深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是保證工程結(jié)構(gòu)在服役期間安全性的重要手段。當(dāng)結(jié)構(gòu)在使用的過程中，荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)和一些不可預(yù)知的突變效應(yīng)使結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷的累積和承載能力的下降，從而使抵抗自然災(zāi)害的能力下降，影響其正常的使用功能，在極端的情況下會發(fā)生災(zāi)難性的事故。對大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)力是它的主要設(shè)計(jì)荷載。當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)，有的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞。且隨著結(jié)構(gòu)損傷的累積，最終甚至?xí)?dǎo)致空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的倒塌或喪失使用

2、功能。為此，建立風(fēng)力作用下空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的及時(shí)了解和構(gòu)件損傷的及時(shí)診斷，對于保證此類結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全是十分必要的。 本論文以世界上最大的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)——深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為工程背景，詳細(xì)探討了風(fēng)力作用下大跨度屋頂空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和關(guān)鍵技術(shù)，研究了用少量傳感器實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)的自動報(bào)警、未知損傷的自動診斷和結(jié)構(gòu)抗倒塌安全度的實(shí)時(shí)評定的方法和技術(shù)，并成功

3、地在深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上得以實(shí)現(xiàn)。據(jù)此，論文所提出的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新工作有： (1)部分采用了精度高且具有耐腐蝕，防潮，抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)的光纖光柵傳感器作為傳感系統(tǒng)，并根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)的需要建立了智能光纖光柵傳感系統(tǒng)。在此部分應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是：采用了波分復(fù)用技術(shù)，即將相同解調(diào)類型的光纖光柵傳感器連接到一根或者多根光纖總線上，通過總線上的各個(gè)傳感器的調(diào)制信號的特征周期波長來詢址。采用Ethernet通信方式將光纖光柵傳感器

4、的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器中，使安全預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)。并采用多線程技術(shù)編制程序獲取解調(diào)器中的數(shù)據(jù)，來提高計(jì)算機(jī)的工作效率和數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性。 (2)為了通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上少量傳感器的測量來得到整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件的工作狀態(tài)，本系統(tǒng)采用“風(fēng)壓力荷載的識別→結(jié)構(gòu)有限元模型的修正→實(shí)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰因子→分析結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)響應(yīng)最大值”的途徑。為了滿足實(shí)時(shí)健康監(jiān)測的要求，將此系統(tǒng)的工作分成“非實(shí)時(shí)”和“實(shí)時(shí)”兩部分。非實(shí)時(shí)部分主要完

5、成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上全部風(fēng)力荷載頻域特性的識別、結(jié)構(gòu)有限元模型的修正及各風(fēng)向下單位風(fēng)力荷載所引起的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)風(fēng)致響應(yīng)位移根方差的計(jì)算，并將其存貯于數(shù)據(jù)庫中。實(shí)時(shí)部分主要通過傳感器實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所在地標(biāo)準(zhǔn)高度處10分鐘的平均風(fēng)速和平均風(fēng)向及根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件10分鐘響應(yīng)的時(shí)程曲線計(jì)算獲取峰因子，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中此風(fēng)向和單位風(fēng)速下的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)根方差，實(shí)時(shí)分析得到此10分鐘內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大響應(yīng)值。在此部分應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是：采用加權(quán)荷載本征模態(tài)分解法識別作

6、用在結(jié)構(gòu)上的脈動風(fēng)荷載，獲得了降階的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面節(jié)點(diǎn)上的脈動風(fēng)荷載的功率譜密度函數(shù)矩陣。采用智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，建立了以節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)剛度參數(shù)為修正值的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型修正技術(shù)。最后，建立了依據(jù)上一個(gè)10分鐘內(nèi)的實(shí)時(shí)測量的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在這一個(gè)10分鐘內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)分析和實(shí)時(shí)報(bào)警。 (3)為了通過每個(gè)牛腿關(guān)鍵點(diǎn)上設(shè)置的應(yīng)變傳感器識別整個(gè)牛腿的應(yīng)力場來獲得整個(gè)牛腿的工作狀態(tài)，采用了“實(shí)測待識別應(yīng)力場關(guān)鍵點(diǎn)瞬時(shí)應(yīng)變→計(jì)算待識別應(yīng)力場在

7、論域上的模糊子集→計(jì)算待識別應(yīng)力場與各應(yīng)力場模式的貼近度→貼近度最大的應(yīng)力場模式就是待識別的應(yīng)力場”的技術(shù)。此系統(tǒng)依據(jù)采樣獲取的牛腿關(guān)鍵點(diǎn)的瞬時(shí)應(yīng)變，然后采用模糊模式識別的方法來進(jìn)行鋼牛腿瞬時(shí)應(yīng)力場的識別。此部分應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是：通過牛腿上關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變識別出牛腿上的瞬時(shí)荷載，建立關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變與牛腿應(yīng)力場模式之間一一對應(yīng)的關(guān)系。同時(shí)用它作為表征牛腿應(yīng)力場模式的特征指標(biāo)。然后，根據(jù)先確定牛腿各應(yīng)力場模式所對應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變，建立牛腿各應(yīng)力場模式

8、在論域上的模糊子集。最后，根據(jù)得到了牛腿應(yīng)力場的模糊模式庫，應(yīng)用模糊模式識別的擇近原則來確定牛腿某瞬時(shí)應(yīng)力場所歸屬的模式。 (4)牛腿的破壞將是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)倒塌的主要因素，是評定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗倒塌安全性的關(guān)鍵。因此，首先依據(jù)實(shí)測風(fēng)速、風(fēng)向和響應(yīng)峰因子，識別牛腿上的支座反力；然后依牛腿極限承載能力來判斷牛腿的破壞；通過在牛腿破壞條件下不在線計(jì)算所建立的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞模式庫，再依牛腿破壞情況實(shí)時(shí)調(diào)用來對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞模式進(jìn)行識別；達(dá)到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)