用于大跨度空间结构健康监测与安全预警的方法

摘要

一种用于大跨度空间结构健康监测与安全预警的方法，包括以下内容：步骤一：大跨度空间结构健康监测与预警系统的等级的确定；步骤二：传感器选型与布设；步骤三：数据采集与传输系统；步骤四：系统的集成；步骤五：监控中心建设。本发明可有效正确地获取大跨度空间结构响应与环境荷载信息，根据上述信息可实时监测大跨度空间结构的健康状况并对大跨度空间结构的安全状况进行预警。

主权项

一种用于大跨度空间结构健康监测与安全预警的方法，其特征在于，包括以下内容：步骤一：大跨度空间结构健康监测与预警系统的等级的确定根据大跨度空间结构的投资规律、重要性、结构的复杂程度和易损性，确定大跨度空间结构健康监测与预警系统的等级划分级别，其中结构健康监测与预警系统等级分为三级，其中一级监测内容全、系统硬软件先进、系统自动化、实时性、集成化和网络化程度高、在线实时监测；二级系统监测内容较全、系统软硬件先进、系统定期连续监测、自动化程度较高、数据管理系统网络化运行；三级的检测内容、检测系统软硬件、检测制度等符合国家建筑结构维护的的相应要求；监测内容为大跨度空间结构的关键构件的应变、振动、位移和环境风荷载；步骤二：传感器选型与布设建立大跨度空间结构精细化有限元模型，对该结构在不利工况下的受力进行计算分析，尤其是考虑了风和积雪荷载联合作用下，结构的受力情况；在此基础上，确定了传感器的布设类型、数量及位置，在屋盖和墙面上供设计并安装光纤光栅应变和温度传感器，加速度传感器；风压传感器，三维超声风速仪，激光位移传感器；加速度传感器包括：单轴、双轴和三轴传感器，可实现同步监控空间三维方向上的结构振动，通过这些传感器可采集到大跨度空间结构在日常环境激励、地震激励及人为激励下的振动信号，为结构的安全评估提供更多的信息来源；风压传感器用于监控大跨度空间结构的表面的风压大小及分布状况，为结构的安全评定提供必要的直接作用荷载信息；三维超声波风速仪，可实现空间三维方向的风荷载监测即风速、风向和风攻角，通过数据的分析可获得顺风向、横风向、竖风向的平均风速、平均风向、功率谱密度、湍流强度、湍流积分尺度和阵风因子信息，以此来评价建筑物周围风荷载的特性，将此与风压传感器联合使用更可获得结构在不同风速、不同风向、不同风攻角风荷载作用下的大跨度空间空间结构表面风压分布状况，为结构提供更加全面的风荷载作用信息；激光位移传感器采用非接触式激光位移传感器监测其振动，；步骤三：数据采集与传输系统根据步骤一和二的系统监测等级和传感器类型，选用基于个人计算机的数据采集系统，其标准和结构均公开，具有良好的开放性，适用于大跨度空间结构健康监测与安全预警，数据采集硬件接口方式采用PCI数据采集卡；根据结构应变变化率确定其采样频率为1S/m、根据结构振动频率确定加速度传感器采样率为500S/s，根据传感器数量确定数据采集硬件通道数为64通道，精度为16位，量程范围为‑10V～+10V；并由此确定数据采集系统硬件分别包括光纤光栅解调仪和NI DAQ高精度高分辨率数据采集卡，数据采集软件系统包括：选择Windows系列操作系统，设备驱动软件，由数据采集硬件厂商提供，并与相应的硬件系统所匹；数据采集应用软件开发平台选用Visual C++和LabVIEW开发；各类传感器采集软件包括光纤光栅采集存储程序和结构振动实时监测软件；数据传输需保证传感器信号进入数据采集系统或计算机之前损耗小，所受干扰小，失真小，传输时间短；在保证以上要求的前提下，尽量使布线短，所遭受破坏的可能性小；同时还需要满足经济合理的要求，包括光纤光栅类传感器的光信号直接采用有线光缆传输；小于1000m的电信号传输采用多芯屏蔽电缆RVVP 2x2.5传输；步骤四：系统的集成结构健康监测与安全预警系统由传感器子系统、数据采集与处理及传输子系统、数据管理子系统和信号处理子系统组成，传感器子系统负责将结构响应转换为模拟信号，数据采集与处理及传输子系统负责将模拟信号数字化并传输至计算机，数据管理子系统负责组织、存储海量采集数据，信号处理子系统负责解释采集到的结构响应与环境数据，传感器子系统主要由传感器硬件组成、数据采集与传输子系统主要由数据采集与传输硬件与数据采集软件组成，数据管理子系统主要由主要为数据库软件实现，信号处理子系统还包括损伤识别子系统、模型修正子系统和安全评定子系统，信号处理子系统主要由专业分析软件系统实现，健康监测系统的监测信息与分析结果均需要存入数据管理子系统的数据库中，所有子系统均从数据库中读取和调用数据，因此，将数据库称为健康监测系统的“数据中心”；本系统的核心软件为LabVIEW，其它的软件有计算分析软件Matlab、结构分析软件Ansys和数据库系统软件，所有软件的运行和调用通过LabVIEW完成，LabVIEW使用ActiveX技术来调用MATLAB脚本程序，在MATLAB Script节点中编辑MATLAB程序，并在LabVIEW环境下运行；通过以上方法，实现现场数据的实时在线分析，调用Matlab的触发机制采用设定阈值进行触发，当某种类型传感器信号值与事先设定的阈值比较后如果为真，即调用Matlab进行模态和损伤识别分析，LabVIEW可以调用系统中任何路径的可执行文件，采用该种方法实现对Ansys的调用，这种情况下Ansys的分析方法为采用批处理式分析方法执行命令流文件，并且可将指定单元构件的某项力学指标直接写入文本文件中，供其他程序调用查询，LabVIEW与数据库之间LabVIEW的ActiveX功能，调用Microsoft ADO控件，利用SQL语言访问数据库并将所有数据实时存入中心数据库中，Matlab与数据库之间的通讯采用Matlab的Database Toolbox工具箱；步骤五：监控中心建设所有传感器安装完毕，为了获得高质量信号，所有类型的传感器的线路经由不同的电缆及光缆桥架进入中央控制室，并在控制室汇总并分类，电缆全部采用多芯静电屏蔽电缆以降低周围环境电磁干扰的影响，所有采集设备被安装在机柜内，可进一步增强静电屏蔽效应，地板采用防静电地板。