CN108896397B - 基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法，属于屋顶荷载检测技术领域。该方法首先采用分级加载方式在屋顶进行静载试验，利用事先布设好的微震监测系统进行微震信号采集；然后利用波形分析算法对采集到的信号进行分析，得到屋顶破裂无噪有效微震信号；再采用微震定位算法对屋顶破裂源位置进行定位，进而获取屋顶在试验荷载作用下的应力场演化规律；最后根据应力场演化规律分析屋顶结构稳定性，进而确定屋顶最大承载力。该方法计算简单，可用于既有建筑物屋顶绿化或加装太阳能光伏系统时的最大荷载评价。
Description
技术领域
本发明涉及屋顶荷载检测技术领域，特别是指一种基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法。
背景技术
屋顶绿化不仅能有效改善城市生态环境，隔热保温降噪，还可以吸储并有效利用天然降水，提高城市抗灾能力。结构承载力评价是屋顶绿化前需要首先考虑的因素，这直接关系到建筑物的使用安全，正常的施工工艺以及绿化的成败。如果建筑尚处于设计阶段，建筑的承载能力与建筑结构设计有关，一般来讲承载能力较大，能够满足绿化的需要。园林设计师只需要根据自己的设计估算出静荷载，提交给结构设计师，他们进行建筑结构梁板、柱、基础等的计算校核即可。而对于既有建筑屋顶，随着使用年限的增加，建筑材料出现耐久性问题，必然会导致建筑结构安全水平降低。
既有建筑屋顶承载能力最稳妥的评估方法则是根据建筑规范，采用静载试验(砂袋、石子袋、水泥袋、砖块、蓄水等)通过分级加载方式，通过目测、游标卡尺量测、挠度仪、裂缝宽度检测规，以及布设应变计、位移计等方法测试屋顶结构的应变、挠度、裂缝等随荷载的变化，进而评估既有建筑屋顶承载能力。但目前这些方法会有以下几个弊端：(1)结构表面一旦出现可观察到的裂缝或应变时，表明结构内部已在一定程度上遭受当前试验荷载的损伤，势必会再一次降低结构承载力；(2)应变计、位移计等仪器属于间断的点监测，理论上的最优布设位置应为结构最薄弱的部位，但在实际工程中并不能严格保证。(3)应变计、位移计等仪器一般需要布设在楼板底部，即数据采集和监测等都在室内进行。对室内的作业空间有一定的要求，且既有建筑一般都在正常使用期间，可能会对业主的工作和生活带来诸多不变。
因此本发明提出一种基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法，采用微震传感器、波形信号采集仪，数据采集及分析软件等，通过屋顶结构在试验荷载作用下的微震事件分析，反演其应力场演化规律，进而达到对既有建筑屋顶绿化安全荷载的评价等目的。本方法同样适用于既有民用建筑加装太阳能光伏系统时的最大荷载评价。
发明内容
本发明针对现有荷载评估方法监测设备布设位置受限，点监测无法很好反馈全局变形等问题，提供一种基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法，可用于既有建筑物屋顶绿化或加装太阳能光伏系统时的最大荷载评价。
该方法包括步骤如下：
(1)信号采集：采用分级加载方式在屋顶进行静载试验，利用事先布设好的微震监测系统进行微震信号采集；
(2)信号分析：利用波形分析算法对步骤(1)中采集到的信号进行识别、滤波去噪处理，得到屋顶破裂无噪有效微震信号；
(3)损伤演化分析：结合步骤(2)中得到的有效微震信号，用微震定位算法对屋顶破裂源位置进行定位，根据定位结果获取微震事件的时空分布规律，进而获取屋顶在试验荷载作用下的应力场演化规律；
(4)屋顶荷载评估：根据步骤(3)中获得的应力场演化规律分析屋顶结构稳定性，进而确定屋顶最大承载力。
其中，步骤(1)首先布设微震监测系统，然后进行屋顶静载试验，最后采集微震信号；其中，微震监测系统包括微震传感器、数据传输线缆、采集仪、微震监测终端。
微震传感器尽可能布设在屋顶四个角落，即呈现空间布设；数据传输线缆采用网线、电缆或光纤传输；采集仪外接微震传感器通道数大于4，随着屋顶面积的增大，为提高精度，可进一步扩展通道数；微震监测终端包括监测主机、监测软件等，可布设在屋内、屋外任意位置。
步骤(2)具体为对屋顶的损伤信号进行识别，采用傅里叶变换、小波变换等数学方法或其它有效手段，通过提取频谱、振幅、能量波形等参数特征进行信号去噪和屋顶损伤有效信号识别。
步骤(3)损伤演化分析包括两个部分：
a.采用盖格定位法、主事件定位法或双差定位法等求取屋顶微损伤点的位置，计算过程如下：
假设屋顶损伤点的空间坐标为(x,y,z)，编号为i(i＝1,2,…，n)的微震传感器空间坐标记为(xi,yi,zi)，ti为编号i(i＝1,2,…，n)的微震传感器接收到震源点信号的时间，t为屋顶微损伤的时间，v为屋顶微损伤释放的震动波在屋顶的传输速度，采用波速测试仪获得；按照式(1)，四个方程联立可以求解微破裂源参数：x,y,z,t,或将v作为未知数，增加一个微震传感器，五个方程联立即可求解x,y,z,t,v；
b.有效微震信号包含破裂点的能量、位置、破裂的大致范围、频次相关信息，根据微震事件频次的统计规律，对屋顶变形进行分析，原则如下：
①在单位面积内发生的微震事件个数n，
②在单位时间内微震事件频次加速度。
上述单位时间为分钟、小时或天。
步骤(4)的屋顶荷载评估具体为根据屋顶损伤微破裂点的个数或频次加速度、能量值统计规律，将屋顶变形分为三个阶段：弹性变形、损伤演化和屋顶破坏；其中损伤演化阶段的最高点即为屋顶最大承载力。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)结构表面一旦出现可观察到的裂缝或应变时，表明结构内部已在一定程度上遭受当前试验荷载较大程度的损伤，会再一次降低结构承载力；而本发明可监测结构表面形成裂缝之前的内部损伤，避免结构因荷载测试而损坏；
(2)应变计、位移计等传统仪器属于间断的点监测，实际布设时难以保证布设位置为结构最薄弱的部位，即点监测无法很好反馈全局变形问题，而本发明为全局监测方法，对传感器布设位置无特殊要求，并可评价任意一点的变形状态。
(3)常规方法布设应力计、应变片时一般需要布设在楼板底部，即数据采集和监测等都在室内进行。对室内的作业空间有一定的要求，测试时会影响既有建筑的正常使用。而本发明的数据采集和监测设备可通过电缆传输方式布设在任意位置，如楼顶，地下等，方便实施。
附图说明
图1为本发明的基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法流程示意图；
图2为本发明的基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法的微震监测系统结构组成示意图；
图3为本发明的基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法的工程实施示意图。
其中：1-既有建筑物；2-屋顶；3-微震传感器；4-数据传输线缆；5-采集仪；6-微震监测终端；7-信号采集；8-信号分析；9-损伤演化分析；10-屋顶荷载评估。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的荷载评估方法监测设备布设位置受限，点监测无法很好反馈全局变形等问题，提供一种基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
(1)信号采集：采用分级加载方式在屋顶进行静载试验，利用事先布设好的微震监测系统进行微震信号采集；
(2)信号分析：利用波形分析算法对步骤(1)中采集到的信号进行识别、滤波去噪处理，得到屋顶破裂无噪有效微震信号；
(3)损伤演化分析：结合步骤(2)中得到的有效微震信号，用微震定位算法对屋顶破裂源位置进行定位，根据定位结果获取微震事件的时空分布规律，进而获取屋顶在试验荷载作用下的应力场演化规律；
(4)屋顶荷载评估：根据步骤(3)中获得的应力场演化规律分析屋顶结构稳定性，进而确定屋顶最大承载力。
本发明设计的微震监测系统结构组成如图2所示。
在具体施工中，如图3所示，在既有建筑物1的屋顶2布设微震传感器3，采集仪5通过数据传输线缆4采集信号，并传递给微震监测终端7，最终实现微震监测分析。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
(1)某小区一7层楼房已使用25年，业主拟在楼顶上建造花园，以达到隔热、降温的环保节能效果。现采用微震监测技术对该楼顶结构荷载安全性进行检测评定。
(2)将微震监测的6个微震传感器分别布设在楼顶的四个角落和中间位置，采集仪和微震监测终端设备通过电缆线与微震传感器连接，并放置在7楼过道内。
(3)根据现场条件及屋面结构的实际特点，通过对屋面板施加均布面荷载、对屋面梁施加线荷载进行荷载试验。现场在屋面板或屋面梁试验区域布置塑料水箱，以分阶段加水的方式进行分级加载。
(4)从1级试验荷载0.3KN/m2开始，对屋面板及屋面梁分级进行加载，每级增加0.3KN/m2，每级加载完成后持荷30分钟，在加载及持荷时间内，从微震监测终端处观察屋面板和屋面梁的微震事件分布规律。
(5)根据微震事件分布规律发现，当荷载增加到1.8KN/m2时，在屋面板中部某个区域内微震事件急剧增加，微震事件个数超过30个/m2，而荷载在1.5KN/m2时，该区域的微震事件个数仅为8个/m2。
(6)最终确定屋顶结构的绿化安全荷载为1.5KN/m2，即在屋面绿化改造时使用荷载不大于1.5kN/m2(150kg/m2)作用下，屋面梁板均能满足结构安全性的要求。
(7)后期绿化完成后，持续对该建筑楼顶相关构件的挠度及抗裂度进行了一年的监测检测，结构状况良好，未发现明显损伤。
实施例2
(1)某小区有6栋11层楼房同一时间由同一建设单位按相同要求建造，均已使用15年，小区管委会拟在楼顶上建造花园，以响应当地政府的改善局部气候，丰富城市的空间景观，提高城市的绿化覆盖率等政策。拟采用微震监测技术对该楼顶结构荷载安全性进行检测评定。
(2)将6个微震传感器分别布设在楼顶的四个角落和中间位置，采集仪和微震监测终端设备通过电缆线与微震传感器连接，并放置在11楼过道内。
(3)根据现场条件及屋面结构的实际特点，逐栋试验，通过对屋面板施加均布面荷载、对屋面梁施加线荷载进行荷载试验。现场在屋面板或屋面梁试验区域布置塑料水箱，以分阶段加水的方式进行分级加载。
(4)从1级试验荷载0.3KN/m2开始，对屋面板及屋面梁分级进行加载，每级增加0.3KN/m2，每级加载完成后持荷30分钟，在加载及持荷时间内，根据微震监测终端处观察屋面板和屋面梁的微震事件分布规律。
(5)根据微震事件分布规律发现，当荷载增加到2.4KN/m2时，在屋面板中部某个区域内微震事件急剧增加，微震事件个数超过25个/m2，而荷载在2.1KN/m2时，该区域的微震事件个数仅为7个/m2。
(6)最终确定屋顶结构的绿化安全荷载为2.1KN/m2，即在屋面绿化改造时使用荷载不大于2.1kN/m2(210kg/m2)作用下，屋面梁板均能满足结构安全性的要求。
(7)后期绿化完成后，持续对该建筑楼顶相关构件的挠度及抗裂度进行了一年的监测检测，结构状况良好，未发现明显损伤。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)信号采集：采用分级加载方式在屋顶进行静载试验，利用事先布设好的微震监测系统进行微震信号采集；
(2)信号分析：利用波形分析算法对步骤(1)中采集到的信号进行识别、滤波去噪处理，得到屋顶破裂无噪有效微震信号；
(3)损伤演化分析：结合步骤(2)中得到的有效微震信号，用微震定位算法对屋顶破裂源位置进行定位，根据定位结果获取微震事件的时空分布规律，进而获取屋顶在试验荷载作用下的应力场演化规律；
(4)屋顶荷载评估：根据步骤(3)中获得的应力场演化规律分析屋顶结构稳定性，进而确定屋顶最大承载力；
所述步骤(1)首先布设微震监测系统，然后进行屋顶静载试验，最后采集微震信号；其中，微震监测系统包括微震传感器、数据传输线缆、采集仪、微震监测终端；所述屋顶静载试验从1级试验荷载0.3KN/m2开始，对屋面板及屋面梁分级进行加载，每级增加0.3KN/m2，每级加载完成后持荷30分钟，在加载及持荷时间内，从微震监测终端处观察屋面板和屋面梁的微震事件分布规律；
所述微震传感器布设在屋顶四个角落；数据传输线缆采用网线、电缆或光纤传输；采集仪外接微震传感器通道数大于4，随着屋顶面积的增大，扩展通道数；微震监测终端包括监测主机、监测软件；
所述步骤(4)的屋顶荷载评估具体为根据屋顶微破裂点的个数或频次加速度、能量值统计规律，将屋顶变形分为三个阶段：弹性变形、损伤演化和屋顶破坏；其中损伤演化阶段的最高点即为屋顶最大承载力；
所述步骤(2)具体为对屋顶的损伤信号进行识别，采用傅里叶变换、小波变换数学方法，通过提取频谱、振幅、能量波形参数特征进行信号去噪和屋顶损伤有效信号识别；
所述步骤(3)损伤演化分析包括两个部分：
a.采用盖格定位法、主事件定位法或双差定位法求取屋顶微破裂点的位置，计算过程如下：
假设屋顶微破裂点的空间坐标为(x,y,z)，编号为i(i＝1,2,…，n)的微震传感器空间坐标记为(xi,yi,zi)，ti为编号i(i＝1,2,…，n)的微震传感器接收到震源点信号的时间，t为屋顶微损伤的时间，v为屋顶微损伤释放的震动波在屋顶的传输速度，采用波速测试仪获得；按照式(1)，四个方程联立可以求解屋顶微破裂点参数：x,y,z,t,或将v作为未知数，增加一个微震传感器，五个方程联立即可求解x,y,z,t,v；
b.有效微震信号包含屋顶微破裂点的能量、位置、破裂的大致范围、频次相关信息，根据微震事件频次的统计规律，对屋顶变形进行分析，原则如下：
①在单位面积内发生的微震事件个数n，
②在单位时间内微震事件频次加速度。
2.根据权利要求1所述的基于微震监测技术的屋顶绿化安全荷载评价方法，其特征在于：所述单位时间为分钟、小时或天。
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Legal Events
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