建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉影 王飛 閻婷 康現(xiàn)棟

引言

建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)記錄是抗震設(shè)計(jì)、震害評(píng)估、健康診斷、震后加固與重建、地震報(bào)警、烈度速報(bào)等多項(xiàng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)資料。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣朝著智能化、多功能化、精細(xì)化方向發(fā)展。例如，迪拜世貿(mào)中心結(jié)構(gòu)整體安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和快速評(píng)估系統(tǒng)可通過(guò)臺(tái)陣的實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取建筑物在遭遇破壞性地震后的實(shí)際損失情況、健康狀況，并提供可視化報(bào)道，用于地震損失評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)規(guī)劃。日本歐姆龍股份有限公司布設(shè)的結(jié)構(gòu)臺(tái)陣可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物剛度變化，地震時(shí)可通過(guò)ITK專用軟件分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)郵件或網(wǎng)站發(fā)送分析結(jié)果及應(yīng)急方案等資料，用戶可據(jù)此采取避難或補(bǔ)救措施。目前，我國(guó)現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)觀測(cè)系統(tǒng)僅用于強(qiáng)震觀測(cè)，需研究并建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與地震報(bào)警相結(jié)合的多功能結(jié)構(gòu)臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)，以滿足地震損失評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)規(guī)劃的需要。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)大型橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)研究較多。廣東省地震局建成的大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)“實(shí)現(xiàn)了橋梁強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸、分析、診斷、仿真和評(píng)估一體化”。西安建筑科技大學(xué)根據(jù)土建工程的實(shí)際需求,構(gòu)建了一套結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和結(jié)構(gòu)統(tǒng)一管理，在某跨河大橋施工監(jiān)測(cè)中取得良好效果。國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用很少，主要是對(duì)一些特殊建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。浙江大學(xué)研究、開(kāi)發(fā)的建筑安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)“可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)的配置管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和預(yù)警管理”。常見(jiàn)的國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要是用北斗、靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀等進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，沒(méi)有整合建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)需要的加速度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足不了地震損失評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)規(guī)劃的需要。

為了建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與地震報(bào)警相結(jié)合的多功能觀測(cè)臺(tái)陣系統(tǒng)，基于北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣，增加了輔助觀測(cè)手段，采用成熟穩(wěn)定的開(kāi)源軟件、利用北斗授時(shí)與定位、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等技術(shù)將數(shù)據(jù)整合入庫(kù)，搭建了北京市建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)以加速度傳感器監(jiān)測(cè)為主，輔以北斗、靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀和視頻等變形監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、處置、分析、模擬演示等功能。

監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)總體技術(shù)框架

（一）系統(tǒng)概述

系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用信息系統(tǒng)工程的思想方法，遵循先進(jìn)性、實(shí)用性、規(guī)范性、安全性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則。

優(yōu)先采用國(guó)家或行業(yè)已有標(biāo)準(zhǔn)、成熟技術(shù)和成熟穩(wěn)定的開(kāi)源軟件構(gòu)建平臺(tái)基礎(chǔ)，并充分考慮城市安全監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和開(kāi)發(fā)手段，全面支持各種應(yīng)用功能的擴(kuò)展。從標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)上保障系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、易維護(hù)性、開(kāi)放性和統(tǒng)一性，為今后整個(gè)軟件系統(tǒng)功能的完善、更新提供條件。

系統(tǒng)支持多用戶在線、多事務(wù)并發(fā)等規(guī)模化應(yīng)用模式，支持多用戶/多系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)的運(yùn)行采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器模式）結(jié)構(gòu)，用戶只要使用IE瀏覽器便可登錄使用本系統(tǒng)，對(duì)于部分復(fù)雜的圖形處理功能則采用B/S加載插件模式運(yùn)行，減少了客戶端系統(tǒng)的維護(hù)工作。

（二）監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

1.監(jiān)控平臺(tái)的系統(tǒng)框架

北京市建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)由前端系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、綜合展示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng)組成。其硬件系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)處理層級(jí)，可分為前端測(cè)點(diǎn)層、后端處理層、終端應(yīng)用層三層架構(gòu)，邏輯示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控平臺(tái)硬件系統(tǒng)框架

監(jiān)控平臺(tái)的功能模塊層級(jí)架構(gòu)如圖2所示。終端系統(tǒng)包含傳感器等前端測(cè)點(diǎn)層，后端處理層包含數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，終端應(yīng)用層則包含綜合展示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)相關(guān)的用戶接口部分。

圖2 監(jiān)控平臺(tái)功能模塊層級(jí)架構(gòu)

監(jiān)控平臺(tái)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、事件報(bào)警、報(bào)警處置、事件演示、日常報(bào)表等功能，平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)框架邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖3 監(jiān)控平臺(tái)功能邏輯框架

2.監(jiān)控平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)

采用以Java為主的成熟穩(wěn)定的開(kāi)源軟件構(gòu)建開(kāi)發(fā)框架，用于數(shù)據(jù)采集與接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、服務(wù)技術(shù)架構(gòu)及數(shù)據(jù)展示。用穩(wěn)定且免費(fèi)虛擬機(jī)軟件Centos（版本為Centos6）在Linux系統(tǒng)上搭建平臺(tái)，利用北斗授時(shí)與定位、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等技術(shù)將數(shù)據(jù)整合入庫(kù)。

監(jiān)控平臺(tái)支持Windows系統(tǒng)，平臺(tái)界面基于B/S結(jié)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)地址登錄。首頁(yè)顯示地圖信息、臺(tái)陣信息、臺(tái)陣狀態(tài)、報(bào)警統(tǒng)計(jì)、報(bào)警詳情，菜單欄有臺(tái)陣列表、事件演示、報(bào)警處置，如圖4所示。點(diǎn)擊臺(tái)陣列表和地圖上臺(tái)陣位置均可進(jìn)入相應(yīng)結(jié)構(gòu)臺(tái)陣的實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面。

圖4 監(jiān)控平臺(tái)首頁(yè)

監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用

平臺(tái)采用多手段動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形變，用北斗實(shí)測(cè)高精度水平位移、垂直位移校準(zhǔn)加速度計(jì)算位移，利用位移、傾斜、沉降多個(gè)檢測(cè)變量分析結(jié)構(gòu)形變；當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)參數(shù)超過(guò)設(shè)定觸發(fā)閾值，即發(fā)出分級(jí)報(bào)警處置信息，同時(shí)顯示建筑結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)；通過(guò)讀取模擬或者真實(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校正、濾波、譜分析后得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等自振特性；通過(guò)讀取模擬或者真實(shí)數(shù)據(jù)，也可模擬演示建筑的結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)。

（一）實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可獲得結(jié)構(gòu)和設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。監(jiān)控平臺(tái)首頁(yè)實(shí)時(shí)顯示臺(tái)陣狀態(tài)、報(bào)警信息，臺(tái)陣界面顯示監(jiān)測(cè)設(shè)備種類、數(shù)量、設(shè)備在建筑物上的安裝位置及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。北京市防震減災(zāi)大樓結(jié)構(gòu)臺(tái)陣監(jiān)控界面如圖5所示，選擇加速度計(jì)，即顯示加速度傳感器的安裝位置和加速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其他輔助監(jiān)測(cè)手段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示，北斗監(jiān)測(cè)終端可顯示樓頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的水平位移和垂直沉降量，傾斜傳感器終端可顯示第1至第7層各監(jiān)測(cè)點(diǎn)東西和南北方向的傾斜量，水準(zhǔn)儀終端可顯示地下二層4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量，視頻攝像機(jī)可記錄結(jié)構(gòu)的外觀變化。

圖5 監(jiān)控界面

圖6 輔助設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

（二）數(shù)據(jù)綜合分析

加速度實(shí)時(shí)記錄可用于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析，震后可用于結(jié)構(gòu)變形分析；北斗傳感器各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移可用于地震加速度的位移校準(zhǔn)；利用北斗和傾斜傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間位移角并判斷結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，也可用于結(jié)構(gòu)主體的傾斜、變形分析；靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降、變形分析；各監(jiān)測(cè)設(shè)備的累計(jì)數(shù)據(jù)可進(jìn)行沉降變形的趨勢(shì)分析。

（三）報(bào)警處置

當(dāng)記錄參數(shù)達(dá)到觸發(fā)閾值時(shí)平臺(tái)報(bào)警，通過(guò)設(shè)置不同級(jí)別的觸發(fā)閾值可實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警功能，報(bào)警的同時(shí)將地震信息推給維護(hù)、管理人員。根據(jù)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，將警報(bào)等級(jí)設(shè)為三級(jí)，一級(jí)“地震觸發(fā)，結(jié)構(gòu)安全，無(wú)須疏散”，二級(jí)“地震觸發(fā)，結(jié)構(gòu)破壞，有序疏散”，三級(jí)“地震觸發(fā)，結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)，緊急疏散”。報(bào)警處置界面如圖7所示，通過(guò)該界面可查看報(bào)警信息，進(jìn)行報(bào)警處置并生成報(bào)告。

圖7 報(bào)警處置界面

（四）模擬展示

進(jìn)入事件演示界面可從數(shù)據(jù)庫(kù)或電腦終端讀取加速度數(shù)據(jù)、臺(tái)陣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、傾角模型數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬演示。北京市防震減災(zāi)中心臺(tái)陣在強(qiáng)震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示界面如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示界面

結(jié)語(yǔ)與展望

平臺(tái)使用人員可登錄平臺(tái)檢查儀器的工作狀態(tài)，查看建筑健康狀況；也可登錄平臺(tái)讀取、處理實(shí)時(shí)記錄的加速度數(shù)據(jù)、分析結(jié)構(gòu)的自振振型，并根據(jù)加速度、位移、傾角等的日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展結(jié)構(gòu)的健康診斷。一旦有地震、爆炸、碰撞等事件發(fā)生，監(jiān)測(cè)設(shè)備即時(shí)觸發(fā)，記錄結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震動(dòng)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)、微觀和宏觀變形，直觀顯示結(jié)構(gòu)的破壞情況；同時(shí)發(fā)出分級(jí)報(bào)警信息，可實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)震后準(zhǔn)確評(píng)估和合理的應(yīng)急疏散方案制訂。

本平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)功能為建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一種參考模式，平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)放性強(qiáng)、可擴(kuò)充、易維護(hù)，便于推廣應(yīng)用，有助于推動(dòng)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣的多功能化、智能化發(fā)展。

目前，報(bào)警信息只能在線推送給相關(guān)責(zé)任人，不同指標(biāo)綜合判斷還需要人工操作，平臺(tái)加速度數(shù)據(jù)自動(dòng)處理還僅限于時(shí)間域。為解決以上問(wèn)題，科技人員正在開(kāi)發(fā)頻率域的實(shí)時(shí)波形展示功能，通過(guò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)的自振頻率變化實(shí)現(xiàn)建筑物剛度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；后續(xù)將拓展基于不同指標(biāo)的自動(dòng)綜合判斷功能，進(jìn)一步擴(kuò)展建筑結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的在線推送功能，并根據(jù)用戶需求開(kāi)展定制服務(wù)研發(fā)。

隨著監(jiān)控平臺(tái)的完善和數(shù)據(jù)綜合分析、應(yīng)用技術(shù)的提高，未來(lái)區(qū)域內(nèi)如能建成結(jié)構(gòu)類型和數(shù)量分布合理的結(jié)構(gòu)臺(tái)陣，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取單體建筑物在破壞性地震發(fā)生后的實(shí)際損失情況、健康狀況，將能由點(diǎn)及面實(shí)現(xiàn)震后準(zhǔn)確評(píng)估，滿足區(qū)域地震損失評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)規(guī)劃的需要。