基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅱ):系统实现①

杜永峰， 郑文智， 李万润， 李　慧

(1.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 防震减灾研究所，甘肃 兰州 730050；3.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050)

基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅱ):系统实现①

杜永峰1,2,3， 郑文智2， 李万润1,2,3， 李慧1,2,3

(1.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 防震减灾研究所，甘肃 兰州 730050；3.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050)

摘要：作为保障工程安全和研究结构灾变机理的重要手段，结构健康监测为研究基础隔震技术在实际工程应用中的问题提供了技术保证。基于“基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅰ):系统设计”中的设计方法，研究某超长基础隔震结构健康监测系统的总体设计、传感器选型与测点布设、数据采集与传输方案及数据库结构设计，并对该系统已获取的监测数据进行初步分析。分析结果表明，该基础隔震结构健康监测系统协调运行状态良好，能实现其预期功能。基于性能状态评价指标对该结构状态进行评价，表明该基础隔震结构性能状态良好。

关键词：基础隔震结构； 健康监测系统； 隔震支座位移； 环境温度； 动力特性

0引言

近年来地震灾害频发，地震中发生的房屋结构震害给人们带来了难以承受的损失。传统的抗震技术在地震中的表现远远未达到预期目标，为了从根本上减小结构的地震能量输入，工程师将目光由传统“抗震”转向“隔震”。基础隔震技术是通过在上部结构和基础之间设置水平刚度明显小于上部结构抗侧刚度的柔性隔震层来耗散地震输入上部结构的能量，最终达到减小上部结构地震响应的目的[1]，已广泛应用于国内外桥梁、建筑工程等领域[2-4]，并取得了丰硕的研究成果[5-11]。结构健康监测系统作为结构的“神经系统”，可以感知结构的响应并为其状态评定提供可靠数据，因此在大跨度桥梁、隧道、高耸建筑等结构中得到广泛应用[12-19]。与此同时，针对不同的研究目标，对隔震结构的健康监测系统的研究与应用也取得了诸多成果[20-23]。作为验证隔震技术有效性的重要参考，建立隔震结构健康监测系统，监测隔震结构在实际工作状态下的物理、几何参数变化规律，分析隔震结构性能退化机理，是提高隔震结构设计水平的有效手段。

本文基于“基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅰ):系统设计”中的设计方法，为某超长基础隔震结构设计了长期实时在线和定期实时监测系统,并进行了实施。通过对监测数据进行初步分析，结果表明该基础隔震结构健康监测系统协调运行状态良好，能实现其预期功能。基于性能状态评价指标对该结构状态进行了评价，表明该基础隔震结构性能状态良好。

1某超长基础隔震结构健康监测系统实现

1.1工程概况

该超长基础隔震建筑结构为某市区人民医院住院楼(图1)，乙类建筑，主体6层，局部7层，分为1#、2#、3#三个塔楼，塔楼间设置后浇带，隔震层采用大底盘形式。三个塔楼均为框架结构，楼盖为梁板体系。1#塔楼高22.5m，平面尺寸为32.7m×18.6m，梯形结构；2#塔楼高22.5m，平面尺寸为64.0×18.6m，矩形结构；3#塔楼22.5m,平面尺寸为32.4m×18.6m，梯形结构。隔震支座采用GZY500、600、700、800和GZP800五种型号。该基础隔震结构于2012年7月竣工并投入使用。

图1　某医院住院楼Fig.1　A hospital building

1.2系统总体设计

根据该基础隔震结构的规模和重要性，其健康监测系统等级为二级，即局部实时在线和定期实时监测相结合的健康监测系统。主要监测内容有隔震层温度、隔震支座水平位移、上部结构加速度响应。该监测系统的主要功能是研究环境条件(温度、湿度)变化对隔震支座性能的影响，研究目标是对该超长基础隔震结构的安全性能进行评价。

1.3传感器选型与测点布设

参考隔震设计参数、有限元分析结果及基础隔震结构的结构振动频率范围，选用941B型拾振器，分别在2#塔楼楼板布置6个水平向加速度传感器(图2)。

隔震支座水平位移监测采用WPS-S型拉绳位移传感器，量程500mm，采样频率为10～100Hz，线性精度0.05%～0.08%；隔震层温度采用RC-4HA/C温、湿度记录仪，测温范围为-30～+60 ℃，精度为0.6 ℃，；测湿范围为0～99%RH，测湿精度±3%RH。记录间隔均为15min，适宜工作温度范围-30～+60 ℃。位移传感器和温度传感器测点布置如图3和图4所示。

图2　加速度传感器测点布置Fig.2　Location of acceleration sensors

图3　隔震支座测点布置Fig.3　Arrangement of measuring points on the isolation bearing

图4　位移、温度和加速度传感器Fig.4　Displacement,temperature and acceleration sensors

1.4数据采集系统及传输方案

该健康监测系统的传感器信号为电信号、电压信号。加速度信号采用Coinv2006采集仪采集，采样频率50Hz；位移信号采用EM9636BD数字采集仪采集，采集软件基于LabVIEW软件平台编写，系统采用以太网总线技术，以有线网络传输数据，10通道数据同步采集，采样频率10Hz。由数据采集站配备服务器储存和管理实时采集数据，利用TeamViewer远程控制数据可视化和传输。考虑到数据量大，网络可靠性低，需定期查看采集的位移数据，并转存实测数据。安装备用不间断供电电源，保证断电条件下数据采集站正常工作，最长连续供电时间不少于24小时。通过TeamViewer实现远程数据采集与传输控制，采集站及服务器如图5所示，实时监测数据采集软件界面如图6所示。对于极端环境变化，通过远程登录，实现实时监测(图7)，查看实时和历史监测数据。

图5　现场数据采集站与服务器Fig.5　Field data acquisition station and server

图6　实时监测软件界面Fig.6　Real-time monitoring software interface

图7　远程监测系统网络图Fig.7　Network of the remote monitoring system

1.5结构健康数据管理系统

该结构健康数据管理系统分为静态数据库和动态数据库。静态数据库包括隔震结构工程概况子库、隔震结构建设点地质资料子库、隔震结构隔震设计及结构设计子库(包括图纸和计算结果)、隔震结构模型数据子库(隔震结构建成后健康模型及后期损伤分析模型)、健康监测系统软硬件信息子库(传感器自身相关参数信息、安装位置信息、技术指标信息、与采集仪对应通道信息)；动态数据库包括隔震结构施工监测数据子库(施工荷载、隔震支座位移、温度、加速度响应数据信息)、隔震结构运营监测数据子库(运营期隔震支座位移、温度、加速度响应数据信息)、隔震结构监测数据分析子库(各类数据分析结果)、隔震结构动力性能数据子库(振型、频率、阻尼)、隔震结构性能状态评估子库(参数识别、安全评估结果)等。数据库结构如图8所示。

2监测数据分析

该监测系统分别在施工期和运营期开始分段实施监测，数据主要以隔震支座水平位移、隔震层温度

及上部结构加速度响应为主，基于设计篇给出的评价指标对结构安全性能进行评价，数据初步分析结果如下。

图8　数据管理系统数据库结构Fig.8　Database structure of the data management system

2.1位移传感器标定

分别对1～10号位移传感器进行标定。考虑到监测的位移信号受到噪声影响，故先对原始数据进行去噪，以相邻两个平台段的均值作差，然后求平均值，以此最为数据采集和处理基准。

(1)

式中：D=50mm；n为平台段数；Aj为平台段均值，j=1，2，…，n-1。标定数据结果见图9、表1。

图9　10号传感器标定Fig.9　Calibration of No. 10 displacement sensor

编号12345678910D/mm0.06370.06480.06330.06380.06360.06390.06510.06340.06430.0644

注：表1中数值为1个单位信号值(mV)所对应的实际位移大小。

2.2位移监测数据分析

施工期间，对该结构的隔震层温度和隔震支座水平位移进行监测。混凝土结构受温度影响使隔震支座产生初始水平位移，实测隔震支座水平位移与温度的变化关系如图10所示。最不利季节温差达到52.7 ℃，纵向端部测点B隔震支座的实测最大位移为27 mm，表明超长复杂基础隔震结构的支座非载荷变形不可忽视[11]。

图10　支座位移与温度监测值Fig.10　Relationship between displacement and monitoring value of temperature

在长期的环境荷载以及强地震作用下，超长复杂基础隔震结构隔震支座会发生较大水平位移，严重影响隔震支座的竖向稳定性，对隔震结构的抗震性能有较大影响。因此《建筑抗震设计规范》[24]规定：

(2)

从现场监测数据发现，隔震支座沿结构纵向和横向均有水平位移，且纵向水平位移较大，但最大水平位移均沿纵、横向对角线方向(图11)。由于运营期间未经历地震，此水平位移主要由长期的环境载荷作用产生。通过对该医院住院楼5个典型位置的隔震支座水平位移、温度进行实时监测，得到1号和5号隔震支座水平位移与温度随时间变化关系[图12(图中为2014年11月部分监测数据)]。1号隔震支座最大纵向水平位移为-12.28 mm，最大横向水平位移为-6.14 mm，沿纵横向对角线方向最大水平位移为-13.73 mm；5号隔震支座最大纵向水平位移为-15.31mm，最大横向水平位移8.23 mm，沿纵横向对角线方向最大水平位移为17.38 mm。1号和5号隔震支座的有效直径均为500 mm，隔震支座橡胶总厚度均为96 mm。依据隔震设计资料，罕遇地震下隔震层最大水平位移Umax=259 mm，考虑最不利条件，由式(2)：

1号隔震支座：

5号隔震支座：

图11　1号隔震支座Fig.11　No.1 isolation bearing

考虑最不利条件时，罕遇地震下5号隔震支座水平位移可能超限，具体还需进一步分析。由图12可看出，环境荷载作用下，隔震支座的水平位移与隔震层温度有一定的相关关系。从短期来看，环境荷载作用下隔震支座的位移变化较小。考虑到该地区季节性温差较大，长期的环境荷载作用的影响不可忽视。

图12　隔震支座的水平位移和温度监测Fig.12　Horizontal displacement and temperature monitoring of isolation bearings

2.3加速度响应监测数据分析

长期的环境荷载作用对隔震结构隔震支座性能会产生较大影响。通过对上部结构三次不同时间的加速度响应进行模态分析，并基于随机子空间法识别结构模态参数，识别结果如图13所示，限于篇幅，只列出部分分析结果。

由图14可以看出，该基础隔震结构在长期环境荷载作用下的自振特性发生了变化。产生变化的原因是多方面的，但其可能主要有两方面：一方面是由于隔震支座受到温度的影响，导致其性能发生变化进而使得结构的自振特性发生改变，这方面可以通过长期的数据监测，建立温度与结构动力特性参数之间的相互关系，在实际结构分析中剔除由于温度引起的结构动力特性的改变效应，进而对结构性能状态进行评估；另一方面可能是由于在环境以及地震等荷载作用下结构性能发生改变。隔震结构性能的改变主要是隔震支座或者上部结构发生损伤累积的结果，当剔除温度效应后可利用监测数据对其进行评价。

3结论

本文基于“基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅰ):系统设计”中的设计方法，对某基础隔震结构健康监测系统进行了设计与实现。从实际工程的角度，对外界荷载作用下隔震层温度、隔震支座水平位移和上部结构的加速度响应进行了监测，并对长期监测数据进行了初步分析，得出以下结论：

(1) 本文设计并实现了某基础隔震结构健康监测系统，为研究基础隔震结构设计的合理性、基础隔震结构动力性能参数识别、安全性能评定、震后性能状态评估提供了可参考成果。

(2) 施工期间，上部结构的混凝土收缩以及温度效应对隔震支座水平位移有明显影响；环境荷载作用下，隔震支座处于弹性状态，隔震支座的水平位移随温度有一定的变化关系，水平位移变化较小；但从长期监测数据来看，环境荷载作用下隔震支座的水平位移有累积现象，从而引起了隔震结构动力特性变化。

图13　三次监测纵向加速度响应与傅里叶谱对比Fig.13　Comparison between three recorded longitudinal acceleration responses and Fourier spectra

图14　频率和阻尼比识别结果对比Fig.14　Comparison between identification results of frequency and damping ratio

(3) 通过对上部结构的加速度响应分析，识别上部结构在环境激励下不同时期的结构自振频率；通过对比分析表明，结构自振频率呈下降趋势，造成结构自振特性发生改变的原因主要有温度与结构性能的变化，但具体原因还需要利用更多的监测数据进行进一步分析。

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DesignandImplementationofHealthMonitoringSystemforBase-isolatedStructure(Ⅱ):SystemImplementation

DUYong-feng1,2,3,ZHENGWen-zhi2,LIWan-run1,2,3,LIHui1,2,3

(1.Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050, Gansu, China; 2.Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050, Gansu, China; 3. Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China)

Abstract：The performance of structures built with conventional anti-seismic technology is not always satisfactory in earthquakes. Researchers have often adopted “seismic isolation technology” in place of conventional “anti-seismic technology”. The structural health monitoring system (SHMS), as a structural “nervous system”, has been widely used in large-span bridges, tunnels, and tall buildings in order to monitor structural response and provide reliable data for the assessment of structurally safe performance. To investigate the deterioration mechanism of base-isolated structure (BIS) and assess the degree of safe performance experienced in earthquakes, many SHMS have been designed and implemented to address various seismic structure research objectives.Based on the SHMS results of other structure types. Many significant research achievements for BIS have been achieved by numerous scholars. In this paper, based on the previous paper Design and Implementation of Health Monitoring System for Base-Isolated Structure (Ⅰ): System Design, we design and implement a super-long base-isolated SHMS. Here we study the design of an overall solution; the implementation of solutions for all subsystems and functions in super-long base-isolated SHMSs, including the types, locations, and performance of sensors; the hardware and software of data acquisition systems and transmission solutions; and the types and functions of databases. Our results show that the coordinated operation of the super-long BIS ran well and the performance satisfied the desired objectives. We analyzed the horizontal displacement and temperature data of the isolation bearings and the acceleration response of superstructure monitored during construction and operation. The results show that the concrete shrinkage of the superstructure and temperature had a significant impact on the horizontal displacement of the isolation bearings. The relation of the horizontal displacement of rubbers in the elastic stage with temperature changed slightly, but the displacement of the isolation bearings subjected to environmental excitation had a cumulative effect based on long-term monitoring data, which would change the structural dynamic characteristics. According to the assessment criteria in the system design paper, we evaluated the performance of the super-long BIS and determined that the structure performs well.

Key words：base-isolated structure; health monitoring system; displacement of isolation bearing; environmental temperature; dynamic characteristics

收稿日期：①2015-05-04

基金项目：国家自然科学基金(51178211，51568041)；甘肃省青年科技基金计划(148RJYA004)；兰州理工大学建筑工程系七七级校友奖励基金(TM-QK-1307)。

作者简介：杜永峰(1962-)，甘肃庆阳人，教授，博导，主要从事结构减震控制及结构健康监测研究。E-mail:dooyf@lut.cn。 通信作者：李万润(1985-)，甘肃民勤人，博士，讲师，主要从事结构健康监测研究。E-mail:ce_wrli@163.com。

中图分类号:TU352.1

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)03-0344-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0344