一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，属于建筑结构监测技术领域；该方法包括(1)监测：用三分量地震仪连续监测高层建筑地震波观测数据，记录各方向的地微动时间序列；(2)数据分析：使用滑动时窗法对干扰数据进行预处理，获取可操作的原始数据；然后用极性参数分析测定楼层面与水平面的夹角，建立震背景噪音与层间位移角的关系模型，用来监测高层建筑层间位移的变化；该方法通过监测台站记录的瑞雷波极化振动椭圆的最长轴在竖直向的分量与平面夹角变化间接地监测层间位移角的变化，形成一种全新的高层建筑结构维护监测方案，科学合理，监测成本低，精度高，解决了现有监测技术中存在的难题。解决了现有监测技术中存在的难题。解决了现有监测技术中存在的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，属于建筑结构监测


技术介绍

[0002]地震背景噪音是指宽频上所记录的具有持续性的地震信号波，一般由两部分组成，一部分是由环境因素(例如风、海洋运动等)引起的一般小于1Hz的震波，另一部分是由人文活动造成的大于1Hz的震波。它在传播过程中会被途经的传播介质修改，因此，通过分析背景噪音便可以间接分析传播经过的楼体结构的变化。
[0003]目前，国内外许多科研人员以地震背景噪音作为媒介、工具，广泛开展了特定区域的地质特征、速度结构等。例如，郭志、高星采用地震背景噪声成像技术获得天山及周边区域的地壳剪切波速度结构，分析了天山造山带活化的主要动力；刘晨光、华清峰通过布设流动站台观测地震背景噪音以得到表征场地易破坏程度值等等。但这些研究绝大部分都着重于利用背景噪音的被介质修改的特性，探索地质的某些特征，而在借助地震背景噪音响应对超高层建筑的结构进行分析，即建筑结构监测的研究较少。王明珉、王源尝试以地震波测量建筑的水平、竖向地震响应特征，并建模分析建筑自振周期与场地特征周期的关系。
[0004]一般来说，建筑所受到的荷载种类不变时，作用在结构上的地震背景噪音极化信息也保持不变，所计算得到的极化振动椭圆最长轴在竖直向的分量与平面的夹角也应当保持不变。但若建筑楼层结构在水平荷载作用下发生变形，产生了水平的位移，且上下两楼层产生的位移不同时，楼层间的水平位移差会导致产生层间位移角变化值。这个位移角变化值可以由变形倾斜后的楼层面与水平面的夹角间接表示，这个夹角经过多个楼层的累加后直接表现为所分析台站所处的楼面与水平面的倾角，直接作用在最长轴竖直向分量与平面的夹角，并表现为相应的增长或减小。所以通过监测夹角参数的变化可以间接地监测层间位移角的变化。
[0005]基于此，本项目尝试将地震背景噪音的极性参数与层间位移角变化值结合起来，通过三分量地震仪进行长系列、连续性的观测，分析地震背景噪音与层间位移角的关系模型，形成一种全新的高层建筑结构维护监测方案，为未来高层建筑的结构维护提供决策数据，为城市建筑大数据化管理提供新手段。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，采用三分量地震仪进行长系列、连续性的观测，并对数据进行极性分析，建立地震背景噪音与层间位移角的关系模型，形成一种全新的高层建筑结构维护监测方案，科学合理，监测成本低，精度高。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，包括如下步骤：
[0009](1)监测：采用三分量地震仪长时间连续性监测高层建筑地震波观测数据，记录垂直方向、南北方向及东西方向的地微动时间序列；
[0010](2)数据分析：使用滑动时窗法对干扰数据进行预处理，获取可操作的原始数据；然后用极性参数分析测定楼层面与水平面的夹角，建立震背景噪音与层间位移角的关系模型，用来监测高层建筑层间位移的变化。
[0011]步骤(2)所述的干扰数据预处理是指三分量地震仪记录的垂直方向、南北方向及东西方向的地微动时间序列，这些初始的时间序列由于存在仪器响应、偶尔的能量爆发等因素的影响，不能直接进行分析，采用HVSR法数据对若干干扰的处理方法以如下方式进行数据预处理：
①
将地微动的三分量时间序列划分成1小时长的时间片段，片段间没有重叠；
②
除去时间片段的平均值线性趋势和每个片段中的仪器响应；
③
使用基于指定范围的反触发算法，STA时窗取1s及LTA时窗取30s，平均振幅比触发阈值取0.2<STA/LTA<2.5，以此对每个时间片段进行过滤，防止偶尔的能量爆发，并除去被标记的瞬态干扰信号。
[0012]步骤(2)所述的极性参数分析指针对0.3
‑
0.6Hz的低频段瑞雷波数据进行分析，用极性分析法加强地震台站偏振特性的技术，具体操作方法如下:
[0013]①
过滤预处理得到的1小时长时间序列段，以获得每个频带中的V(t，F)，N(t，F)和E(t，F)；
[0014]②
进一步将这些过滤段划分为120秒长的窗口，并为每个窗口构建一个3乘3的协方差矩阵M：
[0015][0016]其中，V、N和E是在每个窗口计算的每个时间序列对的协方差；
[0017]③
计算协方差矩阵特征值并从大至小进行排序得到λ
X
，并计算对应特征向量
[0018]④
计算协方差矩阵各轴极性参数θ
x
及
[0019][0020][0021]计算得到的三个特征值λ
X
代表极化振动椭球的三个轴的长度，其中最长轴λ1代表的主振轴可以代表瑞雷波的主要极性特征，将其对应的极化角度信息分离，进行分析；
[0022]代表台站记录的瑞雷波极化振动椭圆的最长轴在水平向的分量与默认轴(正北)的夹角；θ1代表台站记录的瑞雷波极化振动椭圆的最长轴在竖直向的分量与平面夹角；
[0023]随后使用最长轴在竖直向的分量与平面夹角θ1的概率密度函数P(θ1)来描述所采
集到的所有瑞雷波中最长轴在竖直向的分量与平面夹角θ为θ1的密度，密度越大说明瑞雷波中以θ1为最长轴在竖直向的分量与平面夹角的波越占主导；同样地，使用微动水平方向夹角的概率密度函数来描述所采集到的所有地脉动中振动椭圆的最长轴在水平向的分量与默认轴(正北)的夹角为的密度；当P(θ1)最大时，说明在当前时间窗口下，θ1中，P(θ1)对应的θ1占主导，在实际物理意义上可以近似代表实际的极化振动椭圆的最长轴在竖直向的分量与平面夹角；一般来说，建筑所受到的荷载种类不变时，作用在结构上的瑞雷波极化信息也保持不变，所计算得到的极化振动椭圆最长轴在竖直向的分量与平面的夹角也应当保持不变；但若建筑楼层结构在水平荷载作用下发生变形，产生了水平的位移，且上下两楼层产生的位移不同时，楼层间的水平位移差会导致产生层间位移角变化值。
[0024]这个位移角变化值表现为变形倾斜后的楼层面与水平面的夹角，经过多个楼层的累加后直接表现为所分析台站所处的楼面与水平面的倾角，直接作用在最长轴竖直向分量与平面的夹角θ1，并表现为相应的增长或减小，所以通过监测θ1参数的变化可以间接地监测层间位移角的变化。
[0025]根据我国《建筑结构荷载规范》的规定，目前我国的所有建筑均对层间位移角的最大值进行限制。但当建筑结构老化后，层间位移角会不可避免地逐步增大，最终超过安全限值。针对未来超过安全使用年限的建筑结构而言，本文提供的使用地震仪台站对楼层的层间位移角进行监测的方法可以为这些建筑结构的可靠性诊断提供数字化手段。
[0026]步骤(2)采用的气象数据针对0.3Hz
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)监测：采用三分量地震仪长时间连续性监测高层建筑地震波观测数据，记录垂直方向、南北方向及东西方向的地微动时间序列；(2)数据分析：使用滑动时窗法对干扰数据进行预处理，获取可操作的原始数据；然后用极性参数分析测定楼层面与水平面的夹角，建立震背景噪音与层间位移角的关系模型，用来监测高层建筑层间位移的变化。2.根据权利要求1所述的一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，其特征在于：步骤(2)所述的数据预处理是指三分量地震仪记录的垂直方向、南北方向及东西方向的地微动时间序列，这些初始的时间序列由于存在仪器响应、偶尔的能量爆发等因素的影响，不能直接进行分析，采用HVSR法数据对若干干扰的处理方法以如下方式进行数据预处理：
①
将地微动的三分量时间序列划分成1小时长的时间片段，片段间没有重叠；
②
除去时间片段的平均值线性趋势和每个片段中的仪器响应；
③
使用基于指定范围的反触发算法，STA时窗取1s及LTA时窗取30s，平均振幅比触发阈值取0.2<STA/LTA<2.5，以此对每个时间片段进行过滤，防止偶尔的能量爆发，并除去被标记的瞬态干扰信号。3.根据权利要求1所述的一种基于地震背景噪音有效监测高层建筑层间位移的方法，步骤(2)所述的极性参数分析指针对0.3
‑
0.6Hz的低频段瑞雷波数据进行分析，用极性分析法加强地震台站偏振特性的技术，具体操作方法如下：
①
过滤预处理得到的1小时长时间序列段，以获得每个频带中的V(t，F)，N(t，F)和E(t，F)；
②<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭桢，彭桢，王旭，沈逸凡，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：