基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)家基本建設(shè)的高速發(fā)展，大量的土木設(shè)施、交通、工民建以及山體護(hù)坡等各種各樣的構(gòu)筑物如雨后春筍般地拔地而起。然而，在地震或者洪水等比較重大的自然災(zāi)害發(fā)生后，如何快速準(zhǔn)確的對(duì)災(zāi)區(qū)構(gòu)筑物進(jìn)行狀態(tài)評(píng)定，確保盡快恢復(fù)交通等次序；在運(yùn)行使用一個(gè)時(shí)期后，構(gòu)筑物的安全健康狀態(tài)如何判斷，其構(gòu)筑物是否存在病害，如何及時(shí)準(zhǔn)確地找出病害結(jié)構(gòu)并進(jìn)行整治等安全體系的建立，目前已提入了我國(guó)各級(jí)管理機(jī)構(gòu)及管理者的議事日程，特別是在經(jīng)歷地震等自然災(zāi)害后，其構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)更是關(guān)注的焦點(diǎn)。并且，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)代，基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛展開，建設(shè)工程質(zhì)量、既有構(gòu)筑物的安全狀態(tài)等構(gòu)筑物安全監(jiān)控指標(biāo)愈來愈被有關(guān)管理部門重視。
[0003]因此需要一種能夠有效解決上述問題，能夠快速準(zhǔn)確地判斷構(gòu)筑物的健全度，實(shí)時(shí)監(jiān)控其安全狀態(tài)；還可以建立構(gòu)筑物“健康”檔案，為國(guó)家管理部門提供確切可靠的管理數(shù)據(jù)，為決策者提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)，它包括多個(gè)設(shè)置于構(gòu)筑物表面的傳感器、對(duì)構(gòu)筑物施加動(dòng)荷載的激勵(lì)物體、對(duì)傳感器獲取的時(shí)域波形信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊和對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理的分析處理模塊；所述的傳感器的輸入端接收激勵(lì)物體對(duì)構(gòu)筑物施加動(dòng)荷載的振動(dòng)，傳感器的輸出端與信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊連接，信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊的輸出端與分析處理模塊連接。
[0006]所述的信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊包括信號(hào)調(diào)理電路和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器；所述的信號(hào)調(diào)理電路的輸入端與傳感器連接，信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器連接，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸出端與分析處理模塊連接。
[0007]所述的信號(hào)調(diào)理電路包括電荷放大器、增益放大器和濾波器；所述的電荷放大器的輸入端與傳感器連接，電荷放大器的輸出端與增益放大器連接，增益放大器的輸出端與濾波器連接，濾波器的輸出端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。
[0008]基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，它包括以下步驟:
S1:根據(jù)構(gòu)筑物的形態(tài)，將所述的傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物表面不同的位置:
(I)若構(gòu)筑物為規(guī)則形態(tài)，在構(gòu)筑物的側(cè)面設(shè)置三個(gè)傳感器，間距均為h/4，在構(gòu)筑物的頂面設(shè)置三個(gè)傳感器，間距均為b/4 ;其中，構(gòu)筑物的側(cè)面的高度為h，構(gòu)筑物的頂面的寬度為b ；
(2)若構(gòu)筑物為不規(guī)則形態(tài)，則根據(jù)物體或者地形的狀態(tài)，考慮結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)隨機(jī)設(shè)置；
S2:根據(jù)構(gòu)筑物的特性以及傳感器設(shè)置的位置，通過不同的激勵(lì)方式對(duì)構(gòu)筑物施加動(dòng)荷載，使構(gòu)筑物達(dá)到激勵(lì)狀態(tài)；
53:采集相關(guān)的時(shí)域波形，波形的振幅包括變位、應(yīng)變、速度和加速度；
54:對(duì)采集到的時(shí)域波形進(jìn)行諧波分析，將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為頻域的響應(yīng)譜，所述的響應(yīng)譜包含構(gòu)筑物的卓越周期和諧波運(yùn)動(dòng)中的時(shí)刻點(diǎn)；所述的卓越周期通過振動(dòng)理論中的振幅和諧波運(yùn)動(dòng)中的時(shí)刻點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定；在振幅和諧波運(yùn)動(dòng)中的時(shí)刻點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系之外的信號(hào)記錄視為無用的干擾；
55:通過響應(yīng)譜的特性判斷構(gòu)筑物的健康程度:將實(shí)測(cè)的卓越周期與代表健全的構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)卓越周期進(jìn)行比較:若實(shí)測(cè)的卓越周期比標(biāo)準(zhǔn)卓越周期長(zhǎng)，則判斷該構(gòu)筑物發(fā)生病變；
56:當(dāng)構(gòu)筑物被判斷為有病害之后，通過分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)對(duì)損傷部位進(jìn)行推測(cè)，包括以下子步驟:
561:將構(gòu)筑物數(shù)值模型化；
562:假定受損部位，并降低該部位的剛度；
563:解析算出構(gòu)筑物的卓越周期和振動(dòng)模態(tài)；
564:將其與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，不斷調(diào)整參數(shù)直至完全吻合時(shí)即可斷定受損部位。
[0009]所述的基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法還包括一個(gè)建立健全的構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)卓越周期的步驟:通過長(zhǎng)期對(duì)構(gòu)筑物的卓越周期的計(jì)算，對(duì)健全的構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)卓越周期進(jìn)行積累計(jì)算。
[0010]所述的響應(yīng)譜包括基于加速度波形的響應(yīng)譜，在所述的基于加速度波形的響應(yīng)譜中，卓越周期與時(shí)刻點(diǎn)的關(guān)系為JT/2或3 JT/2。
[0011]所述的響應(yīng)譜包括基于速度波形的響應(yīng)譜，在所述的基于速度波形的響應(yīng)譜中，卓越周期與時(shí)刻點(diǎn)的關(guān)系為JT或2 。
[0012]步驟S2中所述的不同的激勵(lì)方式包括以下幾種:
(1)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的側(cè)面，并且構(gòu)筑物的底部適合激勵(lì)者站立，則通過激勵(lì)者使用木槌敲擊對(duì)構(gòu)筑物的側(cè)面施加動(dòng)荷載；
(2)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的側(cè)面，并且構(gòu)筑物的底部不適合激勵(lì)者站立，而構(gòu)筑物的頂部方便激勵(lì)者站立，則通過激勵(lì)者站在構(gòu)筑物頂部使用重球撞擊構(gòu)筑物側(cè)面施加動(dòng)荷載；
(3)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的側(cè)面，并且構(gòu)筑物的背后有土壓力作用，制約構(gòu)筑物的振動(dòng)時(shí)，則可通過設(shè)置于構(gòu)筑物頂部的起振機(jī)撼動(dòng)的方式對(duì)構(gòu)筑物施加動(dòng)荷載；
(4)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的頂面，則激勵(lì)者通過高壓空氣槍激發(fā)的方式對(duì)構(gòu)筑物的頂面施加動(dòng)荷載。
[0013]所述的基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法還包括一個(gè)消除噪音的步驟:通過對(duì)構(gòu)筑物的反復(fù)激勵(lì)，并對(duì)采集到的時(shí)域波形進(jìn)行重復(fù)疊加來消除噪音。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明是應(yīng)用構(gòu)筑物被激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)譜特性進(jìn)行其病害檢測(cè)的系統(tǒng)和方法，適用于土木、交通、工民建以及山體護(hù)坡等各種各樣的構(gòu)筑物；能夠快速準(zhǔn)確地判斷構(gòu)筑物的健全度，實(shí)時(shí)監(jiān)控其安全狀態(tài)；并且不會(huì)對(duì)構(gòu)筑物造成任何損壞；
(2)對(duì)于不同的構(gòu)筑物采用不同的傳感器的設(shè)置方法以及不同的激勵(lì)方法，使得數(shù)據(jù)獲取更加準(zhǔn)確；
(3)對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行反復(fù)激勵(lì)，采用重復(fù)疊加消除噪音；在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取的時(shí)候，設(shè)置有信號(hào)調(diào)理電路，有效抑制噪聲，保證信號(hào)質(zhì)量；通過兩種方式抑制噪音，效果更好；
(4)通過時(shí)刻點(diǎn)排出無關(guān)的振動(dòng)干擾，提高識(shí)別精度；
(5)將構(gòu)筑物的判斷病害的結(jié)果進(jìn)行匯總，可以建立構(gòu)筑物“健康”檔案，為國(guó)家管理部門提供確切可靠的管理數(shù)據(jù)，為決策者提供基礎(chǔ)技術(shù)資料；
(6)采用ICP加速度傳感器，檢測(cè)精度高，不易受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾，適應(yīng)能力強(qiáng)，其輸出的信號(hào)可配長(zhǎng)電纜，且不影響測(cè)量精度，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為本發(fā)明方法流程圖；
圖3為實(shí)施例1不意圖；
圖4為實(shí)施例2不意圖；
圖5為實(shí)施例3不意圖；
圖6為實(shí)施例4示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
如圖1所示，基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)，它包括多個(gè)設(shè)置于構(gòu)筑物表面的傳感器、對(duì)構(gòu)筑物施加動(dòng)荷載的激勵(lì)物體、對(duì)傳感器獲取的時(shí)域波形信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊和對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理的分析處理模塊；所述的傳感器的輸入端接收激勵(lì)物體對(duì)構(gòu)筑物施加動(dòng)荷載的振動(dòng)，傳感器的輸出端與信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊連接，信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊的輸出端與分析處理模塊連接。所述的分析處理模塊包括微控制器。
[0017]基于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測(cè)系統(tǒng)還包括顯示器、無線通信模塊、監(jiān)控中心、USB接口和供電模塊。微控制器的信號(hào)輸入端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，微控制器的輸出端通過總線與顯示器連接，微控制器還通過無線通信模塊與監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，還通過USB接口外接輸入輸出設(shè)備或者存儲(chǔ)設(shè)備，輸入輸出設(shè)備可以使鍵盤、鼠標(biāo)，也可以是外置顯示屏；鍵盤鼠標(biāo)的接入便于檢測(cè)人員操作、外置顯示屏可根據(jù)需求選擇大屏幕顯示屏，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示效果。
[0018]由于為保證供電的穩(wěn)定性，提高能源利用率，采用太陽(yáng)能和蓄電池雙重供電的方式，所述的供電模塊包括太陽(yáng)能控制器、太陽(yáng)能電池組、蓄電池組和逆變器，太陽(yáng)能電池組和蓄電池分別與太陽(yáng)能控制器相連，太陽(yáng)能控制器通過逆變器為各器件供電。逆變器主要實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，包括直流到交流的轉(zhuǎn)換，高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換。
[0019]所述的傳感器為加速度傳感器，所述的加速度傳感器采用ICP加速度傳感器。
[0020]所述的信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊包括信號(hào)調(diào)理電路和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器；所述的信號(hào)調(diào)理電路的輸入端與傳感器連接，信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器連接，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸出端與分析處理模塊連接。
[0021]所述的信號(hào)調(diào)理電路包括電荷放大器、增益放大器和濾波器；所述的電荷放大器的輸入端與傳感器連接，電荷放大器的輸出