CN112577685A - 大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，该方法将复杂建筑结构以承重结构构件简化，划分为各个长方体型式的单元结构；单元结构中以实体边、实体面为基础部件，实体构件上任意一点到该构件强约束固结点的最近距离代表该点的振动响应距离；同时，依据构件本身的柔度评估各个实体边、实体面构件的受振权重系数，振动响应距离与受振权重系数的乘积作为构件上某点的自由程度；统计所有单元结构，以其中最大自由程度为单位1，将所有构件的自由程度归一化处理，得到复杂结构的自由率分布；将自由率等间隔划分，于梯段值位置布置振动传感器仪器。本发明能够高效准确地监测和评价大尺寸复杂建筑物的振动响应，应用前景广阔。

Description

大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法

技术领域

本发明属于建筑安全监测的技术领域，具体涉及一种大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法。

背景技术

在矿山、石化及交通等大型工程建设中，通常面临爆破开挖或掘进开挖的振动安全控制问题，控制效果的好坏直接影响了已建复杂建筑物的安全稳定及其它在建结构的施工效率与安全。针对此类问题，尤其是对于结构形式复杂且尺寸巨大的建筑结构，传统监测技术主要通过布置多个单点振动传感器来监测结构中重点部位振动响应，布置方法不系统，且缺乏依据，传统方法对结构形式简单、小尺寸建构筑物较为适用，但无法准确、全面地对复杂结构、大尺度建筑的整体振动评价作出有效判断。

鉴于上述问题，开发一种既能提高监测效率，又能改善建筑物整体评价效果的振动评价方法具有重要现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，该方法能够准确、系统、全面地确定大尺度复杂建筑结构的振动响应点的布设，在有效提高振动监测效率的同时，改善建筑物整体监测效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，包括如下步骤：

步骤1：将大尺度复杂建筑进行简化保留承重结构构件，再将承重结构构件按空间分布划分为i个长方体型式的空间结构，并将每个长方体型式的空间结构作为一个单元结构；

步骤2：每个单元结构中以实体边、实体面为基础部件，基础部件上任意测点到该单元结构中的约束固结点的最近距离代表该侧点的振动响应距离l_i；同时，依据柔度评估各个实体边、实体面的受振权重系数α_i，α_i＝λ_i/λ_max，λ_i为各实体边、实体面的柔度，λ_max为建筑物中所有承重结构构件中的最大柔度；

步骤3、根据步骤2的单元结构中各基础部件的振动响应距离l_i与其对应权重系数α_i，得到各单元结构中的各基础部件测点对应的自由程度r_i＝l_i×α_i；

步骤4、统计所有单元结构中的自由程度，找到最大自由程度r_max并将其作为单位1，无量纲归一化处理全部单元结构中所有基础部件的自由程度得到所有单元结构的自由率R_i的分布情况，即R_i＝r_i/r_max；

步骤5、将自由率单位1等间隔划分，在各单元结构中于自由率等间隔划分点对应的测点位置处布置振动传感器，从而对建筑振动响应进行有效监控。

进一步地，在步骤1中，在对复杂建筑物进行简化时，对非承重结构进行简化，保留承重结构，承重结构包括承重墙体、框架柱、支墩柱、楼板、梁。

进一步地，步骤2中柔度

其中，μ为长度因数，若承重构件两端被固定约束，取0.5，若承重构件四周均被固定约束，则取0.25；L为构件的最长边长度；I为构件的惯性矩；A为不含最长边的截面面积。

进一步地，步骤2中，测量实体边中点和实体面面心与固结约束点之间的距离l_imax作为该基础部件对应的振动响应距离范围的边界点，即该基础部件对应的振动响应距离范围为(0，l_imax)；

进一步地，步骤4中，第i个单元结构中各实体边中点、实体面面心对应的自由程度为各基础部件的最大自由程度r_imax，则各基础部件对应的自由程度范围为(0，r_imax)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过对大尺度复杂结构进行单元划分，并且统计主要承重构件的尺寸与柔度情况，能够全面、准确地判断每个单元结构的自由程度情况，再根据得到的自由度情况计算自由率并对整个结构的自由率分布进行划分，在保证准确划分复杂建筑物的自由程度情况下，将复杂建筑物各位置的受振影响进行量化，最后根据受振影响情况进行合理地布设监测传感器，从而高效准确地监测和评价大尺寸复杂建筑物的振动响应情况；不同于传统单点测量或重要部位测量，该方法对结构的系统化测量，在有效提高振动监测效率的同时，改善建筑物整体评价效果；本发明可广泛应用于水利水电、交通等领域的大尺度复杂建筑结构振动监测设计，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例一个典型单元结构1的自由程度划分示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

以某多层复杂建筑物为例进行说明。某多层复杂建筑物中设置有多种功能用途的结构布置型式，包括不同等级的酒店式房间，会议室场地，餐厅，廊道及影院等；上述功能区的建造结构复杂，不对称，造成了该建筑物本身的质量、刚度不均匀分布的复杂特征。

该建筑物的结构按承重特性划分，分为承重结构与非承重结构。承重结构是指直接将本身自重与各种外加作用力系统地传递给基础地基的主要结构构件，包括承重墙体、框架柱、支墩、楼板、梁等；承重结构能够为建筑物整体提供有效质量与刚度，对受质量、刚度影响较大的振动响应特性(自振频率)有很大反馈。非承重结构主要涉及自重轻，能够轻便提供功能作用的结构，如门窗、轻型隔音墙等，对自振频率影响很小，对振动特性的测量影响小。

在此复杂建筑的基础上，需开展振动响应监测及评价，考虑到本身结构的复杂性与工作量，以某一单点的测量结果反映建筑物整体响应的方法，代表性严重不足；而增加布点位置则需要考虑建筑物本身不均性所带来的巨大工作量。由此，本发明针对此问题，开发出了一种大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，对受振情况进行监测，见图1，具体步骤为：

步骤1、将大尺度复杂建筑进行简化保留承重结构构件，再将承重结构构件按空间分布划分为i个长方体型式的空间结构，并将每个长方体型式的空间结构作为一个单元结构；在该步骤中，将对结构振动响应特性影响很小的非承重结构简化，保留某多层复杂建筑的主要承重构件，包括承重墙体、框架柱、支墩柱、楼板、梁等；空间上，承重结构均可构成类似于长方体的空间，如房间的四周墙体与上下楼板，会议室中的四根支撑柱与楼板等。将承重结构按空间分布划分为i个长方体型式的空间结构，并将每个长方体型式的空间结构作为各个单元结构。以图2所示的单元结构1为例，进行详细说明。单元结构1中，四根支撑柱与上下楼板形成了长方体型式的空间结构，长10米，宽10米，高5米；

步骤2、单元结构中以实体边、实体面为基础部件，基础部件上任意测点到该单元结构中的约束固结点的最近距离代表该侧点的振动响应距离l_i；同时，依据柔度评估各个实体边、实体面的受振权重系数α_i，α_i＝λ_i/λ_max，λ_i为各实体边、实体面的柔度，λ_max为复杂建筑物所有承重结构构件的最大柔度。在图2中的单元结构1中，四根支撑柱作为实体边，上、下楼板作为实体面。实体边和实体面上各测点到约束固结点的最近距离代表该侧点的振动响应距离l_i；其中，由于实体边中点、实体面面心距离固结约束点最远，具有最大振动影响距离l_imax，则各基础部件的振动响应距离范围为(0，l_imax)，且由于实体边的中点与实体面的面心在构件中受约束影响最小，振动响应程度相对较大，因此将实体边的中点与实体面的面心分别作为实体边构件与实体面构件的振动响应距离范围的测量点。测量图2中各实体边中点、各面面心到单元结构中固结约束角点的距离l_imax，得到如表1所示的数据。

表1单元结构1各构件振动响应距离统计(单位：米)

单元结构1中，各构件的权重系数α_i依据构件的柔度λ评定，

其中，μ为长度因数，若承重构件受两端固定约束，取0.5；若承重构件四周均被固定约束，则取0.25；L为构件的最长边长度；I为构件的惯性矩；A为不含最长边的截面面积。α_i＝λ_i/λ_max，λ_max为复杂建筑物中所有承重构件所具有的最大柔度；λ_max在本结构中对应于影院所处单元结构的楼板构件，

单元结构1中α_i，具体如下表2所示；

表2单元结构1各构件权重系数统计

步骤3、根据步骤2中的各长方体单元结构中主要构件的振动响应距离范围与其对应权重系数，得到各单元结构中的自由度程度范围r_i＝l_i×α_i，代表该单元结构中各个构件的振动响应程度，如表2所示；

表2单元结构1自由程度计算(单位：米)

步骤4、统计所有单元结构中的自由程度，找到最大自由程度r_max并将其作为单位1，无量纲归一化处理全部单元结构中所有基础部件的自由程度得到所有单元结构的自由率R_i的分布情况，即R_i＝r_i/r_max。

基于上述单元结构1的自由程度计算过程，对复杂结构中所有长方体型式结构的自由程度进行计算，得到了整体复杂建筑建构中的多个单元结构的自由程度结果。其中，影院所处单元结构中，影院区的楼板面心位置出现最大振动响应程度的情况，最大自由度程度r_max＝11.2×1.0＝11.2，即楼板面心到固结角点的振动响应距离为11.2米，权重系数为最大值：1.0；该单元结构中其他构件的自由程度均小于11.2，由此得到，影院所处单元结构的自由程度范围为0～11.2。而餐厅、住宿房间及廊道的自由程度分别为0～4.2、0～0.8、0～0.6，即响应距离分别为14米、4米、3米，权重系数分别为0.3、0.2、0.2，最大自由程度分别对应4.2、0.8、0.6。

综上，复杂结构中所有单元结构的最大自由程度处于影院区楼板面心的r_max＝11.2，将r_max＝11.2作为单位1，无量纲归一化处理全部单元结构中所有承重构件的自由程度，所有单元结构的归一化结果，称为自由率分布；复杂结构中影院、餐厅、住宿房间及廊道的最大自由率分别为1、0.38、0.07、0.05。以单元结构1为例，给出其中所有具体构件的自由率范围，反映对振动响应的反馈程度。

表3单元结构1自由率统计

步骤5、将自由率单位1等间隔划分，在各单元结构中于自由率等间隔划分点对应的测点位置处布置振动传感器，从而对建筑振动响应进行有效监控。自由率能够将整体的振动响应特性良好的综合判断，因此，将自由率以0.1的间隔等份划分，于结构中自由率为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0对应位置布置振动传感器，当然，在别的实施例中，也可以将自由率以0.05或者0.2的间隔减小等间隔划分，从而对建筑振动响应进行全面系统准确地监测；既能反映该复杂建筑的整体性，表征振动特性合理且有代表性，又能控制工作量，提高测量效率。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将大尺度复杂建筑进行简化保留承重结构构件，再将承重结构构件按空间分布划分为i个长方体型式的空间结构，并将每个长方体型式的空间结构作为一个单元结构；

步骤2：每个单元结构中以实体边、实体面为基础部件，基础部件上任意测点到该单元结构中的约束固结点的最近距离代表该侧点的振动响应距离l_i；同时，依据柔度评估各个实体边、实体面的受振权重系数α_i，α_i＝λ_i/λ_max，λ_i为各实体边、实体面对应的柔度，λ_max为建筑物中所有承重结构构件中的最大柔度；

步骤3、根据步骤2的单元结构中各基础部件的振动响应距离l_i与其对应权重系数α_i，得到各单元结构中的各基础部件测点对应的自由程度r_i＝l_i×α_i；

步骤4、统计所有单元结构中的自由程度，找到最大自由程度r_max并将其作为单位1，无量纲归一化处理全部单元结构中所有基础部件的自由程度，得到所有单元结构的自由率R_i的分布情况，即R_i＝r_i/r_max；

步骤5、将自由率单位1等间隔划分，在各单元结构中于自由率等间隔划分点对应的测点位置处布置振动传感器，从而对建筑振动响应进行有效监控。

2.根据权利要求1所述的大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，其特征在于，在步骤1中，在对复杂建筑物进行简化时，对非承重结构进行简化，保留承重结构，承重结构包括承重墙体、框架柱、支墩柱、楼板、梁。

3.根据权利要求1所述的大尺度复杂建筑结构振动响应监测方法，其特征在于，步骤2中柔度

其中，μ为长度因数，若承重构件两端被固定约束，取0.5，若承重构件四周均被固定约束，则取0.25；L为构件的最长边长度；I为构件的惯性矩；A为不含最长边的截面面积。

4.根据权利要求1所述的大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，其特征在于，步骤2中，测量实体边中点和实体面面心与固结约束点之间的距离l_imax作为该基础部件对应的振动响应距离范围的边界点，即该基础部件对应的振动响应距离范围为(0，l_imax)。

5.根据权利要求1所述的大尺度复杂建筑结构振动响应的监测方法，其特征在于，步骤4中，第i个单元结构中各实体边中点、实体面面心对应的自由程度为各基础部件的最大自由程度r_imax，则各基础部件对应的自由程度范围为(0，r_imax)。

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