应用案例
高层建筑结构健康监测 ——基于建筑结构地震反应观测台阵
发布时间:2020-05-25
高层建筑结构健康监测 ——基于建筑结构地震反应观测台阵

案例研究:
——结构健康监测(结构台阵)
——国家级大理经济技术开发区管理委员会
——中国云南省大理市

背景:
大理白族自治州,首府驻大理市,是云南的16个地级行政区之一,地处云南省中部偏西,海拔2090米,东邻楚雄州,南靠普洱市、临沧市,西与保山市、怒江州相连,北接丽江市。地跨东经98°52′~101°03′,北纬24°41′~26°42′之间,东巡洱海,西及点苍山脉,辖大理市和祥云、弥渡、宾川、永平、云龙、洱源、鹤庆、剑川8个县以及漾濞、巍山、南涧3个少数民族自治县,是中国西南边疆开发较早的地区之一。
地处低纬高原,四季温差不大,干湿季分明,以低纬高原季风气候为主,境内以蝴蝶泉、苍山、洱海、大理古城、崇圣寺三塔等景点最有代表性。

挑战:
大理境内主要有苍山山前断裂和凤仪-定西岭断裂,苍山山前断裂位于苍山东麓,大理盆地西缘,地质上为苍山隆起与大理盆地的分界,西部是苍山山脉;凤仪-定西岭断裂同样属于红河断裂带的断裂构造,该断裂北段成为凤仪盆地与山区的分界。在这两条全新世活动断裂的斜列部位曾于1925年发生大理7级地震。
大理经开区管委会大楼于2016年施工,2018年投入使用,地上26层,地下1层。该大楼距1925年大理7.0级地震震中约10km。

解决方案:
大楼高26层,以及地下停车场1层,总计27层。选择在-1层(停车场)、3层、6层、9层、12层、15层、18层、21层、24层、26层作为加速度计布设楼层,除了底层和顶层,均以3层作为一个步进。每层放置两套加速度计,分别安装于大楼内部东侧的弱电井和西侧的强电井内。
整套系统选用了GeoSIG公司专门为结构健康监测(SHM)开发的软硬件系统,分别是GeoSMART实时结构健康监测软件,以及GMSplusD数字传感器系统。
每套GMSplusD可以使用低成本的Cat5E网线连接4套AC-7xD/AC-4xD数字化传感器(此项目选用了AC-4xD),以及再内置/外接1套传统的AC-7x/AC-4x模拟传感器,从而使得监测通道的数量最多扩展到15个。
4套内置AC-43的数据采集仪GMSplusD-43分别安装于-1层和15层,顶部26层也选用了三分量(X, Y, Z)的AC-43D,其余各层均选用两分量(X, Y)的AC-42D。加速度计的X轴全部指向该建筑的长轴方向(西偏北)。
所有数据,包括实时数据流和系统状态、日志等数据通过交换机汇总到-1层的机房内,由一台高性能工作站统一处理。
GMSplusD数据采集仪有NTP授时功能,将1套GMSplusD-43设置为NTP授时服务器,其他数据采集仪的时间均与其同步,NTP授时精度<±4ms。



图1 结构台阵部署建筑——国家级大理经济技术开发区管理委员会


图2 结构台阵布线图


图3 顶层(26层)楼内构造


图4 地下车库(-1层)楼内构造(开门处为弱电井)



图5-8 在-1层和15层安装的4套数据采集仪GMSplusD-43(内置AC-43)



图9-11 其他楼层安装的部分AC-4xD数字化传感器


图12-13 在-1层机房内数据汇总,调试软件
 

系统选用GeoDAS软件接收实时数据流,以及系统状态、日志等其他信息,并通过设置,将实时的加速度数据通过双重积分转化为位移数据,经滤波后导入到GeoSMART实时结构健康监测软件中。
GeoSMART实时结构健康监测软件可以实现以下功能:

  • 显示传入数据流,含用户可配置颜色选项和实时阈值超出评估
  • 显示传入数据流的频率组成
  • 显示由直线和曲面组成的结构3D动画模型,具有近实时的运动
  • 在动画模型上缩放、平移、3D旋转、2D平面视图、显示变形/未变形的形状,显示/隐藏功能
  • 指定传感器的3D显示、指向和超出状态
  • 对于规则建筑,计算任意安装有仪器的楼层在X – Y平面上的刚体平移和旋转
  • 对于规则建筑,计算和显示指定楼层对的形心之间的层间位移
  • 创新的扇形层间位移显示,以及传统的线性显示
  • 创建可视化报警,以防传入和/或计算数据超出定义的阈值,含“复位”功能
  • 四种超出等级颜色报警(蓝色、黄色、橙色和红色)
  • 在计算机的串口或UDP端口生成和发送报警文本(可根据要求提供兼容的硬件继电器)
  • 将输入和/或计算数据连续地保存到ASCII文本文件中
  • 基于完全用户可配置的文本文件完成系统设置
  • 可在不同屏幕上显示传入数据流、层间评估和3D运动的独立窗口


图14 GeoDAS软件监测各通道的实时数据流


图15 GeoSMART实时结构健康监测软件运行界面(最终成果)
 

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