给建筑把脉丨详细讲讲建筑物结构健康监测的问题
发布时间:2019-10-22

建筑物SHM

建筑物的结构健康监测

 

随着经济发展,我国兴建了许多大型结构工程,但这些结构在服役过程中不可避免的会受到荷载作用、环境腐蚀、材料老化、疲劳破坏等因素的耦合作用而产生损伤累积,导致结构的抗力衰减,容易引发突发事故。

常规的人工检测方法带有很大的主观性,检查时间长,不能在突发事件后迅速查明结构的健康状态。因此,工程结构健康监测技术越来越受到社会各界的广泛重视,对灾害的提前预警或在灾害发生后评估结构的损伤程度及其剩余寿命已成为当前各国学者们研究的热点问题。

 

 

什么是结构健康和响应监测?

结构健康和响应监测是一种监测结构状态和性能,而不影响结构本身的方法。

结构健康和响应监测利用安装在结构上的若干类型传感器来检测超过允许的性能标准,以及识别和验证结构行为。

 

为什么要进行结构健康和响应监测?

  • 结构的强度和可用性会随着自然或人为事件、以及使用频率的增加而大大降低。

  • 利用结构健康和响应监测系统,可以及时发出任何潜在问题的通知,并可监测结构的行为。

  • 在最近十年中,由于越来越多的创新设计和材料被应用,且现有结构需要更好地管理,这些都成为结构健康和响应监测的新兴用途。

 

SHM(结构健康监测,Structural Health Monitoring)的特点和优点是什么?

  • 快速评估建筑物的健康状况

  • 获取建筑物实际状况的可靠数据

  • 发现早期事故迹象

  • 保护生命和财产安全

  • 实时监控

  • 优化保险和维护成本

  • 在重大事件后评估建筑物的安全

  • 为结构增加可靠性

  • 符合建筑标准

另一种选择结构监测的目的是建筑物的定期检测,而旧有技术不太可能实现相同的功能和效益。如果没有先进的监测解决方案,高价值建筑和复杂结构将具有较高的风险,而这些风险是可以通过定期检测有效降低的。

 

 

哪些可以测量?

振动:结构健康行为和模态分析舒适指数

应变:疲劳和雨流分析

位移:基础的接缝裂隙和差异沉降

倾斜:参考允许的范围

环境:风速和风向,湿度和温度

 

典型建筑实例

一幢五层的方形建筑需要包含以下设备的简单安装:

• 一个双轴和单轴传感器位于顶层

• 一个双轴和单轴传感器位于中间层

 一个双轴和单轴传感器位于基础层

• GeoSIG有众多用于数据记录的选择,这些选择有着不同的连接选项。

• GPS、无线时间同步、WiFi或电缆

 

功能分析

上述典型设置可以提供有价值的结构健康状况的信息。并且可以设置结构中可接受改变的阈值,以提供自动通知。

在一场自然灾害或围绕结构进行的大型施工之后,有关结构行为变化的重要信息可以即刻提供。

因建筑物损坏而引起的保险索赔可依据可靠的数据证据予以解决。

 

建筑物的结构健康监测方案

 

GeoSIG建筑物的结构健康监测方案主要由传感器智能数字化记录仪实时结构健康监测软件组成。

主要特点:

  • Ÿ高动态范围坚固的传感器,高分辨率智能数字化记录仪

  • 用户友好、易于部署、高度定制化的硬件和软件特点

  • 加速度、速度、位移数据,以及对其他数据类型的支持

  • 实时连续数据采集、监控、显示、分析和报告

  • 基于事件的性能检查,例如反应谱对比

  • 层间位移、平移、旋转等超出值的通告和继电器输出

  • 通过任意现代的有线或无线基础设施进行网络通讯

  • 用户定义的系统或组件的健康状态检查和通告

  • 适用于建筑物、大坝、桥梁、隧道、管道和任何其他结构

依据布线及传感器串联方式的不同分为三种建筑物的结构健康监测方案:

  • 分布式GMSplus监测方案

  • 集中式fora监测方案

  • 数字化GMSplusD监测方案

 

分布式GMSplus监测方案

 

集中式fora监测方案

 

数字化GMSplusD监测方案

 

Part.1

传感器

AC-73三向力平衡加速度计

AC-73传感器是一款为宽频地震监测设计的真正的机电系统三向加速度计,所有监测应用都需要高灵敏度的、坚固的传感器,且要求维护最少,定期测试方法简单。

坚固的质量悬挂动圈式系统提高了信噪比。磁性系统和电容式位置传感器提供了对质量精确电子定心的对称控制。静态时加速度计原理是维持平衡且没有电信号输出产生。

一旦有地面运动,AC-73会产生与电流成比例的电输出来保持质量固定在中心。输出信号精确地校准来提供最优的信号精度和最低的噪声水平。由于对称定位系统融合了力平衡加速度计原理,使得加速度计即使在最恶劣的条件下依然会保持他的缩放比例和刻度。

 

AC-43三轴MEMS加速度计

AC-43传感器组件是一款三轴加速度计,设计用于城市和工业应用中的强震动调查和振动监测,以及报警和开关系统。

AC-43加速度计基于现代的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems微机电系统)技术,传感器元件以一定的方式装配,优化了它们的性能。再加上最先进的专用电路设计,从而产生了这款高性价比的、可靠的加速度计。

MEMS元件包括线性加速度计传感器元件,其测量对于任何运动或倾斜响应的电容变化,以及一个出厂调整过的接口芯片,其将电容变化转换为与运动成比例的模拟或数字信号。

DC响应允许传感器可以很容易地在现场修复、做倾斜测试或重新校准。AC-43加速度计在测试线路的帮助下可以进行完全地测试,从而确保正常运行。

 

Part.2

智能数字化记录仪

GMSplus地震数据记录仪

分布式GMSplus监测方案

GMSplus是最新一代的GeoSIG测量系统,适用于所有需要长期或临时地震/振动监测的构筑物。具有最高的性能、卓越的操作灵活性和增强的连通性。它包括一个以太网连接和一个可选的Wi-Fi(b/g/n)模块,以确保快速可靠的数据传输。GMSplus以其优化的安装、操作和维护理念,为部署高密度的台站阵列提供了切实的可能性,其总成本仅为传统强震动地震仪网络的一小部分。仪器的软件实时处理数据。

GMSplus是一套独立的仪器,配备有不间断电源,提供24小时以上的续航。GMSplus采用了“智能自适应实时时钟”(IARTC)和自学习温度补偿,显著提高了RTC或TXCO的精度。IARTC 能够与GPS或NTP同步到UTC时间,从而提供高时间精度。另外,该设备本身也可以作为一个NTP服务器。

有线或无线互联网络选项允许以时间和触发同步的方式同时使用多套设备。可选的USB支持允许用户连接各种外部设备,例如高容量存储设备、3G modems等。

 

fora多通道中央数据采集系统

集中式fora监测方案

fora——GeoSIG最新的多通道中央数据采集系统。fora的模块化架构和行业标准接口提供了高通用性、易扩展性、可升级性和备件的长期可用性,是一款极其可靠、可长期运行的系统。它的设计基于多年来为天然地震、人工地震、结构、动态和静态监测提供解决方案的经验。

 

GMSplusD数字传感器系统

数字化GMSplusD监测方案

GeoSIG开发的数字传感器系统用于满足长距离部署若干测量点的需求,其安装具有高性价比和实用性。

系统由GMSplusD记录仪和AC-7xD或AC-4xD数字加速度计组成,可选增配模拟传感器。每个数字加速度计通过一根低成本的Cat5E电缆数字化地、精确地、高效地传输数据。

最多可连接4个数字加速度计(AC-7xD/AC-4xD)到一套GMSplusD上,总长可达1000米。

额外的内置或外接模拟传感器也可以连接到同一套GMSplusD上,使得监测通道的数量增加到15个。

 

Part.3

GeoSMART实时结构健康监测软件

GeoSMART是一款基于Java的创新型图形化的应用程序,它为土木工程结构的实时结构健康监测提供了工具。GeoSMART凭借其“智能”的特点,能够监测和显示GeoSIG测量仪器所监测的结构的状态。

主要功能特点:

  • 获取任何标准GeoSIG仪器提供的近实时数据流

  • 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

 

在实际监测中,根据现场情况、建筑结构、监测需求及预算的不同可以选择全面解决方案或者预算控制解决方案进行布点及监测。

全面解决方案
 
 

 
预算控制解决方案
 

全面的结构动态行为

老化或疲劳的早期检测

全面监测损伤指示参数

高精度的问题定位

有限的结构动态行为

估计老化或疲劳

部分监测损伤指示参数

问题区域的近似表示

 

全面解决方案

  • 自由场运动(在外部负载的情况下 )

  • 基础运动

  • 基础的水平和垂直反应谱

  • 每层的水平反应谱

  • 每层的水平平移和旋转

  • 任意楼层之间的层间位移

  • 波通过每一层的传播

  • 基础向两个方向摇摆

  • 基础向两个方向剪切

  • 建筑模态参数(损伤检测

 

 

预算控制解决方案

  • 无自由场运动(在外部负载的情况下 )

  • 基础运动

  • 基础的水平和垂直反应谱

  • 测量层的水平反应谱

  • 测量层的水平平移和旋转

  • 其他层以内插值替换的平移和旋转

  • 测量层之间的层间位移

  • 其他层以内插值替换的层间位移

  • 近似的波传播

  • 基础向两个方向摇摆

  • 近似的基础向两个方向剪切

  • 近似的建筑模态参数(损伤检测

 

 

更多结构监测产品信息,请联系欧美大地

服务热线:400-700-9998

 

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