專利名稱：一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物健康實時監(jiān)測方法
一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物健康實時監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警和傳感器及電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種低成本、可以按建筑結(jié)構(gòu)布局監(jiān)測點，從而覆蓋任意區(qū)域的建筑物健康實時監(jiān)測和預(yù)警方法。
背景技術(shù)：
大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)通過測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)與環(huán)境參數(shù)，并通過結(jié)構(gòu)分析和實驗比照，以期實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的檢測、識別與評估。結(jié)構(gòu)損傷可能是由于受到環(huán)境作用(如地震， 強(qiáng)風(fēng)，地基不均勻下沉等)、人為破壞或者長期累積疲勞所造成的。通過分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)， 可以掌握結(jié)構(gòu)的受力變化或變形狀態(tài)，最重要的監(jiān)測是否存在損傷。一旦檢測到損傷，就要給出相應(yīng)的預(yù)警。大型結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容包括(1)結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對應(yīng)的阻尼；(2)結(jié)構(gòu)在正常荷載及風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及力學(xué)狀態(tài)；(3)結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件(比如強(qiáng)烈地震、臺風(fēng)或地基不均勻下沉等)之后的損傷情況；(4)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實疲勞狀況；(5)重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如橋墩處的支座)和附屬設(shè)施的工作狀態(tài)；(6)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件，比如風(fēng)速、溫度、地面運動等。其中最重要的是在結(jié)構(gòu)遭遇突發(fā)事件(比如強(qiáng)烈地震、臺風(fēng)或地基不均勻下沉等)后的健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷(如混凝土裂縫或鋼筋形變等)監(jiān)測，并給出相應(yīng)的預(yù)警。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估發(fā)展的最重要目標(biāo)，是實時對結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與評估，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對設(shè)計荷載工況參數(shù)進(jìn)行驗證，并對結(jié)構(gòu)的傳力受力機(jī)理進(jìn)行深入探討和研究，為結(jié)構(gòu)理論研究提供長期連續(xù)的實測試驗數(shù)據(jù)。解決問題的關(guān)鍵在于實現(xiàn)低成本、廣覆蓋的建筑物的實時健康監(jiān)測。以振動分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與健康評價方法是這個領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容。 這種方法用模態(tài)參數(shù)構(gòu)造能夠反映結(jié)構(gòu)動力特性的動力指紋或狀態(tài)特征，通過對比完好狀態(tài)和受損狀態(tài)的動力學(xué)特征來評價結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。解決問題的核心仍然是實現(xiàn)低成本、 廣覆蓋的建筑物聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化以及混凝土裂縫等結(jié)構(gòu)形變的實時監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是解決對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物健康大規(guī)模地、長期地、 實時地監(jiān)測的問題，提供一種全結(jié)構(gòu)、大范圍、連續(xù)建筑物監(jiān)測方法，具有低成本、可以密集布局監(jiān)測點，實時監(jiān)測大面積區(qū)域內(nèi)建筑物的聲音、振動、應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫的異常情況，從而進(jìn)行建筑物建構(gòu)健康分析和預(yù)警。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物健康監(jiān)測方法的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括至少一個監(jiān)測單元、監(jiān)測基站或至少一個監(jiān)測中心，所述每個監(jiān)測單元包含至少一個共聚物壓電聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感單元，以及感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫共聚物壓電傳感單元，一個處理單元，并與至少一個監(jiān)測基站聯(lián)結(jié)。監(jiān)測單元相比當(dāng)前使用的其他監(jiān)測技術(shù)具有極低的成本，可以應(yīng)用在建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件中。特定建筑物健康監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，具特征在于所述監(jiān)測單元包含一個或多個共聚物壓電聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感單元和共聚物結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫傳感單元、 一個處理單元。傳感單元能夠獲得0. OlHz到IOkHz的聲音、振動，能夠獲得0. OlkPa到 IOOOkPa的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，能夠監(jiān)測混凝土裂縫和結(jié)構(gòu)變形。處理單元對傳感單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，通過有線或無線方式發(fā)送到監(jiān)測基站。監(jiān)測基站再發(fā)往城市或區(qū)域監(jiān)測中心，進(jìn)行健康分析和預(yù)警的依據(jù)。傳感單元的共聚物壓電傳感器，感知聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫，感知信號經(jīng)過無源電纜(比如，超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)、低電容-89pF/m、可達(dá)IOOm或更長)連接到處理單元，之后再進(jìn)行采樣量化。本發(fā)明提供一種特定的監(jiān)測中心結(jié)構(gòu)，其特征在于通過連接該監(jiān)測中心的一大批監(jiān)測基站提供的反映所覆蓋區(qū)域的聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，綜合分析，進(jìn)行建筑物的健康分析和預(yù)警。本發(fā)明的有益效果是提供了一種能夠?qū)︿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的建筑物健康大規(guī)模地、長期地、實時地鹽測的方法，提供一種全結(jié)構(gòu)、大范圍、連續(xù)建筑物監(jiān)測方法，具有低成本、可以密集布局監(jiān)測點，實時監(jiān)測大面積區(qū)域內(nèi)建筑物的聲音、振動、應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫的異常情況，從而進(jìn)行建筑物建構(gòu)健康分析和預(yù)警。
具體實施方式
和

本中請的特征及優(yōu)點將通過實施例，結(jié)合附圖進(jìn)行說明。為表述方便，我們將監(jiān)測單元稱為SP，將監(jiān)測基站稱為SC，將監(jiān)測中心成為SS。通過一系列SP和SC的互聯(lián)就可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多建筑健康信息的匯總；通過一系列SC和SS 的互聯(lián)就可以實現(xiàn)全區(qū)域所有建筑健康信息的匯總。該種結(jié)構(gòu)包括至少一個SP、至少一個 SC和至少一個SS，SP與SC中的至少一個互聯(lián)，SS與SC中的至少一個互聯(lián)，如圖1至3所
7J\ OSP和SC，SS和SC的互聯(lián)均可以采用無線或有線方式。在建筑物密度較高，基礎(chǔ)通信設(shè)施較好的區(qū)域，可以采用有線方式連接。在建筑物密度較低，基礎(chǔ)通信設(shè)施不夠好的區(qū)域，可以采用無線方式連接。圖4是本發(fā)明一種實施例的特定應(yīng)用分析，如一個區(qū)域內(nèi)共有100棟建筑需要健康監(jiān)測，在每棟建筑布局10個SP，相鄰的10棟建筑共有100個SP，每100個SP布局一個 SC，每10個SC匯總到一個SS，那么這樣在該區(qū)域的100棟建筑的健康狀況只需要1000個 SP, 10個SC和1個SS。每個SP通過GPRS或3G模塊無線發(fā)布數(shù)據(jù)到規(guī)定的SC，每個SC通過3G無線模塊或有線發(fā)送數(shù)據(jù)到SS，該區(qū)域通過一個SS就能夠獲得全部區(qū)域SP監(jiān)測的數(shù)據(jù)，從而實時監(jiān)測整個區(qū)域的100棟建筑的健康狀況。圖5是一種SP的實施例，SP中包括一個共聚物壓電聲音和振動傳感單元和共聚物壓電應(yīng)力變化和裂縫傳感單元(分別用SA和SB表示)、一個處理單元。SA傳感單元能夠獲得0. OlHz到IOkHz的聲音和振動，SB傳感單元能夠獲得0. OlkPa到IOOOkPa應(yīng)力的變化和裂縫信息；處理單元包括一個對傳感單元的信號進(jìn)行數(shù)字化等預(yù)處理的模塊，一個 GPRS或3G模塊，一個電源管理模塊提供電源管理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS或3G無線方式發(fā)送到監(jiān)測基站。SP發(fā)送的數(shù)據(jù)至少包括SP的標(biāo)識(每個SP具有唯一標(biāo)識)；地理位置信息；監(jiān)測時間精度；發(fā)送數(shù)據(jù)的時間坐標(biāo)；實時聲音和振動信號；實時地應(yīng)力變化和裂縫信號；監(jiān)測時間精度、監(jiān)測或發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔等均可以設(shè)置。以上內(nèi)容是結(jié)合一種實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物健康監(jiān)測方法的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個監(jiān)測單元、監(jiān)測基站或至少一個監(jiān)測中心，所述每個監(jiān)測單元包含至少一個共聚物壓電聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感單元，以及感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫共聚物壓電傳感單元，一個處理單元，并與至少一個監(jiān)測基站聯(lián)結(jié)。監(jiān)測單元相比當(dāng)前使用的其他監(jiān)測技術(shù)具有極低的成本，可以應(yīng)用在建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件中。
2.如權(quán)利要求1所述的特定監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述監(jiān)測單元包含一個或多個共聚物壓電聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感單元和共聚物結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫傳感單元、一個處理單元。傳感單元能夠獲得0. OlHz到IOk Hz的聲音、振動，能夠獲得0. OlkPa 到IOOOkPa的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，能夠監(jiān)測混凝土裂縫和結(jié)構(gòu)變形。處理單元對傳感單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，通過有線或無線方式發(fā)送到監(jiān)測基站。監(jiān)測基站再發(fā)往城市或區(qū)域監(jiān)測中心，進(jìn)行健康分析和預(yù)警的依據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的特定傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述傳感單元的共聚物壓電傳感器，感知聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫，感知信號經(jīng)過無源電纜(比如，超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)、低電容-89pF/m、可達(dá)IOOm或更長)連接到處理單元，之后再進(jìn)行采樣量化。
4.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測中心結(jié)構(gòu)，其特征在于通過連接該監(jiān)測中心的一大批監(jiān)測基站提供的反映所覆蓋區(qū)域的聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，綜合分析，進(jìn)行建筑物的健康分析和預(yù)警。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物健康實時監(jiān)測方法，該方法由分布在建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測單元、監(jiān)測基站和監(jiān)測中心組成。監(jiān)測單元包括采用一個或多個感知0.01Hz到10kHz的聲音、振動和0.01kPa到1000kPa結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化或感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫的共聚物壓電傳感單元，一個處理單元。處理單元對接收的傳感單元的感知信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，發(fā)送到監(jiān)測基站。監(jiān)測基站負(fù)責(zé)接收一個建筑物的多個監(jiān)測單元發(fā)來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。監(jiān)測基站再將建筑物的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到一個城市或一個區(qū)域的監(jiān)測中心。從而進(jìn)行更加詳細(xì)的分析和健康的預(yù)警。本發(fā)明具有成本低、安裝易和組網(wǎng)靈活的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)任意大區(qū)域建筑物的長期健康實時監(jiān)測和預(yù)警。
文檔編號G05B19/418GK102183925SQ20101060770
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者馮曉星, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申請人:深圳思量微系統(tǒng)有限公司