深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結構健康監(jiān)測系統(tǒng)及其關鍵技術研究.pdf

1、重大工程結構的健康監(jiān)測是保證工程結構在服役期間安全性的重要手段。當結構在使用的過程中，荷載的長期效應、疲勞效應和一些不可預知的突變效應使結構不可避免地產(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)生災難性的事故。對大跨度空間網(wǎng)架結構而言，風力是它的主要設計荷載。當出現(xiàn)大風時，有的空間網(wǎng)架結構會產(chǎn)生較嚴重的結構構件破壞。且隨著結構損傷的累積，最終甚至會導致空間網(wǎng)架結構的倒塌或喪失使用

2、功能。為此，建立風力作用下空間網(wǎng)架結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對空間網(wǎng)架結構工作狀態(tài)的及時了解和構件損傷的及時診斷，對于保證此類結構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)架結構——深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結構為工程背景，詳細探討了風力作用下大跨度屋頂空間網(wǎng)架結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計理論和關鍵技術，研究了用少量傳感器實現(xiàn)空間網(wǎng)架結構整體工作狀態(tài)的自動報警、未知損傷的自動診斷和結構抗倒塌安全度的實時評定的方法和技術，并成功

3、地在深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結構上得以實現(xiàn)。據(jù)此，論文所提出的關鍵技術和創(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)。在此部分應用的關鍵技術是：采用了波分復用技術，即將相同解調類型的光纖光柵傳感器連接到一根或者多根光纖總線上，通過總線上的各個傳感器的調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)庫服務器中，使安全預警系統(tǒng)能夠實時獲取光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)。并采用多線程技術編制程序獲取解調器中的數(shù)據(jù)，來提高計算機的工作效率和數(shù)據(jù)獲取的實時性。 (2)為了通過網(wǎng)架結構上少量傳感器的測量來得到整個網(wǎng)架結構桿件的工作狀態(tài)，本系統(tǒng)采用“風壓力荷載的識別→結構有限元模型的修正→實測結構響應峰因子→分析結構實時響應最大值”的途徑。為了滿足實時健康監(jiān)測的要求，將此系統(tǒng)的工作分成“非實時”和“實時”兩部分。非實時部分主要完

5、成網(wǎng)架結構上全部風力荷載頻域特性的識別、結構有限元模型的修正及各風向下單位風力荷載所引起的結構節(jié)點風致響應位移根方差的計算，并將其存貯于數(shù)據(jù)庫中。實時部分主要通過傳感器實時獲取網(wǎng)架結構所在地標準高度處10分鐘的平均風速和平均風向及根據(jù)網(wǎng)架結構構件10分鐘響應的時程曲線計算獲取峰因子，并調用數(shù)據(jù)庫中此風向和單位風速下的結構節(jié)點響應根方差，實時分析得到此10分鐘內(nèi)結構構件最大響應值。在此部分應用的關鍵技術是：采用加權荷載本征模態(tài)分解法識別作

6、用在結構上的脈動風荷載，獲得了降階的網(wǎng)架結構屋面節(jié)點上的脈動風荷載的功率譜密度函數(shù)矩陣。采用智能神經(jīng)網(wǎng)絡方法，建立了以節(jié)點聯(lián)結剛度參數(shù)為修正值的網(wǎng)架結構有限元模型修正技術。最后，建立了依據(jù)上一個10分鐘內(nèi)的實時測量的結構響應，在這一個10分鐘內(nèi)進行實時結構工作狀態(tài)分析和實時報警。 (3)為了通過每個牛腿關鍵點上設置的應變傳感器識別整個牛腿的應力場來獲得整個牛腿的工作狀態(tài)，采用了“實測待識別應力場關鍵點瞬時應變→計算待識別應力場在

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

8、在論域上的模糊子集。最后，根據(jù)得到了牛腿應力場的模糊模式庫，應用模糊模式識別的擇近原則來確定牛腿某瞬時應力場所歸屬的模式。 (4)牛腿的破壞將是網(wǎng)架結構倒塌的主要因素，是評定網(wǎng)架結構抗倒塌安全性的關鍵。因此，首先依據(jù)實測風速、風向和響應峰因子，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算所建立的網(wǎng)架結構破壞模式庫，再依牛腿破壞情況實時調用來對網(wǎng)架結構的破壞模式進行識別；達到網(wǎng)架結構