TW201233986A - Method for analyzing structure safety - Google Patents

Description

201233986 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與一種結構體安全性之分析方法有關，並可 應用至基礎建設，如橋梁、捷運設施、軌道、水利水保設 施、邊坡等結構於多重災害之安全性監視與長期行為的評 估判斷。特別是振動量測後之訊號，利用校調結構體模型 的相互回饋進行災害境況模擬，1求取結構體臨界狀況受 力與變形規模，進而評估結構體的安全性。 【先前技術】 口灣河川多屬坡陡流急 母千家雨或颱風挾帶< 洪流衝擊下，往往造成各種基礎結構⑽，如橋梁、捷马 設施、軌道、水利水保設施、邊坡等結構體受災損壞。 現有對於結構體安全評估之研究以及技術，均是以, 一裝置或單-流程方法為基礎開發提出。諸如臺灣專利々 告第381177號，「非破壞性結構安 檢測方法」，乃利用j 橋梁橋面上設置多點的載重裝置， 用揸擊產生振動而i 心不同的頻率反應位置，進而找出橋梁㈣# m _ =利公告第⑽洲號，「建築物耐震安全診斷評估: 聚置」，乃利用一決策流程以及裝， 、，來分析單一建筚物 縫、銹蝕、蛀腐、滲水等的程度。臺 、 0. 「 3寻利公開第2007412丨 ； 工程結構體安全檢測方法,，§ι1 主要先於待測結構 201233986 上佈設一個以上之無線智能型傳感器，該智能型傳感器會 .镇測結構體之震動頻率’經由運算後傳送至另一個無線智 '忐型傳感器，再中繼傳送至遠端電腦主機作處理後，即可 產生該結構體是否有弱化之判讀資料。臺灣專利公開第 200848299號’「轨道運輸之即時安全監測系統」，為一種 轨道運輸之即時安全監測系統，係包括有複數個感測器缸 佈建在轨道之選定監測點’用以量測車輛在經過該振動感 ♦測器位在該軌道之選定監測點位置時的振動訊號再依據 該取得之監測參數與該選定監測點 < 自然頻率之偏移量而 判別軌道之異常狀況。而美國專利公告第6192758號， 「Stmcture safety inspecti〇n」，係為一種橋梁結構體的損 壞檢測方法，其係先於橋梁上置放一待測體，再利用一車 輛於橋梁上行駛，並偵測車輛行駛時所產生的振動對待測 體的影響程度，若低於-預設值，則橋梁安全無虞；若高 ® 於預&又值，則產生橋梁危險訊息。美國專利公告第5255565 號’「Method and apparatus for monit〇ring 福“_ p〇ints 〇n a vibrating structure」，則揭露一種震動體多點監測裝置， 其係將橋梁的振動訊號利用FFT轉換成頻域訊號後，再計 算此頻域訊號來判斷橋梁結構是否損壞。日本專利公告第 06094583 號，「Method f〇r inspecting Fixed c〇nditi〇n 〇r

Bridge Pier and Iis Device」，揭露一種橋墩安全監測方法， 其係於橋墩的水平方向與垂直方向各配置複數感應器

I ^ J 4 201233986 透過FFT凌伯.w> 貞Μ橋墩震動時的擺動中心，藉以判斷橋墩是 否毀損。 子於上述的習用技術，大多均揭示利用複數感測器來 m體的震動量’再透過快速傅立葉轉換（)或其 他方式將震動量訊號轉變成頻域訊號後，並根據此頻域訊 號來進行結構體的安全性評估。 综觀前述之發明，其等具有下列技術盲點： 1. 里冽對象僅為單一結構物的單一構件問題，1多針對於 表面劣化等行為判定，而無法對整體結構物安全性進行 判定。 2. 上述$用技術裝置實際應用的最大問題為現場量測的精 確度無法與結構體真正結纟，因@無法完全瞭解結構體 的行為。 3. 上述習用技術的量測結果均為直接透過fft或其他方式 將振動量訊號轉變成頻率域後，來進行結構分析，並無 提及如何解決訊號失真的問題。 4. 上述習用技術的量測對象僅為單一評估方法，無法掌握 結構體長期變化趨勢，同時對於結構體遭遇多次灸害事 件時’無法有效反應結構體實際臨界肤π ^ ^ …叭况，並進行全時 域訊號擷取分析。 有鑑於上述缺憾’發明人有感其未臻於〜Μ 啼％元善，遂竭其 心智悉心研究克服’憑其從事該項產業吝生> 卞夕年之累積經驗， 5 201233986 進而研發出-種結構體安全性之分析方法，以解決上述缺 撼者。 【發明内容】 八本發明之主要發明目的在於提供-種結構體安全性之 法其係透過結合振動量測與時間域訊號頻譜分析 來操取頻譜特徵物理量，並利用校調結構體模型的相互回 饋’來進行災害境況模擬與求取結構體臨界狀況的受力與 變形規模’並進而分析結構體的安全性。 為達上述目的，本創作之實現技術如下： —種結構體安全性之分析方法，其包含下列步驟：（a) 於-待測結構體上配置複數震動感應裝置；(b)利用該複 數震動感應裝置㈣待測結構體進行初始振動量測，並建 立其之基本資訊；（c)擷取該待測結構體之連續時域震動 訊號；U)利用快速傅立葉將該連續時域震動訊號轉換成 -頻域震動訊號；（e)對該頻域震動訊號進行濾波，以決 定所要分析的頻率範圍；以及（f)制移動平均法以固定 間隔時間的方式來分析該頻域震動訊號，1完成該待測结 構體安全性之分析。 熟習本技術的人士於檢視下面圖式與詳細說明時，便 可明白本發明的其它可能系，統、方法、特點、以及優點。 所有此等額外的系統、方法、特點、以及優點，均屬涵蓋 於本說明之中，涵蓋於本發明内容之中，並且受到隨附钬 201233986 請專利範圍的保護。 【實施方式】

參閱第1圖，係為本發明結構體安全性之分析方法實 施流程圖’如圖所示：結構體在初始建造完成時，如已建 立其振動頻率與模態之基本f訊時，此一f訊可作為結構 狀況頻率的初始資料’但對於沒有初始資料之既有結構體 的情況下，則必須先行檢測並建立初始振動資訊以作為 後續做長期監測的基準點。不論是新建造或既有之結構 體’都必須於一待測結構體上配置複數震動感應裝置（步 驟S1)，以利用該複數震動感應裝置對未具有初使資料之 該待測結構體進行初始振動量測，並建立其基本資訊（步 驟S2)。當結構體經過長時間的歷程後，其基本資訊（如 結構鋼性與偏移量）可能會有些許的改變，因此就必須再 進订，-人的调校，以更新待測結構體最新的基本資訊。 當地震或其他震動狀況發生時，複數震動感應裝置就 會擷取该待測結構體之連續時域震動訊號（步驟S3 )。複 數震動感應裝置亦會以有線或無線的方式，將連續時域震 動訊號傳輸至監M 士 ^ ^ 、 控中心的主機，該監控中心的主機就會利 用！·夬速傅立葉（FFT )，將該連續時域震動訊號轉換成一頻 域震動Λ號（步驟S4 )’並對該頻域震動訊號進行遽波， M決定所要分析的頻率範圍（步冑S5)。最後，監控中心 的主機則利用移動平均法1固定間隔時間的方式來:分析 201233986 該頻域震動訊號’並與該待測結構體之基本資訊進行分析 比對，而完成該待測結構體安全性之分析（步驟S6)。 此外，於步驟si中，複數震動感應裝置之位置配置， 最理想的所在則是於待測結構體震動模態較顯著的位置為 佳。以橋梁為例，橋面板中點常為震動最大之位置，但該 處之振動反應特性常被橋面版之局部震動模態所控制，而 無法展現橋墩基礎之情況。纟橋墩對應t帽樑位置或帽樑 上方之橋面版伸縮縫位置之振動’則直接反應了橋墩對土 壤互制系統之特性，因而較能呈現橋墩基礎之情況。故複 數展動感應裝置位置通常會配置於結構體上、構件與構件 之間、以及震動較大處。如在後續檢測中如發現與基本資 訊有變化，即可判斷當時的健康狀況。故在分析初期，應 先進行初始震動量測，建立其基本資訊，作為結構模型之 參考。而後每年（或一特定時間）定期量測，用以修正結 構模型和檢視橋梁健康狀況。 在步驟S5中’更包含利用窗型函數（window Function ) 來減低因為截斷該連續時域震動訊號，對該頻域震動訊號 所引起的Gibbs現象。另，由於待測結構體的震動反應多 為低頻反應，故本發明多採用高通濾波器（Highpass filter) 寬帶遽波（Bandpass filter、Bandstop filter)等來指定所 要分析的頻率範圍。 在步驟S6中，為了避免人為選取分析時間區間而造成Η』 8 201233986 結構體顯著頻率的忽略或失真現象，故利用移動平均（ Moving average)技術，將欲分析之事件時間區間，再細分 為固定間隔時間來分析該頻域震動訊號，並加以平均。此 ，其優點在於經由 技術可用來改善其人為選取不當的誤差 平均之後，原本誤為主頻的部分可消、兒，而使結構物真正 的顯著頻率可以顯現出纟。最後，經由每段時間區間所做

出之移動平均頻譜圖之後’操取在固定頻率範圍内之振幅 前三個最大的頻率數對（包含頻率與相對振幅)，做出其: 之平均值、最大值以及臨界值頻率與時間之關係圖，:;進 行待測構體安全性的分析。 、 2圖，其係為本發明之結構體安全性之八析方 法實施方塊圖’如圖所示：本發明之分析流程為先^利用 震動量測來回饋結構物模型，擷取結構振動行為的特徵， 訊號分析可藉由動態擷取時間域上的訊號處理，並 構物模型之境況模擬分析，最終擷取結構物穩定度之—八 狀況指標，進而評估結構物的安全。即 ：：王 古、土土 <振動量測 方去’來建立結構物不同結構單元之

Modp、.并 ^ ( Feature ，並配合結構數值分析模型加以校 物mM极擬結構 、，、、'寺徵。隨後利用結構物不同部位、不 形盥蠻弗处.口 ▲ +问之受力情 乂狀况，瞭解振動頻譜中的反應，進而 間相關的頻碰特°取出與時 鴻^特徵反應，訂立結構行為特徵 構整體安全狀3 τ从評估結 狀况。接者利用動態榻取方式，分析頻譜頻率。 [J ] 9 201233986 肖、線卩…則結構臨界狀況（例#橋梁臨界沖刷 深度、結構物健全度等）。並推廣應用至各種結構體長期行 為監測與安全評估1及軌道結構異常狀況之判定與評 估β震動發生時，可利用量測結果之訊號振幅來判斷結 構物受外力的大小以及環境變化的情形。 本發明的特色包括：

a.量測對象可為各種土木設施結構物，利用車輛行驶（如 橋梁、捷運等）或環境微震（邊坡、水力設施）作為振 動源’解決以往振動量測振動源規模、能量不足，與操 作穩定性維持不易問題。 b·利用校調結構模型的相互回饋進行哭害境况模擬，並求 取結構臨界狀況受力與變形規模’進而評估結構物的安 全性。真正與實際結構物振動行為相結合，且求取出之 結構物安全指標為真正符合現地狀況之結構物臨界狀況 指標。 c.量測結果透過包含FFT或其他方式將震動訊號轉頻率域 刀析，並以動態棟取方式，分析頻率對時間關係之時間 域直接分析，而可避免訊^失真問題。且配合結構模型 產出模態訊號相互回饋，給予訊號結果之物理涵意，可 避免傳統訊號處理無物理意義之問題。 d·全時域連續性訊號擷取技術’可避免單一量測無法代表 整體結構行為之缺點。 201233986 e.應用廣泛性，即量

Ml结果可直接應用於 評估，如應用於結構物平時環境變化…害 測、長期結構物健康監測、趟風或豪雨狀定性監 警系統、事件後結構體敎度是否恢復知測預 受多重災宝之容八π 、、去構體 ° 王§平估以及結構體行為之長期t、目丨丨 估，與維護管理等等。 識測、评 經由前述之步驟，利用震 Ρ弓曰、Β,次 、〇果可續'出在現埸县 時間"測資料下其頻率對時間、振幅對時間關係圖 結構物因外力受關係圓。通常 故繳…- …構勁度（Stiffness)會有所 ，、，、。才勁度改變’表現在外的就以其振 顯。所以當結構物頻率有 丰最為明 低變化時，並配合其發田須丰產生兩 生的連續時間來顯示此一頻率轡 化，就可判斷是否有安全上的顧肩。頻革變 第3圖與第4圖所 …、見以驗結果可見 發明八析程“ ®為本發明待測結構體利用本 货明分析程序所得出二 m 炎°則後頻率對時間關係圖，第4 圖為待測結構體利用本發明 ^ 幅對時間關係圖。利用 戶斤得出之炎害前後振 時間關係圖…：明之分析結果所做出之頻率對 臨時外力^ 前’結構物頻率較高，當災害來 4 …振幅隨時間增加’頻率隨時間下降。待災 ㈣ 斜均回至正常1此，將有助於 '、解結構物在受災時是 m^ 產生知傷、損傷的嚴重程度、損 傷的可能位置，以及可以預警的時間差。 、 201233986 此外，當結構體遭受損傷時，由於勁度下降，其自然 頻率會降低；另由於裂縫增加或應變增大，將導致阻尼增 加；再者，因損傷造成系統勁度重新分配，而造成振動模 態產生變化。在擷取結構物有效之頻譜特徵值後，必須加 入數值模型進行臨界狀況分析，判斷該座結構物是否有' = 險之虞。 由於現場實際環境狀況不易完整瞭解，且各類震源特 性難以掌握，使得不同時空環境下之震動量測資料不易'直 接比較。因此，利用前述之訊號取得方式可用於歸納着清 各類震源之特性’除了作為震動資料分析與判釋之參考依 據外’並可作為即時監測時自動化掏取與筛選資料之判斷 依據。而由前述所建立的結構物數值模型，可進行各種災 害下結構物反應的破壞情形檢測，以作為安全評估之門播 值的參考。 μ 當結構體受外力變化時，頻率有所異常改變，配合發 生的連續時間展示此—頻率變化，當頻率產生高低變化 時’配合時間域和頻率域上的振幅大小、結構體位移情形、 數值模型之門檻值判定等多重指標，便可綜合評估結構物 是否有安全上的顧慮。以上所稱特徵指標，可以設計成一 智慧型之監測儀g ^ T t n . 儀器（Intelhgent Sens〇r)以作為結構受災反 應後的評估’此—設計必須考量結構物反應之物理量的大 圍以及置測精準度的要求，方能擷取出有效之結 一。[S ] 12 201233986 構頻譜特徵反應。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 :本毛明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 ，範圍内’當可作些許之更動與潤飾因此本發明之保護 範圍當視後附之巾請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖 為本發明之結構體安全性之分析方法實施流程 園， 第2圖 為本發明之結構體安全性之分析方法實施方塊 圖； 為本發明相結構體利用本發明分析程序所得 出之災害前後頻率對時間關係圖； 為待測結構體利用本 个赞明刀析斧主序所得出之災 害前後振幅對時間關係圖。【主要元件符號說明】 S1〜S6 結構體安全性之分柄ft# 刀析方法實施流程圖編號。 第 圖 m 13

Claims (1)

1. 201233986 七、申請專利範圍： 1. 一種結構體安全性之分析方法’係包含下列步驟： (a) 於一待測結構體上配置複數震動感應裝置； (b) 利用該複數震動感應裝置對該待測結構體進 行初始振動量測，並建立其基本資訊； (c )操取該待測結構體之連續時域震動訊號，並 利用快速傅立葉將該連續時域震動訊號，轉 換成一頻域震動訊號； (d ) 對該頻域震動訊號進行濾波，以決定所要分 析的頻率範圍；以及 (e)利用移動平均法以固定間隔時間的方式來分析 該頻域震動訊號’並完成該待測結構體安全 性之分析。 2. 根據申請專利範圍第1項所述之結構體安全性之分析方 法’其中於步驟（b )中，該複數震動感應裝置係以有線 或無線的方式將連續時域震動訊號傳輸至一監控中心的 主機。 之分析方 的主機以 頰域震動 3 ·根據申請專利範圍第1項所述之結構體安全性 法’其中於步驟（c )中，其係利用該監控中心 快速傅立葉將該連續時域震動訊號，轉換成該 訊號。 4.根據申請專利範圍第 1項所述之結構體安全性 之分析方 S] 14 201233986 法，其中於步驟（c)中， 包 ^·|| 用 因為截斷該連續時试雪 窗型函數來減低 寸域震動訊號，對該 起的Gibbs現象的步驟。 只屬震動訊號所引 丨·根據申清專利範圍第1馆 所述之結構體安八 法，其中於步驟（d)中 眭之刀析方 ’更包含利用—高 寬帶濾波器，來指定所I八α 门通濾波益或一 疋所要分析的頻率範圍。 根據申請專利範圍第1項所述之結構體安全性之分析方 法，其中於步驟（e)巾，更包含經由每段時間區間所做 出之移動平均頻譜圖之後，棟取固定頻率範圍内之振幅 前三個最大的頻率數對，並做出其平均值、最大值以及 臨界值頻率與時間關係圖，以進行該待測構體安全性的 分析。

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