技術丨淺談結構健康監測系統的快速部署方案
橋梁、高層建筑等建筑物在使用過程中，在自然環境（如風荷載、波浪、地震等）、人的活動及設備振動等激勵下會產生振動，這是工程界的***個老問題。近年來建筑結構振動問題也頻頻出現，引發社會關注。如，2021年深圳華強北賽格大廈因風、地鐵運行及溫度等多種因素耦合，出現劇烈晃動；2020年鸚鵡洲長江大橋雙向橋面因特定風況引起的上下波形晃動，都是結構在使用過程中受到外部荷載的影響出現振動的情況。
建筑結構存在固有頻率，當結構受到外部荷載影響或本身結構受損，會導致其振動頻率發生變化。當振動頻率與結構物的固有頻率相近，會發生共振。振動輕者會影響人們正常生活、工作的舒適度，重者會影響生產的正常運行，更嚴重者會影響結構主體安全，導致結構物損壞。因此，對結構物尤其是高層建筑、橋梁、大壩等重點結構物進行實時監測并形成城市建筑物安全監測網，即時捕捉建筑物的振動狀態非常重要。特別是在遭受地震、工業振動等情況后，可以為專***快速分析提供判斷依據，縮短政府決策時間和形成快速處置方案。 依托于加速度儀、地震儀等高靈敏度檢測設備組成的結構健康監測系統（SHM），相比于傳統的土木結構監測方法能夠捕獲更高的共振頻率，同時通過傳感器陣列能夠對建筑結構損傷進行檢測和定位，提供高精度的實時速度擾動結果。 結構健康監測·監測方案 根據結構物情況的不同（如大壩結構，建筑高度），在傳感器陣列布設的過程中，為解決供電和信號傳輸的需求，需要布置大量線纜，給系統造價和現場實施帶來***定的難度。 目前普遍使用的地震儀***般都具有多種通信接口，主要包括RS-232串口、Modem、RJ-45以太網口等接口，可直接用RS-232電纜現場連接，或使用調制解調器通過***個電信網絡連接，或通過互聯網訪問強震儀的IP地址來建立計算機與記錄儀之間的遠程聯系，并應用通信軟件在記錄儀和計算機之間傳送文件，查看記錄儀的狀態和信息、改變記錄儀參數等。在以太網電纜無法覆蓋的偏遠地方，沒有公用通信網絡，使用光纖來延長傳輸距離是目前***好的選擇。 用金屬銅線作為傳輸介質，標準的RS-232通信距離只有15m，而雙絞線在以太網接口間的傳輸距離也只有100m，在結構監測中，這個距離遠遠不夠。如果采用光纖通訊方案，通信距離可以達到20km以上，但在單***結構建筑結構內使用存在性能過剩，且成本較高的問題。而無線傳感技術，在實際工程中，需要更多考慮其穩定性、時間同步、傳輸速度及實時性的問題。 傳輸 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L標準 在需要局部通信的建筑結構內，***新的IEEE 802.3cg 10BASE-T1L規范實現了以太網通信在遠距離通信上的應用。 該標準支持通過***對雙絞線在1,000米的距離內進行10Mbps全雙工通信，實現了利用以太網進行兩線制遠距離通信的可能。隨著電纜長度更長，設計人員可以擴展工業通信的范圍，而無需增加系統重量或布線成本。支持的電纜長度更長，還會提高短距離電纜的壽命，在電纜老化時不會影響傳輸質量。 IEEE 802.3cg-2019標準用于規范管理10BASE-T1L連接。這個單對以太網（SPE）媒介標準可實現10Mbps的通信速度，并支持通過長達1km的單條雙絞線提供電源和傳輸數據。 以太網交換機ETH-T1L模塊 基于10BASE-T1L新標準的創新以太網交換機ETH-T1L模塊，可以連接加速度計、記錄儀和其他數據集中型設備，實現多種數據記錄儀組網，并提供1200米以上距離的10MBps數據傳輸及供電。 以太網供電（PoE），無需單獨為 任何設備供電 模塊間***長可達1200m 電纜 高性價比電纜 減少安裝時間 無限擴展的網絡提供了覆蓋任何 距離的可能性 加速度儀/烈度計 ela用于大規模的室內部署和室外安裝。 加速度儀（高動態） albris緊湊型、全功能型的數字加速度儀。 監測系統 ETH-T1L模塊建構監測解決方案 在建筑結構健康監測中，可以利用新型的10BASE-T1L連接實現系統的快速部署，從而利用安裝在結構上的若干類型傳感器來檢測超過允許范圍的性能參數，以及識別和驗證結構行為。對于“盒狀”建筑結構，其運動方向主要為X軸平移、Y軸平移和X-Y扭轉。 在監測過程中，主要采用單軸/雙軸/三軸加速度儀，對建筑結構的平移、扭轉、層間位移及響應譜等參數進行監測。 高層建筑方案 由單***電源集中供電，形成標準的TCP/IP網絡 (LAN)。高動態范圍的加速度儀(albris) ，在每個測量點都有完整的數據記錄和存儲冗余。單個GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時。固定電話或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯網接入服務。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進來，添加到現有的LAN中。 由單***電源集中供電，形成標準的TCP/IP網絡 (LAN)，這次的分布略有不同。低動態范圍的加速度儀(ela) ，在每個測量點都有完整的數據記錄和存儲冗余。在加速度儀(ela)的干接點繼電器上，可基于網絡上所有設備的表決邏輯產生報警信號。單個GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時。固定電話或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯網接入服務。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進來，添加到現有的LAN中。 大壩方案 ***個真正的樹狀拓撲，采用高動態范圍的加速度儀 (albris) ，在每個測量點都有完整的數據記錄和存儲冗余。單個GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時。固定電話或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯網接入服務。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進來，添加到現有的LAN中。 橋梁方案 ***個真正的總線拓撲，采用兩端供電和混合動態范圍加速度儀(albris和ela)，在每個測量點都有完整的數據記錄和存儲冗余。在加速度儀(ela)的干接點繼電器上，基于網絡上所有設備的表決邏輯產生報警信號。單個GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時。固定電話或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯網接入服務。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進來，添加到現有的LAN中。 2.5km長距離拓撲，采用有中央供電和混合動態范圍加速度儀(albris和ela)，在每個測量點都有完整的數據記錄和存儲冗余。單個GPS模塊為所有記錄儀提供納秒精度的計時。固定電話或4G路由器為遠程數據采集、配置，以及任何通知提供互聯網接入服務。任何其他的TCP/IP設備，如計算機、打印機等，也可以連接進來，添加到現有的LAN中。 監測軟件 GeoSMART結構健康監測軟件 GeoSMART是***款創新的圖形應用程序，它為土木工程結構提供實時結構健康監測。具有“智能”特性的GeoSMART可以監測和顯示結構的狀態。 任何結構實時狀態的3D顯示。 交互式縮放、旋轉、平移、可見性和投影。 實時交互式地圖上的多個結構。 實時連續的數據采集和處理。 基于滑動窗口的連續頻率分析：振幅、頻譜圖和反應譜。 平移和旋轉中的剛體運動。 非儀器區域的插值。 層間漂移比和扭轉。 超出預定義的閾值水平或曲線。 面對日益強烈的安全性需求，建筑結構安全監測的研究與實踐愈發重要。
(文章來源于儀器網)
