CN109489806B - 一种建筑结构舒适度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑结构舒适度评估方法，它涉及建筑振动检测与评估技术领域；所述方法包括如下步骤：步骤一、数据采集：利用智能手机内置加速度传感器来测定建筑结构的振动数据，手机内置陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系下的运动方向；步骤二、坐标系转换：智能手机的陀螺仪提供手机当前姿态数据，智能手机的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，通过公式换算，实现测试数据由智能手机的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换；步骤三、时域数据进行频域处理：惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶方法实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)；步骤四、结果判定。本发明所涉及的房屋舒适度检测方法适用于大范围推广使用。

Description

一种建筑结构舒适度评估方法

技术领域：

本发明涉及建筑振动检测与评估技术领域，涉及一种建筑结构舒适度评估方法，具体涉及一种建筑结构振动的评估方法。

背景技术：

舒适度的广义概念是指人体在所处环境内的惬意程度。影响人体居住环境舒适度的因素有很多，如室内的温度、湿度、噪音及照明等等。

随着我国基础建设的快速发展，高速铁路的运营里程已经达到2.5万公里，占世界的三分之二，此外，预计到2020年，城市轨道交通的运营里程将达到7300多万公里，然而，随着有轨交通的车速、线路密集度以及行车密度的提高，加剧了由轨交通对环境的振动污染，特别是对房屋的振动影响，严重干扰了居民的日常生活。由此引发的民众抗议、维权问题屡见不鲜，造成严重的社会负面影响。与此同时，在高层及超高层建筑结构中，往往会出现风荷载导致的结构摇晃、扭转现象，也会使使用者感到不适。除了上述的环境激励和外荷载激励引发的房屋振动外，房屋使用过程中，人体行走及跳跃的过程也有可能引发楼板振动。因此，房屋振动问题的存在由来已久而且涉及范围广泛，如何评估房屋振动引发的舒适度对房屋使用者来说是一个迫切解决的问题。经研究发现，当环境振动频率(单位：Hz)处于以下范围内时，就会与人体部位产生共振：

(1)2.5Hz-5Hz之间的振动，可能引起人体颈椎、腰椎的共振，此时振幅将增大2.4倍左右；

(2)4.0Hz-6Hz之间的振动，可能引起人体躯体、肩膀及颈部的共振，此时振幅将增大2.0倍左右；

(3)20Hz-30Hz之间的振动，可能引起人体头与肩膀之间的共振，此时振幅将增大2.5倍左右。

因此，建筑物的振动会导致人体产生不舒适感。目前房屋振动检测的产品通常需要借助外部的加速度传感器来完成测试，测试过程及测试数据的后期处理需要具有一定的专业基础知识，因此，基于外部传感器的舒适度评估很难在生活中推广应用。

发明内容：

本发明提供了一种建筑结构舒适度评估方法，使用者获得房屋振动的原始数据，通过对加速度数据的处理结果判定房屋的舒适程度，从而全面了解房屋的振动、扭转情况。

本发明的一种建筑结构舒适度评估方法，步骤一、数据采集：加速度传感器用来测定建筑结构的振动数据，包括基于手机坐标系下结构沿智能手机屏幕方向的水平振动数据x(t)、y(t)、垂直智能手机屏幕方向竖向振动数据z(t)，陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系下的运动方向；

步骤二、坐标系转换：智能手机的陀螺仪提供手机当前姿态数据，智能手机的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，当惯性系的三个坐标轴x′、y′、z′的转角分别为θ、γ、ψ时，

此时，绕x′、y′、z′三个轴旋转的转换矩阵分别为：

将上述转换矩阵合并后，可以得到下式：

通过公式(4)可以实现测试数据由智能手机(1)的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换；

步骤三、时域数据进行频域处理：惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)；

步骤四、结果判定：

A、获得惯性坐标系下各轴的加速度数据x′、y′、z′，其中针对x′、y′的数据，选取数据的绝对值最大值，与参考阈值类型中的加速度峰值相比较，确定是据否满足舒适度要求；

B、惯性坐标系下z′(t)经过傅里叶变换，可以得到频谱曲线Z(ω)，频谱曲线中的第一个峰值点所对应的横坐标值，即为所测结构的基频，通过基频与,参考阈值中楼盖竖向振动频率的比较，实现频域角度的建筑结构舒适度的判定。

C、同理，X(ω)和Y(ω)所绘制的频谱曲线，可以获得结构受风荷载作用下的频率特征，并结合水平向测试数据x′(t)、y′(t)的幅值，可以实现国际标准的高层建筑舒适度评估。

作为优选，步骤三中，具体变换过程如下，

同理，可以得到：

此时，非周期的时域测试信号x′(t)、y′(t)、z′(t)则转化为变量为角频率的频域信号，频率f和角频率ω的关系为，f＝ω/2π，由此可以实现信号的时频变换。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1.获得振动数据的幅值，将振动数据进行由时域到频域的转换，得到房屋整体及构件的自振频率，再通过加速度峰值和频域特性两方面的信息，对照现有的振动标准进行比较，综合判定房屋的舒适程度。

2.本发明所涉及的房屋舒适度检测方法，其载体仅为一部智能手机，无需其他配套设备，更没有网络通信的要求，检测系统方便携带，容易操作，无需专业知识也能完成房屋舒适度的监测工作，适用于大范围推广使用。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本评估方法的流程框图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：步骤一、数据采集：加速度传感器用来测定建筑结构的振动数据，包括基于手机坐标系下结构沿智能手机屏幕方向的水平振动数据x(t)、y(t)、垂直智能手机屏幕方向竖向振动数据z(t)，陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系下的运动方向；

步骤二、坐标系转换：智能手机的陀螺仪提供手机当前姿态数据，智能手机的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，当惯性系的三个坐标轴x′、y′、z′的转角分别为θ、γ、ψ时，

此时，绕x′、y′、z′三个轴旋转的转换矩阵分别为：

将上述转换矩阵合并后，可以得到下式：

通过公式(4)可以实现测试数据由智能手机(1)的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换；

步骤三、时域数据进行频域处理：惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)；

步骤四、结果判定：

A、获得惯性坐标系下各轴的加速度数据x′、y′、z′，其中针对x′、y′的数据，选取数据的绝对值最大值，与参考阈值类型中的加速度峰值相比较，确定是据否满足舒适度要求；

B、惯性坐标系下z′(t)经过傅里叶变换，可以得到频谱曲线Z(ω)，频谱曲线中的第一个峰值点所对应的横坐标值，即为所测结构的基频，通过基频与参考阈值中楼盖竖向振动频率的比较，实现频域角度的建筑结构舒适度的判定。

C、同理，X(ω)和Y(ω)所绘制的频谱曲线，可以获得结构受风荷载作用下的频率特征，并结合水平向测试数据x′(t)、y′(t)的幅值，可以实现国际标准的高层建筑舒适度评估。

进一步，步骤三中，具体变换过程如下，

同理，可以得到：

此时，非周期的时域测试信号x′(t)、y′(t)、z′(t)则转化为变量为角频率的频域信号，频率f和角频率ω的关系为，f＝ω/2π，由此可以实现信号的时频变换。

Claims (2)

1.一种建筑结构舒适度评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一、数据采集：加速度传感器用来测定建筑结构的振动数据，包括基于手机坐标系下结构沿智能手机屏幕方向的水平振动数据x(t)、y(t)、垂直智能手机屏幕方向竖向振动数据z(t)，陀螺仪用来测定智能手机相对惯性坐标系下的运动方向；

步骤二、坐标系转换：智能手机的陀螺仪提供手机当前姿态数据，智能手机的当前姿态为由惯性坐标系依次按照一定的角度旋转获得，当惯性系的三个坐标轴x′、y′、z′的转角分别为θ、γ、ψ时，

此时，绕x′、y′、z′三个轴旋转的转换矩阵分别为：

将上述转换矩阵合并后，可以得到下式：

通过公式(4)可以实现测试数据由智能手机(1)的局部坐标系中x(t)、y(t)、z(t)到惯性坐标系下x′(t)、y′(t)、z′(t)的转换；

步骤三、时域数据进行频域处理：惯性坐标系下的时域数据x′(t)、y′(t)、z′(t)通过傅里叶实现数据的时频变换,得到惯性坐标系下的频域数据X(ω)、Y(ω)、Z(ω)；

步骤四、结果判定：

A、获得惯性坐标系下各轴的加速度数据x′、y′、z′，其中针对x′、y′的数据，选取数据的绝对值最大值，与参考阈值类型中的加速度峰值相比较，确定是否满足舒适度要求；

B、惯性坐标系下z′(t)经过傅里叶变换，可以得到频谱曲线Z(ω)，频谱曲线中的第一个峰值点所对应的横坐标值，即为所测结构的基频，通过基频与,参考阈值中楼盖竖向振动频率的比较，实现频域角度的建筑结构舒适度的判定；

C、同理，X(ω)和Y(ω)所绘制的频谱曲线，可以获得结构受风荷载作用下的频率特征，并结合水平向测试数据x′(t)、y′(t)的幅值，可以实现国际标准的高层建筑舒适度评估。

2.根据权利要求1所述的一种建筑结构舒适度评估方法，其特征在于：步骤三中，具体变换过程如下，

同理，可以得到：

此时，非周期的时域测试信号x′(t)、y′(t)、z′(t)则转化为变量为角频率的频域信号，频率f和角频率ω的关系为，f＝ω/2π，由此可以实现信号的时频变换。

Images