CN102183925A - 一种钢筋混凝土结构建筑物健康实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土结构的建筑物健康实时监测方法，该方法由分布在建筑物钢筋混凝土结构的监测单元、监测基站和监测中心组成。监测单元包括采用一个或多个感知0.01Hz到10kHz的声音、振动和0.01kPa到1000kPa结构应力变化或感知结构形变和混凝土裂缝的共聚物压电传感单元，一个处理单元。处理单元对接收的传感单元的感知信号或数据进行预处理之后，发送到监测基站。监测基站负责接收一个建筑物的多个监测单元发来的数据，并进行分析处理。监测基站再将建筑物的监测数据发送到一个城市或一个区域的监测中心。从而进行更加详细的分析和健康的预警。本发明具有成本低、安装易和组网灵活的特点，能够实现任意大区域建筑物的长期健康实时监测和预警。

Description

一种钢筋混凝土结构建筑物健康实时监测方法

【技术领域】

本发明涉及建筑物结构健康监测预警和传感器及电路设计领域，具体涉及一种低成本、可以按建筑结构布局监测点，从而覆盖任意区域的建筑物健康实时监测和预警方法。

【背景技术】

大型结构健康监测技术通过测量结构响应与环境参数，并通过结构分析和实验比照，以期实现结构损伤的检测、识别与评估。结构损伤可能是由于受到环境作用(如地震，强风，地基不均匀下沉等)、人为破坏或者长期累积疲劳所造成的。通过分析结构响应数据，可以掌握结构的受力变化或变形状态，最重要的监测是否存在损伤。一旦检测到损伤，就要给出相应的预警。

大型结构健康检测系统的监控内容包括：

(1)结构的固定模态及其相对应的阻尼；

(2)结构在正常荷载及风载作用下的结构响应及力学状态；

(3)结构在突发事件(比如强烈地震、台风或地基不均匀下沉等)之后的损伤情况；

(4)结构构件的真实疲劳状况；

(5)重要非结构构件(如桥墩处的支座)和附属设施的工作状态；

(6)结构所处的环境条件，比如风速、温度、地面运动等。

其中最重要的是在结构遭遇突发事件(比如强烈地震、台风或地基不均匀下沉等)后的健康监测和结构的疲劳损伤(如混凝土裂缝或钢筋形变等)监测， 并给出相应的预警。

结构健康监测和安全评估发展的最重要目标，是实时对结构的运营状态进行监测与评估，根据监测数据分析结果，对设计荷载工况参数进行验证，并对结构的传力受力机理进行深入探讨和研究，为结构理论研究提供长期连续的实测试验数据。解决问题的关键在于实现低成本、广覆盖的建筑物的实时健康监测。

以振动分析为基础的结构状态监测与健康评价方法是这个领域的主要研究内容。这种方法用模态参数构造能够反映结构动力特性的动力指纹或状态特征，通过对比完好状态和受损状态的动力学特征来评价结构的健康状态。解决问题的核心仍然是实现低成本、广覆盖的建筑物声音、振动和结构应力变化以及混凝土裂缝等结构形变的实时监测。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决对钢筋混凝土结构的建筑物健康大规模地、长期地、实时地监测的问题，提供一种全结构、大范围、连续建筑物监测方法，具有低成本、可以密集布局监测点，实时监测大面积区域内建筑物的声音、振动、应力变化、结构形变和混凝土裂缝的异常情况，从而进行建筑物建构健康分析和预警。

为实现上述目的，本发明提供一种钢筋混凝土结构的建筑物健康监测方法的系统组成结构，该结构包括至少一个监测单元、监测基站或至少一个监测中心，所述每个监测单元包含至少一个共聚物压电声音、振动和结构应力变化传感单元，以及感知结构形变和混凝土裂缝共聚物压电传感单元，一个处理单元，并与至少一个监测基站联结。监测单元相比当前使用的其他监测技术具有极低的成本，可以应用在建筑物的钢筋混凝土结构件中。

特定建筑物健康监测单元结构，具特征在于：所述监测单元包含一个或多个共聚物压电声音、振动和结构应力变化传感单元和共聚物结构形变和混凝土裂缝传感单元、一个处理单元。传感单元能够获得0.01Hz到10kHz的声音、振动，能够获得0.01kPa到1000kPa的结构应力变化，能够监测混凝土裂缝和结构变形。处理单元对传感单元的数据进行预处理之后，通过有线或无线方式发送到监测基站。监测基站再发往城市或区域监测中心，进行健康分析和预警的依据。传感单元的共聚物压电传感器，感知声 音、振动和结构应力变化，感知结构形变和混凝土裂缝，感知信号经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、低电容-89pF/m、可达100m或更长)连接到处理单元，之后再进行采样量化。

本发明提供一种特定的监测中心结构，其特征在于：通过连接该监测中心的一大批监测基站提供的反映所覆盖区域的声音、振动和结构应力变化，综合分析，进行建筑物的健康分析和预警。

本发明的有益效果是：提供了一种能够对钢筋混凝土结构的建筑物健康大规模地、长期地、实时地盐测的方法，提供一种全结构、大范围、连续建筑物监测方法，具有低成本、可以密集布局监测点，实时监测大面积区域内建筑物的声音、振动、应力变化、结构形变和混凝土裂缝的异常情况，从而进行建筑物建构健康分析和预警。

【具体实施方式和附图说明】

本中请的特征及优点将通过实施例，结合附图进行说明。

为表述方便，我们将监测单元称为SP，将监测基站称为SC，将监测中心成为SS。通过一系列SP和SC的互联就可以实现区域内多建筑健康信息的汇总；通过一系列SC和SS的互联就可以实现全区域所有建筑健康信息的汇总。该种结构包括至少一个SP、至少一个SC和至少一个SS，SP与SC中的至少一个互联，SS与SC中的至少一个互联，如图1至3所示。

SP和SC，SS和SC的互联均可以采用无线或有线方式。在建筑物密度较高，基础通信设施较好的区域，可以采用有线方式连接。在建筑物密度较低，基础通信设施不够好的区域，可以采用无线方式连接。

图4是本发明一种实施例的特定应用分析，如一个区域内共有100栋建筑需要健康监测，在每栋建筑布局10个SP，相邻的10栋建筑共有100个SP，每100个SP布局一个SC，每10个SC汇总到一个SS，那么这样在该区域的100栋建筑的健康状况只需要1000个SP，10个SC和1个SS。每个SP通过GPRS或3G模块无线发布数据到规定的SC，每个SC通过3G无线模块或有线发送数据到SS，该区域通过一个SS就能够获得全部区域SP监测的数据，从而实时监测整个区域的100栋建筑的健康状况。

图5是一种SP的实施例，SP中包括一个共聚物压电声音和振动传感单元和共聚物压电应力变化和裂缝传感单元(分别用SA和SB表示)、一个处理单元。SA传感单元能够获得0.01Hz到10kHz的声音和振动，SB传感单元能够获得0.01kPa到1000kPa应力的变化和裂缝信息；处理单元包 括一个对传感单元的信号进行数字化等预处理的模块，一个GPRS或3G模块，一个电源管理模块提供电源管理，预处理后的数据通过GPRS或3G无线方式发送到监测基站。

SP发送的数据至少包括：

SP的标识(每个SP具有唯一标识)；

地理位置信息；

监测时间精度；

发送数据的时间坐标；

实时声音和振动信号；

实时地应力变化和裂缝信号；

监测时间精度、监测或发送数据的时间间隔等均可以设置。

以上内容是结合一种实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钢筋混凝土结构的建筑物健康监测方法的系统组成结构，其特征在于：包括至少一个监测单元、监测基站或至少一个监测中心，所述每个监测单元包含至少一个共聚物压电声音、振动和结构应力变化传感单元，以及感知结构形变和混凝土裂缝共聚物压电传感单元，一个处理单元，并与至少一个监测基站联结。监测单元相比当前使用的其他监测技术具有极低的成本，可以应用在建筑物的钢筋混凝土结构件中。

2.如权利要求1所述的特定监测单元结构，其特征在于：所述监测单元包含一个或多个共聚物压电声音、振动和结构应力变化传感单元和共聚物结构形变和混凝土裂缝传感单元、一个处理单元。传感单元能够获得0.01Hz到10k Hz的声音、振动，能够获得0.01kPa到1000kPa的结构应力变化，能够监测混凝土裂缝和结构变形。处理单元对传感单元的数据进行预处理之后，通过有线或无线方式发送到监测基站。监测基站再发往城市或区域监测中心，进行健康分析和预警的依据。

3.如权利要求2所述的特定传感单元结构，其特征在于：所述传感单元的共聚物压电传感器，感知声音、振动和结构应力变化，感知结构形变和混凝土裂缝，感知信号经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、低电容-89pF/m、可达100m或更长)连接到处理单元，之后再进行采样量化。

4.如权利要求1所述的监测中心结构，其特征在于：通过连接该监测中心的一大批监测基站提供的反映所覆盖区域的声音、振动和结构应力变化，综合分析，进行建筑物的健康分析和预警。

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