一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统。包括传感器系统、数据采集与处理子系统、数据传输子系统、信息分析与监控预警子系统。传感器系统采用光纤光栅传感器，利用其体积小，重量轻，抗电磁干扰等优势，安装于体育馆钢结构中能反映整体情况的各个测量点，通过振动光纤传感器和光纤光栅应变传感器，利用其测量数据判断体育馆钢结构是否处于正常状态，对一实际体育馆开展试验，结果表明：该方法能够准确识别监测体育馆钢屋盖结构的振动情况和承重梁的应变情况，从而判断体育馆钢结构是否处于安全状态。体育馆钢结构是否处于安全状态。体育馆钢结构是否处于安全状态。

【技术实现步骤摘要】
一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统


[0001]本专利技术涉及结构监测
，具体涉及一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统。

技术介绍

[0002]钢结构装配式建筑是以钢结构为结构体系，以部品部件工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理为主要特征的一种新型的标准化、模数化的建筑体系，具有快速、高效、现场作业少、抗震性能好等优点，易于实现建筑产业现代化和工业化。大力开发、推广钢结构装配式建筑已经上升为国策，并且成为当前我国建筑工业发展的主要方向。
[0003]近几年来，国际和国内相继发生了多起钢结构建筑的坍塌、火灾等事故，所以大力发展、推广钢结构装配式建筑的过程中对于钢结构装配式建筑的安全监测技术研发和应用非常重要。虽然钢结构装配式建筑的设计、加工、安装等过程中都有国家和行业的相关标准，但是目前，还没有从系统性的角度来形成这类建筑的安全监测技术体系和标准，相关的技术研发和工程应用也非常少，甚至处于空白状态。因此，系统研发和应用推广相关的安全监测技术，不仅对于建筑安全有重大意义，而且更加有利于钢结构装配式各类建筑的应用推广。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统通过振动光纤传感器和光纤光栅应变传感器，利用其测量数据判断体育馆钢结构是否处于正常状态，该方法能够准确识别监测体育馆钢屋盖的振动情况和承重梁的应变情况，从而判断体育馆钢结构是否处于安全状态。
[0005]为实现上述目的，一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，包括有：传感器系统、数据采集与处理子系统，数据传输子系统，信息分析与监控预警子系统。
[0006]所述传感器系统由振动光纤光栅传感器和光纤光栅应变传感器组成；
[0007]所述的数据采集与处理子系统与传感器系统相连，将传感器系统所得的数据进行采集，并将其存储在相应的器件内；
[0008]所述的数据采集与处理子系统与数据传输系统相连，将采集到的数据通过数据传输子系统传输到信息分析与监控预警子系统进行数据的分析和处理得到安全监测报告，将处理后的数据显示在平台上，并在监测到不正常结构状态时发出预警信号。
[0009]所述的体育馆钢结构部分由屋盖和立面维护两部分组成，其中屋盖采用空间平面桁架结构；平面桁架沿径向和环向正交布置，共7个环向桁架；主桁架通过建筑物中心且由铸钢节点构成一体，分别支承在12根大柱上；屋盖按支座所围成的圆周分为两部分，即中心圆部分和外围护圆部分，立面维护幕墙采用空间折面网格结构，由36个形状大小一致的结构单元构成，每个结构单元上部与结构主体钢屋盖相连，下部支撑在混凝土结构顶板处，上、下连接点均采用铰链。整体结构图和截面图见附图。截面图选择e1和e7之间桁架的截面，
以及e4和e
10
之间的桁架。在截面图中做以下规定：
[0010]记上层中点为a0，往两侧依次为a1，a2，
……
，a7，
[0011]记下层中点为b0，往两侧依次为b1，b2，
……
，b7，
[0012]连接上下层的正中间竖杆记为c0，往两侧依次为c1，c2，
……
，c7，
[0013]连接a0，a1的横杆记为a
01
，连接a1，a2的横杆记为a
12
，以此类推，
[0014]连接b0，b1的横杆记为b
01
’
连接b1，b2的横杆记为b
12
’
，以此类推，
[0015]连接a1，b0的斜杆记为c
01
，连接a2，b1的横杆记为c
12
，以此类推，
[0016]取一根大柱记为e1，顺时针旋转记其他大柱分别为e2到e
12
；
[0017]一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，包括以下步骤：
[0018]按照体育馆钢结构自身的受力分析特点及对称性，同时考虑监测的经济性和有效性，按照杆件振动最大的原则选取振动光纤光栅传感器安装点，布置测点14个。在e1到e7之间的桁架上布置8个安装点。第1，2个安装点分别位于中间竖杆的上下两个焊接点；第3个安装点位于左侧a1点；第4个安装点位于左侧b5点；第5个安装点分别位于左侧a6点，根据对称原则，第6，7，8个安装点位于右侧相同位置；为保证整体结构对称性，第9，10，11，12，13，14个安装点布置在e4‑
e
10
间桁架的相同位置(见图中圆点标记)；
[0019]进一步地，按照杆件应变最大的原则选取应变光纤光栅传感器安装点，布置测点13个。在e1到e7之间的桁架上布置7个安装点。第1个安装点位于c0中点，第2，3个安装点分别位于两侧c2中点，第4，5个安装点分别位于左右两侧斜杆c
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的中点，第6，7个安装点分别位于e1和e7的中点；为保证整体结构对称性，第8，9，10，11，12，13个安装点布置在e4‑
e
10
间桁架的相同位置(见图中三角形标记)；
[0020]进一步地，根据位置及初始中心波长将多个传感器串接在同一条光纤线缆上，形成监测现场的分布式传感器网络，每个传感器串称为一个通道；
[0021]进一步地，把所有通道汇集到监测现场的数据收发器，利用一根主光缆传输到远端的控制室，控制室中利用同样的数据收发器接受来自现场传感器的信号，数据收发器输出与现场传感器串对应的多个通道到网络分析仪；
[0022]进一步地，网络分析仪接受各传感器反射的特定波长的光信号，分析其中心波长功率谱，得到返回的中心波长值与振动频率，与传感器初始状态下的中心波长值相比较，即可得到改变传感器中心波长的外部应变。
[0023]进一步地，根据振动光纤传感器检测到的振动数据利用公式判断钢屋盖是否处于正常振动状态，公式为：
[0024][0025]式中，ε
n
为计算所得到的该建筑某监测点的振动性能；α为振动频率的权重系数，取0.342；f
n
为该建筑的某监测点监测所得的振动频率；f
a
为所测建筑正常情况下的振动频率；为该建筑振动频率的调整因子，取
‑
0.596；β为振动阻尼比的权重系数，取0.658；ζ
n
为该建筑的某监测点监测所得的振动阻尼比；ζ
a
为所测建筑正常情况下的振动阻尼比；w为该建筑振动阻尼比的调整因子，取0.803；k
n
为该建筑的某监测点监测的由振动特征所得的振型系数；k
a
为所测建筑正常情况下由振动特征所得的振型系数；N为根据监测点监测到的振
动阶数，
[0026]当0.8<ε
n
<1为正常振动；而ε
n
>1，或ε
n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，其特征在于，包括有：传感器系统、数据采集与处理子系统，数据传输子系统，信息分析与监控预警子系统；所述传感器系统由振动光纤光栅传感器和光纤光栅应变传感器组成；所述的数据采集与处理系统与传感器系统相连，将传感器系统所得的数据进行采集，并将其存储在相应的器件内；所述的数据采集与处理子系统与数据传输子系统相连，将采集到的数据通过数据传输子系统传输到信息分析和监控预警子系统进行数据的分析和处理得到安全监测报告，将处理后的数据显示在平台上，并在监测到不正常结构状态时发出预警信号。2.根据权利要求1所述的一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，其特征在于，所述的体育馆钢结构部分由屋盖和立面维护两部分组成，其中屋盖采用空间平面桁架结构；平面桁架沿径向和环向正交布置，共7个环向桁架；主桁架通过建筑物中心且由铸钢节点构成一体，分别支承在12根大柱上；屋盖按支座所围成的圆周分为两部分，即中心圆部分和外围护圆部分，立面维护幕墙采用空间折面网格结构，由36个形状大小一致的结构单元构成，每个结构单元上部与结构主体钢屋盖相连，下部支撑在混凝土结构顶板处，上、下连接点均采用铰链，整体结构图和截面图见附图，截面图选择e1和e7之间桁架的截面，以及e4和e
10
之间的桁架。在截面图中做以下规定：记上层中点为a0，往两侧依次为a1，a2，
……
，a7，记下层中点为b0，往两侧依次为b1，b2，
……
，b7，连接上下层的正中间竖杆记为c0，往两侧依次为c1，c2，
……
，c7，连接a0，a1的横杆记为a
01
，连接a1，a2的横杆记为a
12
，以此类推，连接b0，b1的横杆记为b
01
’
连接b1，b2的横杆记为b
12
’
，以此类推，连接a1，b0的斜杆记为c
01
，连接a2，b1的横杆记为c
12
，以此类推，取一根大柱记为e1，顺时针旋转记其他大柱分别为e2到e
12
。3.根据权利要求1所述的一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，其特征在于，所述的振动传感器采用的是振动光纤光栅传感器，安装于体育馆钢屋盖，能够反映监测点的振动情况。4.根据权利要求1所述的一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，其特征在于，所述的应变传感器采用的是光纤光栅应变传感器，安装于体育馆承重梁监测点，能够避免传感器的附加质量对结构应变检测造成影响。5.根据权利要求1所述的一种基于振动和应变监测的体育馆钢结构健康预警系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：按照体育馆钢结构自身的受力分析特点及对称性，同时考虑监测的经济性和有效性，按照杆件振动最大的原则选取振动光纤光栅传感器安装点，布置测点14个；在e1到e7之间的桁架上布置8个安装点；第1，2个安装点分别位于中间竖杆的上下两个焊接点；第3个安装点位于左侧a1点；第4个安装点位于左侧b5点；第5个安装点分别位于左侧a6点，根据对称原则，第6，7，8个安装点位于右侧相同位置；为保证整体结构对称性，第9，10，11，12，13，14个安装点布置在e4‑
e
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间桁架的相同位置(见图中圆点标记)；步骤2：按照杆件应变最大的原则选取应变光...

【专利技术属性】
技术研发人员：左理想，周昌奎，牛新阳，李峰，
申请(专利权)人：江苏百甲新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：