定)等信號(hào)采集的基本功能; 存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù);把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。它的工作流程一般為: 傳感器將量測(cè)到的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易量測(cè)的電量信號(hào)后, 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換, 將數(shù)值量直接輸入到計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括傳輸電纜/光纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A /D )卡, 數(shù)據(jù)采集儀、工控機(jī)等, 對(duì)于這部分的設(shè)計(jì)除了滿足正常使用, 還應(yīng)該考慮性價(jià)比的原則。軟件部分功能是集成并管理數(shù)據(jù), 將各種數(shù)據(jù)信息有條理、有重點(diǎn)地反饋給監(jiān)測(cè)人員, 并通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。軟件部分的設(shè)計(jì)原則是: 選擇正確的開發(fā)語言或平臺(tái), 具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性, 選擇與目的相匹配的軟件功能, 良好的操作性。
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于Internet / intrane t的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 通過它可以將所有傳感器數(shù)據(jù)的管理和使用工作、部分現(xiàn)場(chǎng)的非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析工作和健康診斷工作在遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加有利于提高數(shù)據(jù)對(duì)象信息應(yīng)用的時(shí)效性, 科研人員和工程技術(shù)人員即使不在控制現(xiàn)場(chǎng), 也可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)運(yùn)行情況和系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)施變化, 并可根據(jù)情況通過網(wǎng)絡(luò)在客戶計(jì)算機(jī)上對(duì)在控制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行于服務(wù)器計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)出命令, 及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況, 從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。這對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
3.4.3結(jié)構(gòu)健康診斷評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康診斷評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)的功能是根據(jù)超高層結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的信息, 科學(xué)地、準(zhǔn)確地、客觀地評(píng)價(jià)超高層結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性能, 為超高層的維護(hù)與管理提供決策依據(jù), 必要時(shí)還發(fā)出預(yù)警以保證人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。
(1) 損傷識(shí)別系統(tǒng)。它基本上可以分為以下幾類: 動(dòng)力指紋分析法、模型修正法與系統(tǒng)識(shí)別法, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法, 遺傳算法, 小波變換法等。目前,在超高層建筑應(yīng)用較為廣泛的為前兩種方法。動(dòng)力指紋分析法。每座構(gòu)筑物都有其動(dòng)力特性, 當(dāng)存在損傷時(shí), 它的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)如剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣等會(huì)發(fā)生變化, 從而引起系統(tǒng)的動(dòng)力特性指紋(模態(tài)參數(shù)、頻響函數(shù))改變。因此, 可以利用損傷前后結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性指紋的變化來識(shí)別損傷。動(dòng)力指紋分析法的核心是, 對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行全面、正確的分類, 建立起結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)時(shí)的動(dòng)力指紋庫和預(yù)估的損傷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫, 再將損傷后的動(dòng)力指紋與損傷數(shù)據(jù)庫中的損傷模式進(jìn)行匹配, 從而識(shí)別損傷。現(xiàn)在通常用的動(dòng)力指紋有頻率、振型、振型曲率/應(yīng)變模態(tài)、柔度等。模型修正法。主要原理是使用動(dòng)力監(jiān)測(cè)信息, 如模態(tài)參數(shù)、加速度時(shí)程數(shù)據(jù)、頻率響應(yīng)函數(shù)
等, 通過條件優(yōu)化約束, 不斷修正模型中的剛度分布, 從而由測(cè)得的模型剛度的退化, 對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行判別和定位。
(2) 安全評(píng)定系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法常用的理論是可靠度理論。安全評(píng)定分為正常使用狀態(tài)安全評(píng)定和極限承載力狀態(tài)安全評(píng)定?？煽慷壤碚撝饕歉鶕?jù)系統(tǒng)或構(gòu)件的實(shí)效模式以確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài), 然后根據(jù)所定義的極限狀態(tài)確定極限荷載、臨界荷載和臨界強(qiáng)度, 得出相應(yīng)的實(shí)效概率、可靠度及可靠性指標(biāo), 從而進(jìn)行安全性評(píng)定。目前, 安全評(píng)定方法還有層次分析法、模糊理論以及專家系統(tǒng)等。
3.4.4 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程中所獲取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理, 通過該系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改、刪除、查詢等操作。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫的性能直接影響整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的方便性與可靠性。數(shù)據(jù)庫按存儲(chǔ)方式可分為集中式數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫。集中式數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)集中在一起進(jìn)行集中管理, 減少了數(shù)據(jù)冗余和不一致性, 其弱點(diǎn)是系統(tǒng)相當(dāng)龐大, 操作復(fù)雜, 開銷大, 處理不同領(lǐng)域問題時(shí)顯得不夠靈活,此外, 由于數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ), 大量的通信要通過主機(jī), 易造成擁堵現(xiàn)象。分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上, 大多數(shù)數(shù)據(jù)處理不通過主機(jī)而由網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上的局部處理機(jī)進(jìn)行, 響應(yīng)速度快, 負(fù)荷可均衡分散, 偶然性故障對(duì)全局的影響小。
4結(jié)論與展望
本文介紹了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性、發(fā)展歷程、特點(diǎn)以及應(yīng)用情況, 并結(jié)合以往大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)和成果, 全面闡述了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各組成部分的功能、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法。健康監(jiān)測(cè)在土木工程起初主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 目前, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)主要來源于橋梁結(jié)構(gòu), 但由于兩者結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測(cè)環(huán)境、荷載作用方式、支座形式等存在差異, 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一些技術(shù)不完全適用超高層建筑, 因此, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的理論和方法還需要不斷地研究與實(shí)踐:
(1) 由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式, 傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法并不適用其水平位移的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。且目前新采用的傾斜儀和GPS監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形的技術(shù)還未發(fā)展成熟, 處于嘗試階段, 還未達(dá)到理想的效果, 許多問題還有待于解決。
(2) 基于無線通訊技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用將是以后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一, 它避免了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建的布線困難,大幅度減少了這方面的成本, 并且不用擔(dān)心信號(hào)線的老化和損壞對(duì)信號(hào)采集的影響。
(3) 傳感器的優(yōu)化布置是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要問題, 處于對(duì)經(jīng)濟(jì)和有效性的考慮,應(yīng)該盡量做到用少的傳感器來獲取有效和全面的結(jié)構(gòu)信息。
(4) 目前, 損傷識(shí)別方法有動(dòng)力分析法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等, 前兩者在超高層健康監(jiān)測(cè)中比較常用, 但在實(shí)際工程中應(yīng)用效果往往不很理想, 未能做到對(duì)損傷精確、量化地識(shí)別, 因此超高層的損傷識(shí)別方法還需要進(jìn)一步的理論研究。
(5) 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究近年來成為了土木工程領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)課題之一, 但目前還缺少其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。
關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和識(shí)別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對(duì)結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時(shí)間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。對(duì)于長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計(jì)結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對(duì)工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一站式解決方案見長(zhǎng)。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、工程安全自動(dòng)化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.tibetyl.com