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給建筑把脈丨詳細(xì)講講建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的問(wèn)題

歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司更新于：2019-10-22

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建筑物SHM

建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)興建了許多大型結(jié)構(gòu)工程，但這些結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中不可避免的會(huì)受到荷載作用、環(huán)境腐蝕、材料老化、疲勞破壞等因素的耦合作用而產(chǎn)生損傷累積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗力衰減，容易引發(fā)突發(fā)事故。

常規(guī)的人工檢測(cè)方法帶有很大的主觀性，檢查時(shí)間長(zhǎng)，不能在突發(fā)事件后迅速查明結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。因此，工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛重視，對(duì)災(zāi)害的提前預(yù)警或在災(zāi)害發(fā)生后評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程度及其剩余壽命已成為當(dāng)前各國(guó)學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

什么是結(jié)構(gòu)健康和響應(yīng)監(jiān)測(cè)？

結(jié)構(gòu)健康和響應(yīng)監(jiān)測(cè)是一種監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和性能，而不影響結(jié)構(gòu)本身的方法。

結(jié)構(gòu)健康和響應(yīng)監(jiān)測(cè)利用安裝在結(jié)構(gòu)上的若干類(lèi)型傳感器來(lái)檢測(cè)超過(guò)允許的性能標(biāo)準(zhǔn)，以及識(shí)別和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)行為。

為什么要進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康和響應(yīng)監(jiān)測(cè)？

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可用性會(huì)隨著自然或人為事件、以及使用頻率的增加而大大降低。
利用結(jié)構(gòu)健康和響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以及時(shí)發(fā)出任何潛在問(wèn)題的通知，并可監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的行為。
在Z近十年中，由于越來(lái)越多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和材料被應(yīng)用，且現(xiàn)有結(jié)構(gòu)需要更好地管理，這些都成為結(jié)構(gòu)健康和響應(yīng)監(jiān)測(cè)的新興用途。

SHM（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，Structural Health Monitoring）的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是什么?

快速評(píng)估建筑物的健康狀況
獲取建筑物實(shí)際狀況的可靠數(shù)據(jù)
發(fā)現(xiàn)早期事故跡象
保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全
實(shí)時(shí)監(jiān)控
優(yōu)化保險(xiǎn)和維護(hù)成本
在重大事件后評(píng)估建筑物的安全
為結(jié)構(gòu)增加可靠性
符合建筑標(biāo)準(zhǔn)

另一種選擇結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的目的是建筑物的定期檢測(cè)，而舊有技術(shù)不太可能實(shí)現(xiàn)相同的功能和效益。如果沒(méi)有先進(jìn)的監(jiān)測(cè)解決方案，高價(jià)值建筑和復(fù)雜結(jié)構(gòu)將具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，而這些風(fēng)險(xiǎn)是可以通過(guò)定期檢測(cè)有效降低的。

哪些可以測(cè)量？

振動(dòng)：結(jié)構(gòu)健康行為和模態(tài)分析舒適指數(shù)

應(yīng)變：疲勞和雨流分析

位移：基礎(chǔ)的接縫裂隙和差異沉降

傾斜：參考允許的范圍

環(huán)境：風(fēng)速和風(fēng)向，濕度和溫度

典型建筑實(shí)例

一幢五層的方形建筑需要包含以下設(shè)備的簡(jiǎn)單安裝：

? 一個(gè)雙軸和單軸傳感器位于頂層

? 一個(gè)雙軸和單軸傳感器位于中間層

? 一個(gè)雙軸和單軸傳感器位于基礎(chǔ)層

? GeoSIG有眾多用于數(shù)據(jù)記錄的選擇，這些選擇有著不同的連接選項(xiàng)。

? GPS、無(wú)線時(shí)間同步、WiFi或電纜

功能分析

上述典型設(shè)置可以提供有價(jià)值的結(jié)構(gòu)健康狀況的信息。并且可以設(shè)置結(jié)構(gòu)中可接受改變的閾值，以提供自動(dòng)通知。

在一場(chǎng)自然災(zāi)害或圍繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行的大型施工之后，有關(guān)結(jié)構(gòu)行為變化的重要信息可以即刻提供。

因建筑物損壞而引起的保險(xiǎn)索賠可依據(jù)可靠的數(shù)據(jù)證據(jù)予以解決。

建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案

GeoSIG建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案主要由傳感器、智能數(shù)字化記錄儀及實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件組成。

主要特點(diǎn)：

高動(dòng)態(tài)范圍堅(jiān)固的傳感器，高分辨率智能數(shù)字化記錄儀
用戶友好、易于部署、高度定制化的硬件和軟件特點(diǎn)
加速度、速度、位移數(shù)據(jù)，以及對(duì)其他數(shù)據(jù)類(lèi)型的支持
實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、顯示、分析和報(bào)告
基于事件的性能檢查，例如反應(yīng)譜對(duì)比
層間位移、平移、旋轉(zhuǎn)等超出值的通告和繼電器輸出
通過(guò)任意現(xiàn)代的有線或無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊
用戶定義的系統(tǒng)或組件的健康狀態(tài)檢查和通告
適用于建筑物、大壩、橋梁、隧道、管道和任何其他結(jié)構(gòu)

依據(jù)布線及傳感器串聯(lián)方式的不同分為三種建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案：

分布式GMSplus監(jiān)測(cè)方案
集中式fora監(jiān)測(cè)方案
數(shù)字化GMSplusD監(jiān)測(cè)方案

分布式GMSplus監(jiān)測(cè)方案

集中式fora監(jiān)測(cè)方案

數(shù)字化GMSplusD監(jiān)測(cè)方案

Part.1

傳感器

AC-73三向力平衡加速度計(jì)

AC-73傳感器是一款為寬頻地震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的真正的機(jī)電系統(tǒng)三向加速度計(jì)，所有監(jiān)測(cè)應(yīng)用都需要高靈敏度的、堅(jiān)固的傳感器，且要求維護(hù)Z少，定期測(cè)試方法簡(jiǎn)單。

堅(jiān)固的質(zhì)量懸掛動(dòng)圈式系統(tǒng)提高了信噪比。磁性系統(tǒng)和電容式位置傳感器提供了對(duì)質(zhì)量精確電子定心的對(duì)稱(chēng)控制。靜態(tài)時(shí)加速度計(jì)原理是維持平衡且沒(méi)有電信號(hào)輸出產(chǎn)生。

一旦有地面運(yùn)動(dòng)，AC-73會(huì)產(chǎn)生與電流成比例的電輸出來(lái)保持質(zhì)量固定在ZX。輸出信號(hào)精確地校準(zhǔn)來(lái)提供ZY的信號(hào)精度和ZD的噪聲水平。由于對(duì)稱(chēng)定位系統(tǒng)融合了力平衡加速度計(jì)原理，使得加速度計(jì)即使在Z惡劣的條件下依然會(huì)保持他的縮放比例和刻度。

AC-43三軸MEMS加速度計(jì)

AC-43傳感器組件是一款三軸加速度計(jì)，設(shè)計(jì)用于城市和工業(yè)應(yīng)用中的強(qiáng)震動(dòng)調(diào)查和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以及報(bào)警和開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。

AC-43加速度計(jì)基于現(xiàn)代的MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，傳感器元件以一定的方式裝配，優(yōu)化了它們的性能。再加上先進(jìn)的專(zhuān)用電路設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生了這款高性?xún)r(jià)比的、可靠的加速度計(jì)。

MEMS元件包括線性加速度計(jì)傳感器元件，其測(cè)量對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)或傾斜響應(yīng)的電容變化，以及一個(gè)出廠調(diào)整過(guò)的接口芯片，其將電容變化轉(zhuǎn)換為與運(yùn)動(dòng)成比例的模擬或數(shù)字信號(hào)。

DC響應(yīng)允許傳感器可以很容易地在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)、做傾斜測(cè)試或重新校準(zhǔn)。AC-43加速度計(jì)在測(cè)試線路的幫助下可以進(jìn)行完全地測(cè)試，從而確保正常運(yùn)行。

Part.2

智能數(shù)字化記錄儀

GMSplus地震數(shù)據(jù)記錄儀

分布式GMSplus監(jiān)測(cè)方案

GMSplus是新一代的GeoSIG測(cè)量系統(tǒng)，適用于所有需要長(zhǎng)期或臨時(shí)地震/振動(dòng)監(jiān)測(cè)的構(gòu)筑物。具有較高的性能、ZY的操作靈活性和增強(qiáng)的連通性。它包括一個(gè)以太網(wǎng)連接和一個(gè)可選的Wi-Fi（b/g/n）模塊，以確?？焖倏煽康臄?shù)據(jù)傳輸。GMSplus以其優(yōu)化的安裝、操作和維護(hù)理念，為部署高密度的臺(tái)站陣列提供了切實(shí)的可能性，其總成本僅為傳統(tǒng)強(qiáng)震動(dòng)地震儀網(wǎng)絡(luò)的一小部分。儀器的軟件實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。

GMSplus是一套獨(dú)立的儀器，配備有不間斷電源，提供24小時(shí)以上的續(xù)航。GMSplus采用了“智能自適應(yīng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘”（IARTC）和自學(xué)習(xí)溫度補(bǔ)償，顯著提高了RTC或TXCO的精度。IARTC 能夠與GPS或NTP同步到UTC時(shí)間，從而提供高時(shí)間精度。另外，該設(shè)備本身也可以作為一個(gè)NTP服務(wù)器。

有線或無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)允許以時(shí)間和觸發(fā)同步的方式同時(shí)使用多套設(shè)備?？蛇x的USB支持允許用戶連接各種外部設(shè)備，例如高容量存儲(chǔ)設(shè)備、3G modems等。

fora多通道ZY數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

集中式fora監(jiān)測(cè)方案

fora——GeoSIG的多通道ZY數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。fora的模塊化架構(gòu)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口提供了高通用性、易擴(kuò)展性、可升級(jí)性和備件的長(zhǎng)期可用性，是一款極其可靠、可長(zhǎng)期運(yùn)行的系統(tǒng)。它的設(shè)計(jì)基于多年來(lái)為天然地震、人工地震、結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)監(jiān)測(cè)提供解決方案的經(jīng)驗(yàn)。

GMSplusD數(shù)字傳感器系統(tǒng)

數(shù)字化GMSplusD監(jiān)測(cè)方案

GeoSIG開(kāi)發(fā)的數(shù)字傳感器系統(tǒng)用于滿足長(zhǎng)距離部署若干測(cè)量點(diǎn)的需求，其安裝具有高性?xún)r(jià)比和實(shí)用性。

系統(tǒng)由GMSplusD記錄儀和AC-7xD或AC-4xD數(shù)字加速度計(jì)組成，可選增配模擬傳感器。每個(gè)數(shù)字加速度計(jì)通過(guò)一根低成本的Cat5E電纜數(shù)字化地、精確地、GX地傳輸數(shù)據(jù)。

Z多可連接4個(gè)數(shù)字加速度計(jì)（AC-7xD/AC-4xD）到一套GMSplusD上，總長(zhǎng)可達(dá)1000米。

額外的內(nèi)置或外接模擬傳感器也可以連接到同一套GMSplusD上，使得監(jiān)測(cè)通道的數(shù)量增加到15個(gè)。

Part.3

GeoSMART實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件

GeoSMART是一款基于Java的創(chuàng)新型圖形化的應(yīng)用程序，它為土木工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了工具。GeoSMART憑借其“智能”的特點(diǎn)，能夠監(jiān)測(cè)和顯示GeoSIG測(cè)量?jī)x器所監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

主要功能特點(diǎn)：

獲取任何標(biāo)準(zhǔn)GeoSIG儀器提供的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流
顯示傳入數(shù)據(jù)流，含用戶可配置顏色選項(xiàng)和實(shí)時(shí)閾值超出評(píng)估
顯示傳入數(shù)據(jù)流的頻率組成
顯示由直線和曲面組成的結(jié)構(gòu)3D動(dòng)畫(huà)模型，具有近實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)
在動(dòng)畫(huà)模型上縮放、平移、3D旋轉(zhuǎn)、2D平面視圖、顯示變形/未變形的形狀，顯示/隱藏功能
指定傳感器的3D顯示、指向和超出狀態(tài)
對(duì)于規(guī)則建筑，計(jì)算任意安裝有儀器的樓層在X – Y平面上的剛體平移和旋轉(zhuǎn)
對(duì)于規(guī)則建筑，計(jì)算和顯示指定樓層對(duì)的形心之間的層間位移
創(chuàng)新的扇形層間位移顯示，以及傳統(tǒng)的線性顯示
創(chuàng)建可視化報(bào)警，以防傳入和/或計(jì)算數(shù)據(jù)超出定義的閾值，含“復(fù)位”功能
四種超出等級(jí)顏色報(bào)警（藍(lán)色、黃色、橙色和紅色）
在計(jì)算機(jī)的串口或UDP端口生成和發(fā)送報(bào)警文本（可根據(jù)要求提供兼容的硬件繼電器）
將輸入和/或計(jì)算數(shù)據(jù)連續(xù)地保存到ASCII文本文件中
基于完全用戶可配置的文本文件完成系統(tǒng)設(shè)置
可在不同屏幕上顯示傳入數(shù)據(jù)流、層間評(píng)估和3D運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立窗口

在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、建筑結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)需求及預(yù)算的不同可以選擇全面解決方案或者預(yù)算控制解決方案進(jìn)行布點(diǎn)及監(jiān)測(cè)。

全面解決方案

與

預(yù)算控制解決方案

全面的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為

老化或疲勞的早期檢測(cè)

全面監(jiān)測(cè)損傷指示參數(shù)

高精度的問(wèn)題定位

有限的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為

估計(jì)老化或疲勞

部分監(jiān)測(cè)損傷指示參數(shù)

問(wèn)題區(qū)域的近似表示

全面解決方案

自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)（在外部負(fù)載的情況下）
基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)
基礎(chǔ)的水平和垂直反應(yīng)譜
每層的水平反應(yīng)譜
每層的水平平移和旋轉(zhuǎn)
任意樓層之間的層間位移
波通過(guò)每一層的傳播
基礎(chǔ)向兩個(gè)方向搖擺
基礎(chǔ)向兩個(gè)方向剪切
建筑模態(tài)參數(shù)（損傷檢測(cè)）

預(yù)算控制解決方案

無(wú)自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)（在外部負(fù)載的情況下）
基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)
基礎(chǔ)的水平和垂直反應(yīng)譜
測(cè)量層的水平反應(yīng)譜
測(cè)量層的水平平移和旋轉(zhuǎn)
其他層以?xún)?nèi)插值替換的平移和旋轉(zhuǎn)
測(cè)量層之間的層間位移
其他層以?xún)?nèi)插值替換的層間位移
近似的波傳播
基礎(chǔ)向兩個(gè)方向搖擺
近似的基礎(chǔ)向兩個(gè)方向剪切
近似的建筑模態(tài)參數(shù)（損傷檢測(cè)）

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