CN114018582A - 基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及城市基础设施建设领域，具体公开了一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统及方法，所述系统包括振动传感器1、数据线2、采集仪3、终端4；所述振动传感器1为铅垂向振动传感器，且具备防水功能；所述振动传感器1通过数据线2与所述采集仪3连接；所述采集仪3内部设置有无线模块，通过无线通讯与终端4进行实时数据传输；每个管段至少设置3个所述振动传感器1，本发明通过对管涵结构的振动特性，比如固有频率、模态、阻尼比进行长期监测，从而对管涵结构的监控状态进行长期监测，同时本发明也能够对外部振源引起的管涵结构的振动响应进行实时长期监测，及时对外部风险进行预警。
Description
技术领域
本发明涉及城市基础设施建设领域，具体公开了一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统及方法。
背景技术
排水管涵尤其污水管涵长期处于多种物理、化学及生物腐蚀源的恶劣环境下，管壁材料易逐渐发生腐蚀，使得壁厚减小，从而承载力减弱。排水管涵除了自身内部风险外，还存在外部风险，比如排水管涵结构可能会受到建设单位在管线保护范围内从事爆破、钻探、打桩、顶进、挖掘、取土等施工的影响。
目前，对于管涵结构的检测主要为管内CCTV视频检测或从管外进行局部开挖，将管涵结构暴露出来后，采用冲击回波法、雷达法以及超声法等无损方法进行壁厚检测。对于管涵结构，尤其特大排水管涵，通常难以降低水位进行管内CCTV视频检测，而且不管是管内CCTV视频检测还是管外采用冲击回波法、雷达法以及超声法等方法进行检测，均无法对结构进行实时的长期健康监测，而管涵结构的损伤是处于不断累积的过程，当损伤达到一定程度时，则会引起管涵结构的破坏，造成地面塌陷、污水外冒、污染环境等，严重影响城市正常运行。
对于相邻工程对排水管涵的影响，目前管理部门采取的管理办法主要包括(1)划定排水管道保护范围；(2)要求相邻工程建设单位制定相关保护方案并且保护方案应当经专家论证通过后，报市或者区水务部门备案等。但这些管理办法对于未备案的相邻工程，有时可能难以做到及时有效监管。同时，即便是备案的相邻工程在施工过程中也难免保证所有施工工况均对管涵无影响。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统及方法。振动特性比如固有频率、模态振型和阻尼比只与结构本身(比如质量、刚度等)有关，而与外界的激励无关。当管涵受到损伤后(比如结构开裂、混凝土腐蚀等)，其刚度则会减小，从而其振动特性也会改变，并且随着损伤程度的增加，其振动特性的变化程度也增加。因此，理论上，通过对管涵结构进行模态测试，得到管涵结构的振动特性参数，然后与初始状态的振动特性进行比较，能够识别管涵结构是否损伤以及损伤程度。
本发明的技术方案如下：
一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统，其特征在于，包括振动传感器、数据线、采集仪、终端；所述振动传感器为铅垂向振动传感器，且具备防水功能；所述振动传感器通过数据线与所述采集仪连接；所述采集仪内部设置有无线模块，通过无线通讯与终端进行实时数据传输；每个管段至少设置3个所述振动传感器。
进一步的，上述一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统，每个管段设置3个所述振动传感器。
进一步的，上述一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统在管涵检测中的布置方法，包括将采集仪设置在管涵顶部的覆土之上，并在管涵顶部沿纵向固定3个振动传感器，前后2个分别位于同一根管涵的前后两条伸缩缝处，中间的振动传感器到上述两条伸缩缝的距离相等。
进一步的上述基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1振动设备安装及振动监测：在管涵顶部沿纵向固定若干振动传感器(一个管段至少布置三个测点)，并通过采集仪以及无线传输模块将振动时程曲线实时传输到终端。
S2初始振动特性参数获取，在常时微振环境下采集一段振动时程曲线(时长宜大于2小时)，通过模态分析(存在成熟算法，比如随机子空间法)，得到初始固有频率ωc和初始模态振型
S3背景振动幅值获取，在常时微振环境下采集一段振动时程曲线(时长可取24小时)，计算背景振动峰值
式中：x(t)----振动时程曲线。
S4实时获取振动特性参数，设置模态分析数据长度以及数据偏移量，模态分析数据长度可取1小时，数据偏移量可根据计算机的计算能力而定，比如设为1天，即每天计算得到一组振动特性参数，即固有频率ωs和模态振型
S5实时计算损伤指标，基于初始振动特性参数和实时的振动特性参数，计算频率变化率Δω′和模态相似指数MSI。
式中：ωs----实时固有频率
ωc----初始固有频率
式中：
----实时模态振型
S6结构损伤预警
表中数值为一般规律，根据不同项目会存在调整。
S7实时计算振动响应，设置振动响应分析数据长度以及数据偏移量，每隔一段时间得到一组振动幅值峰值
并计算振幅峰值变化率ΔX′max。
S8振动响应预警
表中数值为一般规律，根据不同项目会存在调整。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统及方法，通过对管涵结构的振动特性，比如固有频率、模态、阻尼比进行长期监测，从而对管涵结构的监控状态进行长期监测。同时本发明也能够对外部振源引起的管涵结构的振动响应进行实时长期监测，及时对外部风险进行预警，同时也能及时发现非法(未备案)施工情况。
附图说明
图1为本发明中一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控方法流程图；
图2为本发明中一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统结构示意图；
图3为本发明中一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统使用状态图；
图4(a)-(c)为实施例中箱涵结构振动时程曲线；
图5(a)-(b)为箱涵结构一阶模态阵型；
其中：1-振动传感器、2-数据线、3-采集仪、4-终端、5-管涵、6-覆土、7-管涵伸缩缝。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
参考图1的流程和图2的结构示意图进行本实施例。
一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统，包括振动传感器1、数据线2、采集仪3、终端4；所述振动传感器1为铅垂向振动传感器，且具备防水功能；所述振动传感器1通过数据线2与所述采集仪3连接；所述采集仪3内部设置有无线模块，通过无线通讯与终端4进行实时数据传输；每个管段设置3个所述振动传感器1。
上述监控系统在管涵5检测中的布置方法，包括将采集仪3设置在管涵5顶部的覆土6之上，并在管涵5顶部沿纵向固定3个振动传感器1，前后2个分别位于同一根管涵5的前后两条伸缩缝7处，中间的振动传感器1到上述两条伸缩缝7的距离相等。
基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，包括以下具体步骤：
S1在某箱涵管段的两头和中部各布置一个铅垂向振动传感器1，共布置三个铅垂向振动传感器1，见图3。可以实时采集振动信号，并通过5G模块，将振动信号实时传输的到终端4，见图4(a)。
S2初始振动特性参数获取，截取2个小时的振动时程曲线，通过模态分析，计算出一阶固有频率ωc和一阶模态振型
比如ωc＝0.5Hz，
见图5(a)。
S3背景振动幅值获取，常时微振环境下，统计箱涵24小时的振动幅值最大值，比如
S4每天计算进行一次振动特性参数，即每天截取2小时的振动数据，采用随机子空间法进行模态分析(模态分析方法为公知，存在现成的算法)，得到一阶固有频率和一阶振型。比如某一天的监测结果为：一阶固有频率ωs＝4.8Hz，一阶振型
如图5(b)。
S5计算频率变化率Δω′和模态相似指数MSI。
S6结构损伤报警，频率变化率Δω′小于5％,表示无明显损伤，模态相似指数MSI大于0.9，同样表示无明显损伤，综合表明，目前箱涵状态属于无明显损伤。
如果根据频率变化率和模态相似指数的判断结果不同，应按照严重的结果进行综合判定。比如，频率变化率属于区间[10％，15％)，为中度损伤，而模态相似指数属于区间(0.7,0.9]，为轻微损伤，则综合判定为中度损伤。
S7实时计算振动响应，截取一段振动数据，见图4(b)，统计其最大值
进而计算振幅幅值变化率：
S8振动响应预警，ΔX′max小于20％，故为无明显异常。
如果箱涵附近存在明显振源，使得箱涵振动明显增大，此时再截取一段振动数据，见图4(c)，统计其最大值
进而计算振幅幅值变化率ΔX′max＝180％。大于100％，为高风险。如果高风险出现的次数较高，则认为箱涵周围可能出现危害箱涵安全的施工振动，此时管理单位可派员进行巡视检查。
综上所述，本发明的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统及方法，通过对管涵结构的振动特性，比如固有频率、模态、阻尼比进行长期监测，从而对管涵结构的监控状态进行长期监测。同时本发明也能够对外部振源引起的管涵结构的振动响应进行实时长期监测，及时对外部风险进行预警，同时也能及时发现非法(未备案)施工情况。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统，其特征在于，包括振动传感器(1)、数据线(2)、采集仪(3)、终端(4)；所述振动传感器(1)为铅垂向振动传感器，且具备防水功能；所述振动传感器(1)通过数据线(2)与所述采集仪(3)连接；所述采集仪(3)内部设置有无线模块，通过无线通讯与终端(4)进行实时数据传输；每个管段至少设置3个所述振动传感器(1)。
2.如权利要求1所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统，其特征在于，每个管段设置3个所述振动传感器(1)。
3.如权利要求1所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统在管涵(5)检测中的布置方法，其特征在于，包括将采集仪(3)设置在管涵(5)顶部的覆土(6)之上，并在管涵(5)顶部沿纵向固定3个振动传感器(1)，前后2个分别位于同一根管涵(5)的前后两条伸缩缝(7)处，中间的振动传感器(1)到上述两条伸缩缝(7)的距离相等。
4.如权利要求1所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1振动设备安装及振动监测：在管涵顶部沿纵向固定若干振动传感器(1)，并通过采集仪(3)以及无线传输模块将振动时程曲线实时传输到终端(4)；
S2初始振动特性参数获取：在常时微振环境下采集一段振动时程曲线，通过模态分析；得到初始固有频率ωc和初始模态振型
S3背景振动幅值获取，在常时微振环境下采集一段振动时程曲线，计算背景振动峰值
如下式，
式中：x(t)----振动时程曲线；
S4实时获取振动特性参数：设置模态分析数据长度以及数据偏移量，得到一组振动特性参数，即固有频率ωs和模态振型
S5实时计算损伤指标：基于初始振动特性参数和实时的振动特性参数，计算频率变化率Δω′和模态相似指数MSI；如下式，
式中：ωs----实时固有频率
ωc----初始固有频率
式中：
----实时模态振型
S6结构损伤预警：按下表参数进行结构损伤预警风险评估
S7实时计算振动响应：设置振动响应分析数据长度以及数据偏移量，每隔一段时间得到一组振动幅值峰值
并计算振幅峰值变化率ΔX′max，如下式，
S8振动响应预警：按下表参数进行振动响应预警风险评估
5.根据权利要求4所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S1振动设备安装及振动监测中，一个管段至少布置三个测点。
6.根据权利要求4所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S2初始振动特性参数获取中，所述采集一段振动时程曲线的时间大于等于2小时；所述模态分析的算法为随机子空间法。
7.根据权利要求4所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S3背景振动幅值获取中，所述采集一段振动时程曲线的时间大于等于24小时。
8.根据权利要求4所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S4实时获取振动特性参数中，模态分析数据长度取1小时，数据偏移量为一天。
9.根据权利要求4所述的基于振动特性的管涵结构健康与外部风险监控系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S6结构损伤预警和步骤S8振动响应预警中的参数根据项目不同而变化。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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