一种基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统

摘要

本申请公开了一种基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统，整个系统包括在区域内建筑上设置的结构健康监测系统、健康监测云平台、数据传输模块和分析平台。本发明是基于结构健康监测实时数据的区域震害在线仿真系统，利用结构健康监测系统不间断传输地面加速度数据至健康监测云平台，当发生地震地面加速度超过设置阈值时通过数据传输模块自动保存数据，并将数据传输至分析平台，同时启动分析任务，自动得到分析结果图表和评估报告，从而实现无需人工辅助、反应迅速的区域震害深度评估。

说明书

技术领域

本发明属于区域震害仿真技术领域，具体涉及一种基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统。

背景技术

我国人口百万以上的城市有三分之二都坐落在地震烈度Ⅶ度及以上的地区。随着城市化的不断推进，城市的规模、人口和复杂程度不断增加，城市面临的地震风险也大幅增加。为了对城市的地震灾害进行科学的研究和预判，从而控制并减轻城市的地震风险，区域震害模拟系统应运而生。该类型的模拟系统一般采用有限元方法对区域内所有房屋结构建模并进行地震反应分析，得到区域建筑群的地震反应情况，分析结果精准可靠。

然而，目前的大多数区域震害模拟系统只能进行模型的地震反应计算。区域建筑群建模、地震动的输入、地震反应计算结果的处理等环节都需要人工完成，使用效率较低，使用流程复杂，不适合科研和工程上的大规模使用，尤其针对地震发生后快速进行灾害评估的需求，很难达到理想的效果。

发明内容

有鉴于此，针对目前对于区域震害快速评估的需求以及现有区域震害模拟系统的不足，提供了一种基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统。仿真系统包括设置在区域内建筑上的结构健康监测系统，仿真系统包括健康监测云平台，仿真系统包括数据传输模块，仿真系统包括分析平台，分析平台包括自动建模模块、地震反应计算模块、结果分析模块和3D可视化模块。

进一步地，结构健康监测系统至少包括设置于建筑基础或自由场地上的水平双向加速度传感器。

进一步地，传感器采集的数据不间断上传至健康监测云平台，云平台对监测数据进行初步处理和整合。

进一步地，数据处理模块每隔一定时间对云平台的监测数据进行检测，如果检测到地面加速度达到设定阈值，则将地面加速度数据保存在设定路径下。

进一步地，当检测到设定路径下出现新的监测数据时，分析平台启动工作，自动采用该加速度时程数据对已建的区域模型进行地震反应计算。

进一步地，分析平台包括自动建模模块。自动建模模块自动识别区域GIS数据中房屋结构的几何信息，结合房屋高度、层数、结构类型、建造年代等辅助信息，自动生成区域内每个建筑的多弹簧剪切模型。

进一步地，分析平台包括地震反应计算模块。地震反应分析采用非线性时程分析方式，该模块运用并行计算技术提高计算速度。

进一步地，分析平台包括结果分析模块。该模块处理结构地震反应计算结果，得到结构损伤指数、区域避难需求指标以及地震损失。

进一步地，分析平台包括3D可视化模块。该模块结合区域GIS数据和结构地震反应计算结果生成区域结构损伤程度分布图，以及由不同时刻损伤程度分布图组成的地震灾害演化过程动态图。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

本发明提供的基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统可根据区域GIS数据对区域内大量房屋结构自动建模，节省时间和人工成本。由地面加速度数据超过阈值自动触发针对区域模型的地震反应计算、结果分析、生成区域结构损伤分布图、生成结构损伤信息清单和评估报告等一系列任务，最大程度的减少了人工操作，同时最大程度的减少了从监测到地震动数据到生成详细的区域地震灾害报告的时间。基于结构健康监测数据的区域震害实时在实时在线仿真系统操作便捷，可自动触发并快速生成结果，且产出的结果内容丰富，形式易于理解，具有良好的经济性和实用性，应用前景广泛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明基于结构健康监测数据的区域震害实时在线仿真系统的概念图；

图2示出了图1中分析平台的工作流程图；

图3示出了图2中自动建模模块的建模方法与流程；

图4示出了图1中结果分析模块中结构损伤指数的定义；

图5示出了图1中3D可视化模块中的可视化原理。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1所示一种基于结构健康监测实时数据的区域震害实时在线仿真系统包括设置于区

域内建筑上的结构健康监测系统1，健康监测云平台2，数据传输模块3，分析平台4。

结构健康监测系统至少包括设置在室外自由场地或建筑基础上的水平双向加速度传感器5和分布在各楼层的水平双向加速度传感器6。

在室外自由场地或建筑基础上的水平双向加速度传感器5和分布在各楼层的水平双向加速度传感器6不间断监测结构振动情况，并将监测数据上传至健康监测云平台2。健康监测云平台2可初步处理、整合监测数据。

数据传输模块3同时连接健康监测云平台2和分析平台4。数据传输模块3可设置触发阈值，当水平双向加速度传感器5监测到地面加速度峰值超过设定阈值后，数据传输模块3自动将水平双向加速度传感器5记录的加速度时程数据储存在设定路径下。

分析平台4每隔数秒检查传输模块3的存储路径下是否有新保存的加速度时程数据，如有，则自动将该地面加速度时程数据作为地震反应的输入，启动分析平台4工作。

分析平台4工作流程如图2所示。运用存储在GIS中的建筑平面多边形信息和属性信息，属性信息包括建筑的结构类型、层数、高度、建造年代等，自动建模模块7可以自动建立基于物理的包含区域内所有建筑物的地理位置信息的区域模型。

结构健康监测系统1中分布在各楼层的加速度传感器6在环境振动或地震作用下采集的结构楼层加速度反应时程数据可用于结构振型参数的提取，提取的结构振型参数可进一步用于修正监测结构的模型，使得模型与实际结构的力学性能更加接近。

发生地震时，结构健康监测系统1中布置在自由场地或建筑基础的加速度传感器5采集到的地面运动加速度数据将通过健康监测云平台2和数据传输模块3自动传输至分析平台4，将该数据作为地面运动输入启动反应计算模块8进行区域模型的地震动非线性时程分析。分析得到区域内所有建筑的楼层地震反应。

结果分析模块9进一步处理分析结果，得到所有建筑的最大地震反应、损伤指数，以及区域避难需求、人员伤亡情况、损失情况等。

3D可视化模块10基于区域模型几何信息和计算分析结果生成区域建筑损伤分布图、区域震害演化过程动态图等直观产品。

如图2所示，自动建模模块6根据GIS中存储的建筑几何信息和建筑属性信息自动建立区域模型。在自动建模模块6中，对于单体结构采用多剪切弹簧模型(MSS)来模拟结构的地震反应。

图3示出了多剪切弹簧模型(MSS)。在该模型中，建筑的每一个楼层只有一个自由度，所有楼层质量都集中在该自由度上。单体结构的模型由与楼层数相同数量的质点和水平剪切弹簧组成。

楼层质量是根据GIS数据中建筑平面多边形的面积与单位面积荷载大小相乘得到的。

每一个楼层被看作一个剪切弹簧，结构的非线性行为由剪切弹簧的滞回变形代表。剪切弹簧的力-变形关系曲线采用三线性骨架曲线。该骨架曲线包含的参数有K

K

其中λ为只与结构层数有关的常数，m为楼层质量，T

V

Sr、Sr2、PS和CS均与结构类型有关，其中PS和CS的基础缺省值如表1所示，与结构类型相关的调整系数如表2所示，由于PS、CS的值具有随机性，因此只给出其平均值和变异系数。不同结构类型的阻尼比Dr如表2所示。

表1参数基础缺省值

表2与结构类型相关的参数

表3与设防烈度有关的调整系数Ds2

如图2所示，反应计算模块8对自动建立的区域模型进行非线性时程分析。计算过程在云上或联网的服务器上完成。采用并行计算的方式加快计算速度。

如图2所示，结果分析模块9将反应计算模块8得到的结构位移反应时程数据进一步处理，主要为取时程数据的最大值，再根据结构楼层最大层间位移角得到楼层和结构整体损伤指数，结构损伤指数与结构损伤状态的对应关系如图4所示。将楼层名义屈服强度对应点之前的部分定义为基本完好，对应的震害指数为0～0.1；将楼层名义屈服强度对应点与临界倒塌点之间的部分分为轻微破坏、中度破坏与严重破坏，对应的震害指数分别为0.1～0.3，0.3～0.55和0.55～0.85；将临界倒塌点之后的部分分为毁坏及倒塌，对应的震害指数分别为0.85～1.0。

根据楼层损伤指数进一步计算区域避难需求指标，定义短期避难指标为区域在设防地震下发生中等及以上程度破坏的楼层面积总和；定义中长期避难指标为区域在设防地震下发生严重及以上程度破坏的楼层面积总和。

如图2所示，3D可视化模块10用来根据自动建模模块7生成的区域模型几何信息结合反应计算模块8和结果分析模块9得出的地震反应结果生成用于可视化的VTK文件。

如图5所示，可视化模型的变形是通过剖面多边形节点位移带动侧面多边形的变形和移动实现的。颜色云图则根据节点或面的标量或向量数值插值而得到。程序通过自动调用 ParaView读取VTK文件得到区域建筑损伤分布图、区域震害演化过程动图。最后结合数据和图表得到评估报告。

本发明针对城市区域震害快速、深度评估的需求以及现有区域震害模拟系统操作复杂、所需人工介入的工作较多、产出结果单一等方面的不足，借助互联网、结构健康监测技术，通过建立健康监测云平台，当监测数据超过阈值时，自动触发启动地震反应计算，并进而自动进行结果处理生成评估报告，从而实现了无需人工辅助的、反应快速的区域震害深度评估。本发明具有良好的经济性和实用性，应用市场广泛。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。