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空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)

UPTATED:2019/08/08 | 分類:大型結(jié)構(gòu)建筑
概述
大跨度空間結(jié)構(gòu)是一個國家建筑業(yè)技術(shù)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn),它廣泛應(yīng)用在各種大型體育場館、劇院、會議展覽中心、機(jī)場候機(jī)樓等重要標(biāo)志性建筑, 是新材料、新技術(shù)、新工藝為綜合技術(shù)的現(xiàn)代文明的體現(xiàn)。
當(dāng)前是我國基本建設(shè)的高潮時期,大跨度空間結(jié)構(gòu)的數(shù)量和規(guī)模都是歷史上前所未有。例如:2008 年奧運(yùn)工程國家體育場“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、國家大劇院、首都機(jī)場新航站樓、2010 年上海世博會場館以及廣州會展中心、哈爾濱會展中心等。總體建筑規(guī)模超過2 000萬m2 。
 
1  研究背景
大跨度空間結(jié)構(gòu)工程屬于集設(shè)計(jì)、分析、制造技術(shù)于一體的重大設(shè)施,它外形獨(dú)特,體系復(fù)雜,建造技術(shù)高難度,通常也是人員聚集、大型活動的場所,其安全性尤為重要。大跨度空間結(jié)構(gòu)大量采用鋼材、膜材、高強(qiáng)鋼束等新型材料。
環(huán)境的侵蝕、材料的老化、地基的不均勻沉降和復(fù)雜荷載、疲勞效應(yīng)等因素的耦合作用,將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減,極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事件。例如:1992 年9 月深圳國際展覽中心4 號展廳網(wǎng)架屋蓋使用3年后在暴雨中倒塌;2002 年4 月湖南耒陽電廠大型空間結(jié)構(gòu)儲煤庫建成5 年后,由于使用和環(huán)境腐蝕等原因發(fā)生倒塌事故;韓國濟(jì)洲島一體育場在2003 年的一次強(qiáng)臺風(fēng)中倒塌;2004 年5 月法國巴黎戴高樂機(jī)場剛建成的候機(jī)廳發(fā)生屋頂坍塌;2007 年1 月雨雪、大風(fēng)及材料老化導(dǎo)致將用于舉辦2010 年冬奧會開幕式和閉幕式的溫哥華體育場穹頂坍塌等。
上述實(shí)例說明,雖然空間結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu),但空間受力比較復(fù)雜,當(dāng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)可能會很快整體破壞。由倒塌事故來看,空間結(jié)構(gòu)會在幾分鐘,甚至幾秒鐘內(nèi)倒塌。因此,在我國建立起大跨度空間結(jié)構(gòu)作為重大工程設(shè)施的定期故障監(jiān)測制度,實(shí)施長期實(shí)時的健康監(jiān)測和故障預(yù)警措施顯得尤為重要。
大跨度空間結(jié)構(gòu)與大型橋梁、大壩、海洋平臺、石油管道等一樣屬于國家大型土木工程設(shè)施。對于橋梁、大壩、海洋平臺等國家大型設(shè)施的故障預(yù)警與安全性評估技術(shù)研究,在世界范圍內(nèi)開展得比較早。尤其在美國、日本等發(fā)達(dá)國家,很早就有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)許多高校與科研機(jī)構(gòu)在大型橋梁、海洋平臺等重大設(shè)施安全性測評技術(shù)研究領(lǐng)域也開展了多年研究,取得了一系列科研成果與工程業(yè)績。大跨度空間結(jié)構(gòu)由于起步較晚,故障預(yù)警與安全性評估技術(shù)才剛剛起步,而由于其自身大跨度、大面積分布以及鋼材為主的建筑特征,明顯區(qū)別于橋梁、大壩、石油管道等線性分布的混凝土結(jié)構(gòu)類為主的建筑,現(xiàn)有的故障預(yù)警與安全性評估技術(shù)不能直接用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中來。
要建立針對大跨度空間結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng),需要開展兩大方面內(nèi)容的研究: ①復(fù)雜環(huán)境下大跨度空間結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理與安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究;②大跨度空間結(jié)構(gòu)類型的監(jiān)測技術(shù)手段研究。
 
2  空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容
結(jié)構(gòu)監(jiān)測的定義是指利用現(xiàn)場的無損傳感與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析(包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)) ,探測結(jié)構(gòu)的變化,揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能劣化。結(jié)構(gòu)監(jiān)測不是一個新概念,對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度、速度、位移、旋轉(zhuǎn)等參數(shù)的測量一直是結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測的基本方法。由于土木工程結(jié)構(gòu)的特殊性,如結(jié)構(gòu)形式多樣、服役周期長、影響結(jié)構(gòu)性能的因素復(fù)雜多變等,對其進(jìn)行監(jiān)測比一般的機(jī)械系統(tǒng)要復(fù)雜。理想的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷,在傳感器允許的情況下,結(jié)合損傷識別技術(shù)確定損傷的位置,評估損傷程度,預(yù)測剩余的有效壽命并采取相應(yīng)的加固措施。目前,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是世界土木工程界的難題,也是研究的熱點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù),包括土木土程、動力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)、信號處理、網(wǎng)絡(luò)通訊通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識別等多方面的知識。
整個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究內(nèi)容是一個非常龐大的技術(shù)體系,主要包括以下方面。
1監(jiān)測范圍
①結(jié)構(gòu)重要部位監(jiān)測 對于中小型結(jié)構(gòu)可以只對結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損傷破壞的部位進(jìn)行監(jiān)測,以降低監(jiān)測成本。一般采用間歇式人工監(jiān)測,條件允許時也可采用小型監(jiān)測設(shè)備;
②結(jié)構(gòu)全面監(jiān)測 對于大型的重要結(jié)構(gòu),既需要監(jiān)測那些對損傷敏感的部位或子結(jié)構(gòu),如局部的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和加速度等,也需要及時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的整體健康狀況,如內(nèi)力、撓度及振型和頻率的變化,一般需要配合大型全面的監(jiān)測設(shè)備和健康監(jiān)測系統(tǒng)。
2監(jiān)測方式
①人工監(jiān)測 利用簡單的儀器,定期人工監(jiān)測和檢測,成本較低且不需高新技術(shù),但費(fèi)時、費(fèi)力,準(zhǔn)確性不高;
②自動監(jiān)測 采用多種類的傳感器和監(jiān)測設(shè)備,利用系統(tǒng)平臺對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測,一般適用于特大或重要的結(jié)構(gòu)監(jiān)測,自動化程度高,是當(dāng)前研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向;
③聯(lián)合監(jiān)測 將上述兩個方法結(jié)合起來,用各種小型的自動化程度較高的儀器,配合人工監(jiān)測,比較適合一般結(jié)構(gòu),具有廣泛的應(yīng)用前景。
3監(jiān)測狀態(tài)
①靜態(tài)監(jiān)測 對結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,可較直觀地反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài);
②動態(tài)監(jiān)測 在結(jié)構(gòu)運(yùn)營情況下,基于人為激勵或環(huán)境激勵,監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)。
4監(jiān)測的結(jié)構(gòu)參數(shù)
①位移 絕對位移和相對位移,靜位移和動位移;
②變形 靜(動) 撓度、靜(動) 應(yīng)變等;
③內(nèi)力 桿件和索拉力等;
④動力參數(shù) 速度、加速度等;
⑤外觀和完整 氣蝕、磨損、裂縫、剝落等;
⑥物理化學(xué)現(xiàn)象 混凝土堿集料反應(yīng)、鋼材銹蝕等;
⑦環(huán)境 風(fēng)速、溫度、地震、荷載等。
5監(jiān)測手段
①位移測試 位移計(jì)、傾斜儀、測量設(shè)備、GPS、數(shù)字成像機(jī)等;
②變形測試 位移傳感器、電阻應(yīng)變儀、壓電式應(yīng)變儀、振弦應(yīng)變儀、分布式光纖應(yīng)變計(jì)等;
③內(nèi)力測試 壓力環(huán)、磁彈性張力計(jì)、油壓計(jì)、剪力銷等;
④動力參數(shù)測試 速度計(jì)、加速度計(jì);
⑤外觀或完整率測試 刻度放大鏡、數(shù)字成像機(jī)、超聲探測儀等;
⑥環(huán)境測試 風(fēng)速計(jì)、溫度計(jì)、地震儀等。
 
3  空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)組成
大跨度空間結(jié)構(gòu)故障監(jiān)測和預(yù)警由于以大規(guī)模、大面積空間布局、靜態(tài)應(yīng)力和形變?yōu)橹鞯奶攸c(diǎn),因此必須建立專業(yè)的大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論,包括不同體系、不同荷載、不同損傷的識別與安全評估理論;開發(fā)新型適用于空間衛(wèi)星式布局、性能可靠的硬件設(shè)備,確保精度和長期工作的穩(wěn)定性,降低產(chǎn)品成本;開發(fā)相應(yīng)的智能故障預(yù)警軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對空間結(jié)構(gòu)長期、實(shí)時、在線的監(jiān)測與預(yù)警。
3.1  空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論主要包括大跨度空間結(jié)構(gòu)的故障機(jī)理與安全性評估理論。研究內(nèi)容主要指在基于空間結(jié)構(gòu)本身的體系拓?fù)洹⒂?jì)算分析、施工建造等研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)整體削弱、核心部件受損、外界因素突變等情況下的受影響機(jī)理以及結(jié)構(gòu)模型修正后的內(nèi)力重分布。
理論研究的空間結(jié)構(gòu)體系包括:空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力拉索網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)、空間多面體剛架結(jié)構(gòu)、“鳥巢型”復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。
考慮的復(fù)雜環(huán)境因素主要包括:材料腐蝕、地震作用、臺風(fēng)作用、溫度效應(yīng)、超載、火災(zāi)、爆炸沖擊、施工工藝等。典型故障因素包括:索松弛與破斷、結(jié)構(gòu)撓度過大、結(jié)構(gòu)振動異常、構(gòu)件損傷、約束破壞等。在考慮以上因素的前提下,大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論的研究可歸納為基于影響機(jī)理的結(jié)構(gòu)損傷識別問題與基于模型重建的結(jié)構(gòu)安全性評估問題。
大跨度空間結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)是健康監(jiān)測研究范疇內(nèi)的核心問題。一般的結(jié)構(gòu)損傷在物理狀態(tài)空間表現(xiàn)為剛度降低、柔度增大;在模態(tài)空間表現(xiàn)為固有頻率降低。無論從研究角度還是從實(shí)用角度出發(fā),結(jié)構(gòu)損傷識別的內(nèi)容均需判明損傷的部位及部位物理參數(shù)的變化以及結(jié)構(gòu)整體性能的變化等方面。
完整的損傷識別技術(shù)按照流程可分4 個層次:
(1)斷結(jié)構(gòu)和構(gòu)件是否損傷及何時發(fā)生的損傷;
(2)判斷結(jié)構(gòu)的損傷位置;
(3)判斷結(jié)構(gòu)損傷類型及損傷程度;
(4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評定和壽命預(yù)測。
前3個層次分別是結(jié)構(gòu)具體損傷的定性和定時、定位和定量問題;層次是結(jié)構(gòu)整體的定位和定量問題。
大跨度空間結(jié)構(gòu)安全度評估技術(shù)是在損傷識別的基礎(chǔ)上,有針對性地對結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行修正,包括材料物理特性和截面特性的偏差、荷載和邊界條件的偏差等綜合因素。修正后的結(jié)構(gòu)模型能夠更精確地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng),從而結(jié)合實(shí)測結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的損傷診斷和安全評估。
3.2  空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測硬件開發(fā)
適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的大規(guī)模、大面積空間布局特點(diǎn)的新型硬件設(shè)備開發(fā)是空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的核心內(nèi)容。目前具有代表性的是以光纖光柵傳感器為主流的有線傳感設(shè)備和新興的發(fā)展迅猛的無線傳感設(shè)備。
3.2.1  光纖光柵傳感設(shè)備
光纖光柵傳感設(shè)備是當(dāng)前國內(nèi)外測試手段的主流,具有體積小、質(zhì)量輕、插入損耗低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),特別適合在易燃、易爆和強(qiáng)電磁等惡劣環(huán)境下使用。
1) 國際上對光纖傳感器研究的時間雖然不長,進(jìn)展卻非常迅速。目前,已有70 多種光纖傳感器用于各種物理量的測量。從美國的Morey(1989 年) 等人首次對光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感研究以來,世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究,取得豐碩成果。在短短的10 多年時間里,光纖光柵已成為傳感領(lǐng)域發(fā)展快的技術(shù)。美國、加拿大、日本、英國、澳大利亞等國都先后投入了大量人力、物力進(jìn)行該領(lǐng)域研究和開發(fā)。1998 年,美國加州大學(xué)Wanser Keith H。 等人采用多模光纖光柵作傳感頭, 用光時域反射計(jì)對振動與應(yīng)變做了實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn),并分別獲得美國和歐洲專利。10 年來,國外學(xué)者基于光纖光柵對應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等物理量的傳感特性進(jìn)行了多方面的研究,先后發(fā)展了直接檢測、干涉檢測、可調(diào)F2P 濾波器解調(diào)、匹配光纖光柵解調(diào)等多種波長解調(diào)技術(shù),并在壓力、溫度、振動、溫度P壓力雙參量等光纖光柵傳感器件的試驗(yàn)和研究方面取得了很大的進(jìn)展和成果。
2) 我國雖然從20 世紀(jì)90 年代開始涉足光纖光柵傳感領(lǐng)域的研究,目前國內(nèi)多家企業(yè)與高校開展這方面的研究,并且在用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的研究與應(yīng)用方面也取得了初步的成績,但總體水平和國外相比還存在著差距。光纖光柵傳感設(shè)備在各項(xiàng)通用的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)(如精度、穩(wěn)定、敏感性等方面) 仍有很大的改進(jìn)空間。而以往適用于其它大型工程設(shè)施的光纖傳感設(shè)備,目前還無法直接用于大跨度空間結(jié)構(gòu),必須根據(jù)大跨度空間結(jié)構(gòu)面積大、構(gòu)件多、體系復(fù)雜、鋼構(gòu)件不可埋入等特點(diǎn)進(jìn)行針對性的開發(fā)。
3.2.2  無線傳感系統(tǒng)
無線傳感系統(tǒng)作為另一種新興的傳感技術(shù),有著光纖光柵傳感產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。雖然光纖光柵傳感技術(shù)因其抗干擾性、穩(wěn)定性、精確性等優(yōu)點(diǎn)普遍用于各類重大土木工程設(shè)施的安全預(yù)警系統(tǒng)中,并將在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍然作為監(jiān)測硬件的主流設(shè)備。但其有線采集、布線困難的弊病同樣明顯。橋梁、管道、大壩等結(jié)構(gòu)由于線性特征,相對影響較小,大跨度空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是面積大、空間寬,若使用有線監(jiān)測設(shè)備,在測點(diǎn)較多的情況下,用于布線的成本有可能超過監(jiān)測設(shè)備本身,同時大量復(fù)雜的布線對于結(jié)構(gòu)的美觀、日后的維護(hù)、故障的檢修都存在著無法回避的問題。因此必須在改進(jìn)傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術(shù)的同時,開發(fā)目前國際上逐漸流行的無線傳感技術(shù),并將其應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的安全性測評領(lǐng)域中。其安裝方便、成本低廉、維護(hù)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn),將逐漸取代傳統(tǒng)的監(jiān)測手段而成為主流。
1) 無線傳感系統(tǒng)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他工商業(yè)領(lǐng)域早已應(yīng)用,而美國率先將其引入土木工程的安全性監(jiān)測預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。1996 年,美國學(xué)者首次提出運(yùn)用無線技術(shù)替代結(jié)構(gòu)監(jiān)測有線系統(tǒng)的思想,開辟了無線傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用,并研制了一套實(shí)時的損傷識別結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。由美國先進(jìn)國防研究項(xiàng)目局所資助的、在加利福尼亞大學(xué)實(shí)施的“Smart dust”計(jì)劃,旨在建立一個無線傳感器開發(fā)的軟硬件平臺,進(jìn)而開發(fā)出一系列低價(jià)格、小尺寸、高可靠性的無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步推動了無線傳感器的應(yīng)用發(fā)展。該項(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品目前已成為世界許多大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)使用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,并且以此衍生出一批較知名的專業(yè)無線傳感產(chǎn)品生產(chǎn)公司。國外開發(fā)的無線傳感類產(chǎn)品普遍存在價(jià)格高昂、無線傳輸距離短、技術(shù)保密、開放性差等弊病,不適合用于大型空間結(jié)構(gòu)等建筑的安全性監(jiān)測領(lǐng)域。國內(nèi)已有高校從設(shè)計(jì)的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā),采用模塊化設(shè)計(jì)方法,對無線傳感器的傳感處理模塊、中央處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源管理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試,進(jìn)而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器與應(yīng)變傳感器樣品。
2) 無線傳感器 傳感單元采用先進(jìn)的MEMS 技術(shù)
封裝,具有體積小、低功耗、可靠性高等特點(diǎn),適合集成;無線傳感器具有智能處理單元,可以對采集信號進(jìn)行預(yù)處理,對特征信號進(jìn)行初步提取,數(shù)字輸出,不需要有線傳感系統(tǒng)的電荷采集箱部分,同時也分散了中央處理器處理數(shù)據(jù)的壓力;無線傳感器依據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò),形成一個高效實(shí)時的監(jiān)測系統(tǒng),且網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋性與可拓展性可以保證同時監(jiān)測到大型結(jié)構(gòu)各個部位的信息;無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有節(jié)能的特點(diǎn)。
3) 目前,無線傳感技術(shù)已開始向土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域滲透并成為這方面研究的一個熱點(diǎn)。一定時期內(nèi),盡管有線傳感器在產(chǎn)品種類上的優(yōu)勢會使其在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域占主導(dǎo)地位,但無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)所特有的優(yōu)勢已經(jīng)凸現(xiàn)出來。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究和在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的使用,無線傳感網(wǎng)絡(luò)將會逐步取代有線傳感網(wǎng)絡(luò)。
3.3  空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件開發(fā)
智能、通用的監(jiān)測及預(yù)警軟件系統(tǒng)開發(fā)是空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的重要內(nèi)容,是對整個系統(tǒng)功能的融合。軟件系統(tǒng)運(yùn)行于PC 機(jī)上,以一個圖形用戶界面為用戶提供直觀的功能模塊和數(shù)據(jù)顯示。應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)變形、位移、振動等物理參數(shù)的監(jiān)測,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的初步評估與預(yù)警。軟件系統(tǒng)一般包含工程管理、結(jié)構(gòu)建模與顯示、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算、測點(diǎn)布置與組網(wǎng)、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)評估及文件存儲等模塊。
1) 工程管理模塊 用于建立及管理工程列表,其中包含工程簡介、工程圖表等相關(guān)信息。
2) 結(jié)構(gòu)建模與顯示模塊 為了掌握被檢測對象的相關(guān)信息,需要顯示結(jié)構(gòu)前處理模型。該功能模塊用于結(jié)構(gòu)模型的建立以及旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等圖形顯示功能。
3) 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算模塊 用于結(jié)構(gòu)理論分析,計(jì)算得出理論值,為與實(shí)測值的比較以及結(jié)構(gòu)的安全評估提供判別依據(jù)。
4) 測點(diǎn)布置與組網(wǎng)模塊 用于監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)以及測點(diǎn)布置、組網(wǎng),并便于掌握各傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。合理的測點(diǎn)布置方案可以在保證有效獲取結(jié)構(gòu)信息的前提下,做到大程度的經(jīng)濟(jì)化與穩(wěn)定性。
5) 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 用于接收傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù),同時將各種管理命令發(fā)布到指定的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過收發(fā)基站以串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī),對計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行監(jiān)聽,實(shí)時判別是否有數(shù)據(jù)輸入,輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定義的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼,進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各節(jié)點(diǎn)檢測的數(shù)據(jù)以實(shí)時曲線的形式顯示給用戶,此外用戶也可以根據(jù)需要,以表格形式查看當(dāng)前數(shù)據(jù)的數(shù)值。
6) 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊一方面是為了減少數(shù)據(jù)的存儲量,需要對接收入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。另一方面,根據(jù)用戶不同的檢測或監(jiān)測需求,結(jié)合不同的算法,對各測點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理和融合處理,以進(jìn)一步提取有效信息。
7) 結(jié)構(gòu)評估與預(yù)警模塊 通過結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的分析與處理,用戶比較計(jì)算結(jié)構(gòu)理論值與實(shí)測值,結(jié)合結(jié)構(gòu)本身特性及特定算法,來判別顯示被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),軟件對超限情況自動報(bào)警。
8) 文件存儲模塊 為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,并為歷史查詢和計(jì)算分析服務(wù),存儲可以采用二進(jìn)制文件、文本文件及數(shù)據(jù)庫的形式。二進(jìn)制存儲格式可以節(jié)約硬盤空間;普通文本存儲比較方便查詢;而為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理,可以采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲。同時,對于結(jié)構(gòu)分析評估結(jié)論,可以以報(bào)告書的格式進(jìn)行輸出。系統(tǒng)各個模塊雖然功能上相對獨(dú)立,但其集成于同一個圖形用戶界面(graphical user interface ,簡稱GUI)之中,相互關(guān)系緊密,不可分割。
 
4  結(jié)語
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)主要包括理論、硬件、軟件三方面,即大跨度空間結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載與復(fù)雜環(huán)境作用下的災(zāi)變機(jī)理,及建立相應(yīng)的大跨度結(jié)構(gòu)體系安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的新型傳感監(jiān)測設(shè)備開發(fā);大跨度空間結(jié)構(gòu)故障預(yù)警集成軟件系統(tǒng)的開發(fā)。研究內(nèi)容具有明顯的多學(xué)科交叉特征,需要多學(xué)科研究人員和工程技術(shù)人員的緊密合作。
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究的課題有:
(1)傳感器的耐久性和可靠性研究;
(2)無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā);
(3)監(jiān)測系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用;
(4)大跨度空間結(jié)構(gòu)安全度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測規(guī)范。
我國正處于大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的高峰時期,本文研究內(nèi)容將對相對薄弱的大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域提供一定的借鑒。


關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指對工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測和識別。 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力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(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)。對于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,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化監(jiān)測產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、工程安全自動化云計(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.skhhsst.net

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