CN110705152A - 用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，该方法通过有限元软件计算管线在各个抗震支吊架分别失效后，各工况地震作用下管道内部的最大等效应力与最大变形的变化情况，基于归一化和赋予权重的方法构建抗震支吊架候选测点的重要性指标，根据工程实际需要，重要性指标排序靠前的抗震支吊架斜撑中部作为加速度传感器的布点位置。本发明通过采用有限元分析技术，有效地保证了管道地震作用下应力分析的精度，在此基础上构建抗震支吊架候选测点的重要性指标，为加速度传感器布置位置的选择提供了合理的依据，有效克服了传统管线监测中传感器布置的主观性、经验性和盲目性，必将得到广泛的应用和推广。

Description

用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法

技术领域

本发明属于建筑机电抗震监测领域，涉及机电管线处抗震支吊架的监测传感器布置方法，尤其是一种用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法。

背景技术

结构的健康监测技术就是要发展一种最小人工干预的结构健康在线实时连续监测、检查与损伤探测的系统，能够通过数据处理中心，自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术不同，通常无损检测技术运用直接测量的方法确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度。而健康监测技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要，识别的精度强烈依赖于传感器布置方案和解释算法。

现阶段，与建筑结构相比，建筑机电抗震防灾的关注度和相关支撑技术水平还远远落后。尽管国家和行业已经意识到这一问题，出台《建筑机电工程抗震设计规范》并在新建建筑中强制实施，但是由于目前抗震设计方法简单、生产和安装标准欠缺、质量检测手段落后，即使是经过专业抗震设计的工程项目，其抗震性能的稳定性还需要经历时间的检验。同时，对于大量的、未经过专业机电抗震设计的存量建筑，其机电抗震水平更是未知的、难以掌握的。况且建筑抗震支吊架往往布设于天花板等装饰层之内，位置隐蔽，非常不利于人工频繁检测。因此，对抗震支吊架进行智能监测是十分必要且重要的，已成为支吊架行业内普遍期待的实际需求。

而对于建筑机电管线的抗震支吊架，缺少用于健康评估的监测传感器布置方法，需要提供一种传感器布置方法来满足建筑机电抗震健康监测的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，本用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法通过采用有限元分析技术，有效地保证了管道地震作用下应力分析的精度，在此基础上构建抗震支吊架候选测点的重要性指标，为加速度传感器布置位置的选择提供了合理的依据，有效克服了传统管线监测中传感器布置的主观性、经验性和盲目性，必将得到广泛的应用和推广。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，包括以下步骤：

步骤1：选择所有侧向抗震支吊架和纵向抗震支吊架的斜撑中部作为候选监测测点，即加速度传感器候选布置测点；

步骤2：采用有限元软件建立每个楼层中安装的建筑机电管线和所有抗震支吊架的平面有限元计算模型；

步骤3：计算每个抗震支吊架承担的地震荷载，在有限元分析模型中将此荷载分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上，按照正负方向两两组合，总共是四种荷载工况；

步骤4：分别计算各荷载工况下单独拆除候选监测测点所对应的抗震支吊架的最大等效应力值σ_ij与最大变形值δ_ij，采用归一化和加权平均的方法计算各荷载工况下候选监测测点的重要性指标D_ij与总重要性指标D_i；

步骤5：将D_i从小到大排列，将总重要性指标D_i大的抗震支吊架的斜撑中部作为加速度传感器的布点位置。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤3具体包括：

根据抗震设防烈度、管线质量和抗震支吊架布置间距计算每个抗震支吊架承担的地震荷载，在有限元分析模型中将此荷载按照全局坐标系下X与Y方向的正负向组合，总共是四种荷载工况，分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上；其中是荷载工况用j表示，j＝1,2,3,4。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤4包括：

(4.1)在j荷载工况下，首先对有限元分析模型中现有的纵向抗震支吊架和侧向抗震支吊架对应的约束支撑分别编号为1,2,……，n，然后删除模型其中一个i号约束支撑，对模型按照步骤3的地震荷载进行加载，得到去掉约束支撑i后管线体系的最大等效应力值σ_ij与最大变形值δ_ij，重复以上操作，最终得到分别单独拆除1,2,……，n号约束支撑后的对应n个最大等效应力值与n个最大变形值；

(4.2)筛选出n个最大等效应力值中的最小值σ_minj与n个最大变形值中的最小值δ_minj，将候选监测测点所对应的i号约束支撑在j荷载工况下的重要性系数记为D_ij(i＝1,2,……，n)，其表达式为：

其中，a与b分别为最大等效应力与最大变形的权重系数，且需要同时满足以下条件：0≤a≤1,0≤b≤1,a+b＝1；

(4.3)候选监测测点的总重要性指标依据四种荷载工况下的重要性系数之和D_i确定：

本发明的有益效果为：本发明通过采用有限元分析技术，有效地保证了管道地震作用下应力分析的精度，在此基础上构建抗震支吊架候选测点的重要性指标，为加速度传感器布置位置的选择提供了合理的依据，有效克服了传统管线监测中传感器布置的主观性、经验性和盲目性，必将得到广泛的应用和推广，满足建筑机电抗震健康监测的需要。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为本发明所述实施例涉及机电管线系统的整体有限元计算模型。

图3为本发明所述实施例涉及机电管线系统拆除一个约束后的变形示意图。

具体实施方式

下面根据图1对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

本实施例提供一种用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，总体可以表述为以下几个步骤：

(1)确定加速度传感器候选布置测点：由于抗震支吊架承受建筑机电工程中所有管线系统的地震作用，因此，选择所有侧向抗震支吊架和纵向抗震支吊架的斜撑中部作为候选监测测点，即加速度传感器候选布置测点；

(2)建立有限元计算模型：针对建筑机电管线的每个楼层，采用有限元软件建立每个楼层中安装的建筑机电管线和所有抗震支吊架的平面有限元计算模型；其中，建筑机电管线采用梁单元模拟，抗震支吊架根据其对管线的约束作用采用支座约束模拟；

(3)地震作用的施加：针对每个楼层，在有限元分析模型中将换算得到的加速度(地震荷载)分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上，按照正负方向两两组合，总共是四种荷载工况；

(4)采用有限元模型方法计算管线系统的最大等效应力值和最大变形值：分别计算各荷载工况下单独拆除候选监测测点所对应的抗震支吊架(约束支撑)的最大等效应力值σ_ij与最大变形值δ_ij，采用归一化和加权平均的方法计算各荷载工况下候选监测测点的重要性指标D_ij与总重要性指标D_i；

(5)确定加速度传感器布置位置：将D_i从小到大排列，将总重要性指标D_i较大的抗震支吊架的斜撑中部作为加速度传感器的布点位置。

具体地，其中步骤(3)具体包括：

根据抗震设防烈度、管线质量和抗震支吊架布置间距使用等效侧力法计算每个抗震支吊架承担的地震荷载(具体计算公式在国家标准《建筑机电工程抗震设计规范》(GB50981-2014)中有明确规定)，在有限元分析模型中将此荷载按照全局坐标系下X与Y方向的正负向组合，总共是四种荷载工况(j＝1,2,3,4)，分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上。

其中步骤(4)包括：

(4.1)计算管线系统的最大等效应力值和最大变形值：在j荷载工况下，首先对有限元分析模型中现有的纵向抗震支吊架和侧向抗震支吊架对应的约束支撑分别编号为1,2,……，n，然后删除模型其中一个i号约束支撑，对模型按照步骤(3)的地震荷载进行加载，得到去掉约束支撑i后管线体系的最大等效应力值σ_ij与最大变形值δ_ij，重复以上操作，最终得到分别单独拆除1,2,……，n号约束支撑后的对应n个最大等效应力值与n个最大变形值；

(4.2)构造候选测点在j工况下的重要性指标：首先筛选出n个最大等效应力值中的最小值σ_minj与n个最大变形值中的最小值δ_minj，然后将候选监测测点所对应的i号约束支撑在j荷载工况下的重要性系数记为D_ij(i＝1,2,……，n)，其表达式为：

其中，a与b分别为最大等效应力与最大变形的权重系数，根据实际要求选取，且需要同时满足以下条件：0≤a≤1,0≤b≤1,a+b＝1；

(4.3)确定监测传感器布置优先级顺序：候选监测测点的总重要性指标依据四种荷载工况下的重要性系数之和D_i确定：

将D_i从小到大排列，D_i越大，表明该候选测点失效后管线系统在地震作用时发生破坏的危险性水平越高，对应的重要性指标越高，最终将重要性指标较大的抗震支吊架斜撑中部作为加速度传感器的布点位置。

以下将结合附图详细地说明本发明技术方案在某工程案例中消防水管系统中的应用。以江苏某丙级工程为案例，对位于建筑顶层的消防水管系统的抗震支吊架进行监测布点设计，管道公称直径为DN100，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，侧向抗震支吊架间距为12m，总体布置见图2，现需选取两个抗震支吊架点位进行监测。

传感器候选监测测点的选择应综合考虑侧向抗震支吊架和纵向抗震支吊架在抵抗地震荷载所起到的作用。对于本案例，管线上仅布置了侧向抗震支吊架，且数量较少，因此选取全部的侧向抗震支吊架作为候选监测测点，从管线左端开始，候选监测测点依次编号为i＝1,2,3,4,5。

本案例中采用Etabs软件进行建模，DN100消防水管的整体有限元模型根据管线实际尺寸建模，考虑侧向抗震支吊架对管线提供垂直于管线轴向的支撑，在有限元模型中将侧向抗震支吊架简化为侧向铰链约束。本案例中管线系统的整体有限元计算模型如图2所示，布线荷载值为0.11，其中三角形的位置即为抗震支吊架安装位置。

在实施例中，根据抗震设防烈度、管线类型及数量和抗震支吊架布置间距使用等效侧力法计算每个抗震支吊架承担的地震荷载，在分析模型中将此荷载按照全局坐标系下X与Y方向的正负组合，总共是四种荷载工况(j＝1,2,3,4)，分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上。

在每个工况下，依次拆除编号1,2,3,4,5处的约束支撑，对模型进行加载(图3为管线系统拆除一个约束支撑后的变形示意图)，得到分别单独拆除约束支撑后的对应5个最大等效应力值σ_ij与5个最大变形值δ_ij(i＝1,2,3,4,5)，首先筛选出5个最大等效应力值与5个最大变形值中的最小值σ_minj与δ_minj。然后将候选监测测点所对应的i号约束支撑在j工况下的重要性系数记为D_ij(j＝1,2,3,4)，其表达式为：其中，a与b为最大等效应力与最大变形的权重系数，根据实际要求选取，且需要同时满足以下条件：0≤a≤1,0≤b≤1,a+b＝1。本算例中a与b均取0.5，各候选监测测点在四个工况下的重要性指标如表1所示。

表1：候选点重要性指标计算表：

将以上各工况下的候选监测测点的重要性系数D_ij分别相加得到各点的重要性指标D_i，从计算结果可知，候选测点1,2,3,4,5的重要性系数排序为D₄>>D₃>D₁>D₅>D₂，由于本实施例中只要求布置两个监测的加速度传感器，因此两个加速度传感器分别布置在3号与4号候选测点对应的抗震支吊架斜撑上。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择所有侧向抗震支吊架和纵向抗震支吊架的斜撑中部作为候选监测测点，即加速度传感器候选布置测点；

步骤2：采用有限元软件建立每个楼层中安装的建筑机电管线和所有抗震支吊架的平面有限元计算模型；

步骤3：计算每个抗震支吊架承担的地震荷载，在有限元分析模型中将此荷载分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上，按照正负方向两两组合，总共是四种荷载工况；

步骤4：分别计算各荷载工况下单独拆除候选监测测点所对应的抗震支吊架的最大等效应力值σ_ij与最大变形值δ_ij，采用归一化和加权平均的方法计算各荷载工况下候选监测测点的重要性指标D_ij与总重要性指标D_i；

步骤5：将D_i从小到大排列，将总重要性指标D_i大的抗震支吊架的斜撑中部作为加速度传感器的布点位置。

2.根据权利要求1所述的用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

根据抗震设防烈度、管线质量和抗震支吊架布置间距计算每个抗震支吊架承担的地震荷载，在有限元分析模型中将此荷载按照全局坐标系下X与Y方向的正负向组合，总共是四种荷载工况，分别作用在垂直和平行管线轴向的方向上；其中是荷载工况用j表示，j＝1，2，3，4。

3.根据权利要求1所述的用于建筑机电管线抗震性能监测的加速度传感器布置方法，其特征在于，所述的步骤4包括：

(4.1)在j荷载工况下，首先对有限元分析模型中现有的纵向抗震支吊架和侧向抗震支吊架对应的约束支撑分别编号为1，2，......，n，然后删除模型其中一个i号约束支撑，对模型按照步骤3的地震荷载进行加载，得到去掉约束支撑i后管线体系的最大等效应力值σ_ij与最大变形值δ_ij，重复以上操作，最终得到分别单独拆除1，2，......，n号约束支撑后的对应n个最大等效应力值与n个最大变形值；

(4.2)筛选出n个最大等效应力值中的最小值σ_minj与n个最大变形值中的最小值δ_minj，将候选监测测点所对应的i号约束支撑在j荷载工况下的重要性系数记为D_ij(i＝1，2，......，n)，其表达式为：

其中，a与b分别为最大等效应力与最大变形的权重系数，且需要同时满足以下条件：0≤a≤1，0≤b≤1，a+b＝1；

(4.3)候选监测测点的总重要性指标依据四种荷载工况下的重要性系数之和D_i确定：

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