技術(shù)丨淺談結構健康監測系統的快速部署方案
橋梁、高層建筑等建筑物在使用過(guò)程中，在自然環(huán)境（如風(fēng)荷載、波浪、地震等）、人的活動(dòng)及設備振動(dòng)等激勵下會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，這是工程界的***個(gè)老問(wèn)題。近年來(lái)建筑結構振動(dòng)問(wèn)題也頻頻出現，引發(fā)社會(huì )關(guān)注。如，2021年深圳華強北賽格大廈因風(fēng)、地鐵運行及溫度等多種因素耦合，出現劇烈晃動(dòng)；2020年鸚鵡洲長(cháng)江大橋雙向橋面因特定風(fēng)況引起的上下波形晃動(dòng)，都是結構在使用過(guò)程中受到外部荷載的影響出現振動(dòng)的情況。
建筑結構存在固有頻率，當結構受到外部荷載影響或本身結構受損，會(huì )導致其振動(dòng)頻率發(fā)生變化。當振動(dòng)頻率與結構物的固有頻率相近，會(huì )發(fā)生共振。振動(dòng)輕者會(huì )影響人們正常生活、工作的舒適度，重者會(huì )影響生產(chǎn)的正常運行，更嚴重者會(huì )影響結構主體安全，導致結構物損壞。因此，對結構物尤其是高層建筑、橋梁、大壩等重點(diǎn)結構物進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并形成城市建筑物安全監測網(wǎng)，即時(shí)捕捉建筑物的振動(dòng)狀態(tài)非常重要。特別是在遭受地震、工業(yè)振動(dòng)等情況后，可以為專(zhuān)***快速分析提供判斷依據，縮短政府決策時(shí)間和形成快速處置方案。 依托于加速度儀、地震儀等高靈敏度檢測設備組成的結構健康監測系統（SHM），相比于傳統的土木結構監測方法能夠捕獲更高的共振頻率，同時(shí)通過(guò)傳感器陣列能夠對建筑結構損傷進(jìn)行檢測和定位，提供高精度的實(shí)時(shí)速度擾動(dòng)結果。 結構健康監測·監測方案 根據結構物情況的不同（如大壩結構，建筑高度），在傳感器陣列布設的過(guò)程中，為解決供電和信號傳輸的需求，需要布置大量線(xiàn)纜，給系統造價(jià)和現場(chǎng)實(shí)施帶來(lái)***定的難度。 目前普遍使用的地震儀***般都具有多種通信接口，主要包括RS-232串口、Modem、RJ-45以太網(wǎng)口等接口，可直接用RS-232電纜現場(chǎng)連接，或使用調制解調器通過(guò)***個(gè)電信網(wǎng)絡(luò )連接，或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)強震儀的IP地址來(lái)建立計算機與記錄儀之間的遠程聯(lián)系，并應用通信軟件在記錄儀和計算機之間傳送文件，查看記錄儀的狀態(tài)和信息、改變記錄儀參數等。在以太網(wǎng)電纜無(wú)法覆蓋的偏遠地方，沒(méi)有公用通信網(wǎng)絡(luò )，使用光纖來(lái)延長(cháng)傳輸距離是目前***好的選擇。 用金屬銅線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，標準的RS-232通信距離只有15m，而雙絞線(xiàn)在以太網(wǎng)接口間的傳輸距離也只有100m，在結構監測中，這個(gè)距離遠遠不夠。如果采用光纖通訊方案，通信距離可以達到20km以上，但在單***結構建筑結構內使用存在性能過(guò)剩，且成本較高的問(wèn)題。而無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，在實(shí)際工程中，需要更多考慮其穩定性、時(shí)間同步、傳輸速度及實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。 傳輸 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L標準 在需要局部通信的建筑結構內，***新的IEEE 802.3cg 10BASE-T1L規范實(shí)現了以太網(wǎng)通信在遠距離通信上的應用。 該標準支持通過(guò)***對雙絞線(xiàn)在1,000米的距離內進(jìn)行10Mbps全雙工通信，實(shí)現了利用以太網(wǎng)進(jìn)行兩線(xiàn)制遠距離通信的可能。隨著(zhù)電纜長(cháng)度更長(cháng)，設計人員可以擴展工業(yè)通信的范圍，而無(wú)需增加系統重量或布線(xiàn)成本。支持的電纜長(cháng)度更長(cháng)，還會(huì )提高短距離電纜的壽命，在電纜老化時(shí)不會(huì )影響傳輸質(zhì)量。 IEEE 802.3cg-2019標準用于規范管理10BASE-T1L連接。這個(gè)單對以太網(wǎng)（SPE）媒介標準可實(shí)現10Mbps的通信速度，并支持通過(guò)長(cháng)達1km的單條雙絞線(xiàn)提供電源和傳輸數據。 以太網(wǎng)交換機ETH-T1L模塊 基于10BASE-T1L新標準的創(chuàng )新以太網(wǎng)交換機ETH-T1L模塊，可以連接加速度計、記錄儀和其他數據集中型設備，實(shí)現多種數據記錄儀組網(wǎng)，并提供1200米以上距離的10MBps數據傳輸及供電。 以太網(wǎng)供電（PoE），無(wú)需單獨為 任何設備供電 模塊間***長(cháng)可達1200m 電纜 高性?xún)r(jià)比電纜 減少安裝時(shí)間 無(wú)限擴展的網(wǎng)絡(luò )提供了覆蓋任何 距離的可能性 加速度儀/烈度計 ela用于大規模的室內部署和室外安裝。 加速度儀（高動(dòng)態(tài)） albris緊湊型、全功能型的數字加速度儀。 監測系統 ETH-T1L模塊建構監測解決方案 在建筑結構健康監測中，可以利用新型的10BASE-T1L連接實(shí)現系統的快速部署，從而利用安裝在結構上的若干類(lèi)型傳感器來(lái)檢測超過(guò)允許范圍的性能參數，以及識別和驗證結構行為。對于“盒狀”建筑結構，其運動(dòng)方向主要為X軸平移、Y軸平移和X-Y扭轉。 在監測過(guò)程中，主要采用單軸/雙軸/三軸加速度儀，對建筑結構的平移、扭轉、層間位移及響應譜等參數進(jìn)行監測。 高層建筑方案 由單***電源集中供電，形成標準的TCP/IP網(wǎng)絡(luò ) (LAN)。高動(dòng)態(tài)范圍的加速度儀(albris) ，在每個(gè)測量點(diǎn)都有完整的數據記錄和存儲冗余。單個(gè)GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時(shí)。固定電話(huà)或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進(jìn)來(lái)，添加到現有的LAN中。 由單***電源集中供電，形成標準的TCP/IP網(wǎng)絡(luò ) (LAN)，這次的分布略有不同。低動(dòng)態(tài)范圍的加速度儀(ela) ，在每個(gè)測量點(diǎn)都有完整的數據記錄和存儲冗余。在加速度儀(ela)的干接點(diǎn)繼電器上，可基于網(wǎng)絡(luò )上所有設備的表決邏輯產(chǎn)生報警信號。單個(gè)GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時(shí)。固定電話(huà)或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進(jìn)來(lái)，添加到現有的LAN中。 大壩方案 ***個(gè)真正的樹(shù)狀拓撲，采用高動(dòng)態(tài)范圍的加速度儀 (albris) ，在每個(gè)測量點(diǎn)都有完整的數據記錄和存儲冗余。單個(gè)GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時(shí)。固定電話(huà)或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進(jìn)來(lái)，添加到現有的LAN中。 橋梁方案 ***個(gè)真正的總線(xiàn)拓撲，采用兩端供電和混合動(dòng)態(tài)范圍加速度儀(albris和ela)，在每個(gè)測量點(diǎn)都有完整的數據記錄和存儲冗余。在加速度儀(ela)的干接點(diǎn)繼電器上，基于網(wǎng)絡(luò )上所有設備的表決邏輯產(chǎn)生報警信號。單個(gè)GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時(shí)。固定電話(huà)或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進(jìn)來(lái)，添加到現有的LAN中。 2.5km長(cháng)距離拓撲，采用有中央供電和混合動(dòng)態(tài)范圍加速度儀(albris和ela)，在每個(gè)測量點(diǎn)都有完整的數據記錄和存儲冗余。單個(gè)GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時(shí)。固定電話(huà)或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進(jìn)來(lái)，添加到現有的LAN中。 監測軟件 GeoSMART結構健康監測軟件 GeoSMART是***款創(chuàng )新的圖形應用程序，它為土木工程結構提供實(shí)時(shí)結構健康監測。具有“智能”特性的GeoSMART可以監測和顯示結構的狀態(tài)。 任何結構實(shí)時(shí)狀態(tài)的3D顯示。 交互式縮放、旋轉、平移、可見(jiàn)性和投影。 實(shí)時(shí)交互式地圖上的多個(gè)結構。 實(shí)時(shí)連續的數據采集和處理。 基于滑動(dòng)窗口的連續頻率分析：振幅、頻譜圖和反應譜。 平移和旋轉中的剛體運動(dòng)。 非儀器區域的插值。 層間漂移比和扭轉。 超出預定義的閾值水平或曲線(xiàn)。 面對日益強烈的安全性需求，建筑結構安全監測的研究與實(shí)踐愈發(fā)重要。
(文章來(lái)源于儀器網(wǎng))
