深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统及其关键技术研究

摘要

重大工程结构的健康监测是保证工程结构在服役期间安全性的重要手段。当结构在使用的过程中，荷载的长期效应、疲劳效应和一些不可预知的突变效应使结构不可避免地产生损伤的累积和承载能力的下降，从而使抵抗自然灾害的能力下降，影响其正常的使用功能，在极端的情况下会发生灾难性的事故。对大跨度空间网架结构而言，风力是它的主要设计荷载。当出现大风时，有的空间网架结构会产生较严重的结构构件破坏。且随着结构损伤的累积，最终甚至会导致空间网架结构的倒塌或丧失使用功能。为此，建立风力作用下空间网架结构的健康监测系统，以实现对空间网架结构工作状态的及时了解和构件损伤的及时诊断，对于保证此类结构的使用寿命和安全是十分必要的。 本论文以世界上最大的网架结构——深圳市民中心屋顶网架结构为工程背景，详细探讨了风力作用下大跨度屋顶空间网架结构的健康监测系统的设计理论和关键技术，研究了用少量传感器实现空间网架结构整体工作状态的自动报警、未知损伤的自动诊断和结构抗倒塌安全度的实时评定的方法和技术，并成功地在深圳市民中心屋顶网架结构上得以实现。据此，论文所提出的关键技术和创新工作有： (1)部分采用了精度高且具有耐腐蚀，防潮，抗电磁干扰等诸多优点的光纤光栅传感器作为传感系统，并根据健康监测系统的需要建立了智能光纤光栅传感系统。在此部分应用的关键技术是：采用了波分复用技术，即将相同解调类型的光纤光栅传感器连接到一根或者多根光纤总线上，通过总线上的各个传感器的调制信号的特征周期波长来询址。采用Ethernet通信方式将光纤光栅传感器的数据传输到数据库服务器中，使安全预警系统能够实时获取光纤光栅传感器的数据。并采用多线程技术编制程序获取解调器中的数据，来提高计算机的工作效率和数据获取的实时性。 (2)为了通过网架结构上少量传感器的测量来得到整个网架结构杆件的工作状态，本系统采用“风压力荷载的识别→结构有限元模型的修正→实测结构响应峰因子→分析结构实时响应最大值”的途径。为了满足实时健康监测的要求，将此系统的工作分成“非实时”和“实时”两部分。非实时部分主要完成网架结构上全部风力荷载频域特性的识别、结构有限元模型的修正及各风向下单位风力荷载所引起的结构节点风致响应位移根方差的计算，并将其存贮于数据库中。实时部分主要通过传感器实时获取网架结构所在地标准高度处10分钟的平均风速和平均风向及根据网架结构构件10分钟响应的时程曲线计算获取峰因子，并调用数据库中此风向和单位风速下的结构节点响应根方差，实时分析得到此10分钟内结构构件最大响应值。在此部分应用的关键技术是：采用加权荷载本征模态分解法识别作用在结构上的脉动风荷载，获得了降阶的网架结构屋面节点上的脉动风荷载的功率谱密度函数矩阵。采用智能神经网络方法，建立了以节点联结刚度参数为修正值的网架结构有限元模型修正技术。最后，建立了依据上一个10分钟内的实时测量的结构响应，在这一个10分钟内进行实时结构工作状态分析和实时报警。 (3)为了通过每个牛腿关键点上设置的应变传感器识别整个牛腿的应力场来获得整个牛腿的工作状态，采用了“实测待识别应力场关键点瞬时应变→计算待识别应力场在论域上的模糊子集→计算待识别应力场与各应力场模式的贴近度→贴近度最大的应力场模式就是待识别的应力场”的技术。此系统依据采样获取的牛腿关键点的瞬时应变，然后采用模糊模式识别的方法来进行钢牛腿瞬时应力场的识别。此部分应用的关键技术是：通过牛腿上关键点的应变识别出牛腿上的瞬时荷载，建立关键点应变与牛腿应力场模式之间一一对应的关系。同时用它作为表征牛腿应力场模式的特征指标。然后，根据先确定牛腿各应力场模式所对应的关键点应变，建立牛腿各应力场模式在论域上的模糊子集。最后，根据得到了牛腿应力场的模糊模式库，应用模糊模式识别的择近原则来确定牛腿某瞬时应力场所归属的模式。 (4)牛腿的破坏将是网架结构倒塌的主要因素，是评定网架结构抗倒塌安全性的关键。因此，首先依据实测风速、风向和响应峰因子，识别牛腿上的支座反力；然后依牛腿极限承载能力来判断牛腿的破坏；通过在牛腿破坏条件下不在线计算所建立的网架结构破坏模式库，再依牛腿破坏情况实时调用来对网架结构的破坏模式进行识别；达到网架结构抗倒塌实时安全评定。 本论文研究所创立的关键技术是用少量传感器实现大跨度复杂体型空间网架结构健康监测的有效方法，它可以在最经济的条件下实现对整个网架结构的全面健康监测和安全预警。具有显著的社会效益和经济效益。为网架结构的健康监测作了初步的探索和实践。具有一定的前瞻性和示范性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题的研究背景和研究意义

1.2课题的来源

1.3结构健康监测的研究现状

1.3.1结构健康监测系统的构成

1.3.2结构健康监测的应用

1.4本文的主要研究工作

第2章深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统的总体设计

2.1引言

2.1.1空间网架结构健康监测的必要性

2.1.2深圳市民中心屋顶网架结构的概况

2.1.3深圳市民中心屋顶网架结构风致振动的特点

2.1.4深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统的特征

2.2健康监测系统的总体设计

2.2.1健康监测系统的总体思路

2.2.2监测对象的确定

2.2.3健康监测实现的方法

2.2.4健康监测系统的功能

2.2.5健康监测系统中硬件子系统的构成及流程

2.2.6传感器的布设

2.2.7健康监测系统的总流程

2.3小结

第3章健康监测系统中的智能光纤光栅传感关键技术

3.1引言

3.2光纤光栅传感系统原理

3.3光纤光栅传感系统在市民中心屋顶网架结构健康监测系统中的应用

3.3.1光纤光栅传感系统结构

3.3.2光纤光栅传感系统的硬件连接方式和二次开发

3.4小结

第4章 用少量传感器的测量实时识别整个网架结构工作状态的关键技术

4.1引言

4.2网架结构工作状态识别的硬件系统

4.3网架结构工作状态识别的原理

4.3.1网架结构工作状态识别的基本思路

4.3.2作用在网架结构上的风荷载识别

4.3.3网架结构的有限元模型修正

4.3.4网架结构工作状态的实时评估

4.4网架结构工作状态实时识别现场验证

4.5小结

第5章 用少量传感器的测量实时识别支承钢牛腿应力场的关键技术

5.1引言

5.2支承钢牛腿应力场识别的硬件系统

5.3支承钢牛腿应力场识别的原理

5.3.1模糊模式识别理论

5.3.2模糊识别的基本方法

5.3.3空间结构钢牛腿瞬时应力场模糊模式识别的基本方法

5.4支承钢牛腿应力场识别的仿真分析

5.5支承钢牛腿应力场识别的试验验证

5.5.1模型设计

5.5.2模型试验

5.6小结

第6章网架结构抗倒塌的实时安全评定的关键技术

6.1引言

6.2结构非线性分析基本原理

6.3基于ANSYS的空间网架结构极限承载力分析

6.4深圳市民中心网架结构抗倒塌实时安全评定的原理

6.4.1网架结构抗倒塌实时安全评定的硬件系统

6.4.2系统工作原理

6.4.3深圳市民中心网架结构非线性分析

6.5小结

第7章深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统的实现

7.1引言

7.2健康监测系统的安装调试与施工

7.2.1光纤光栅传感系统的安装

7.2.2电致传感系统的安装

7.2.3风速风向仪系统的安装

7.2.4避雷系统的安装

7.2.5系统的安装

7.3健康监测系统的人机交互界面

7.3.1网架结构实时工作状态识别的人机交互界面

7.3.2牛腿实时应力场识别的人机交互界面

7.3.3网架结构抗倒塌安全评定的人机交互界面

7.4小结

第8章结论与展望

8.1全文总结

8.2工作展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表和完成的论文

作者攻读博士学位期间参与的研究项目

致 谢