高楼和桥梁地震结构监测系统技术方案.docx
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高楼和桥梁地震结构监测系统技术方案
高楼和桥梁地震结构监测系统
技术方案
XXXX企业有限公司
XXXX年XX月
1项目概述
1.1系统概述
近十几年来,随着我国社会经济的不断发展,超高层建筑在我国得到迅速发展,高度不断增加。
一方面,由于相关的理论研究和工程实践较为缺乏,常规的高层建筑设计方法通常无法在设计阶段实现对超高层建筑在施工阶段和使用阶段性态的完全控制和了解。
另一方面,由于超高层建筑的使用期长达几十年、甚至上百年,环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素将不可避免地导致结构系统的损伤积累和抗力衰减,从而降低结构抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力,极端情况下引发灾难性的突发事故。
对超高层建筑结构进行安全性监测是确保超高层建筑安全建造和健康运营的重要保障措施。
超高层建筑和桥梁设置强震动监测系统的目的如下:
1动态地了解超高层建筑最新的结构状态,从而实现对项目过程的有效控制;
2监测超高层建筑全寿命周期内的结构性态,发现荷载及结构响应的异常和结构损伤,确保结构运营安全;
3预警超高层建筑的极端灾害事件,评判灾害事件造成的损伤程度及部位,为业主进行灾害应急管理提供决策依据;
4为超高层建筑运营阶段的检查和维护方案提供信息和依据;
5实测的地震和结构动力响应将指导末来的超高层建筑设计,也为超高层建筑结构新技术的研究提供重要参考。
1.2设计依据
1)中华人民共和国国务院令第409号《地震观测管理条例》第十五条规定,核电站、水库大坝、特大桥梁、发射塔等重大建设工程应当按照国家有关规定,设置强震动观测设施;
2)中国工程建设标准化协会标准《建设工程抗震设计通则》(试用);
3)中国地震局JSGC-01《中国数字测震台网技术规程》;
4)GB/T19531.1-2004《地震台观测环境技术要求》。
1.3目的与作用
地震动监测分为强震动监测和地震动监测。
强震动监测为工程安全服务,自动触发(关闭)并全过程记录建筑物场地的地震动和结构的强震动反应,以记录强震和近震为主,记录的物理量为加速度量。
地震监测为地震学服务,应连续不停监测区域地震活动状况,以记录弱震和远震为主,记录的物理量为位移量。
强震监测包括地震加速度监测和结构静态监测。
加速度监测可以获得不同工程部位地震加速度,在此基础上进行动力分析,以了解结构体主振型、峰值加速度、自振频率、放大系数等;结构静态监测主要考虑震前震后数据对比分析,如变形是否有突变,渗流和应力是否有变化等。
强震监测不仅为确定地震烈度和采取震后维护措施提供定量数据和理论依据,同时又可检验抗震设计理论和工程处理措施是否符合实际。
强震观测(StrongMotionInstrumentation)是利用仪器来观测地震时的强地面运动过程以及在地震作用下工程结构的反应情况,进而为地震工程学和近场地震学提供基础研究资料。
强震动观测是认识强地震动特征和各类工程结构地震反应特性的主要手段,针对各种场地和工程结构布设强震动观测台网,对地震动的特性(强度、频谱、持续时间)、影响范围及各种工程结构的地震反应进行观测,为研究和发展工程抗震方法与技术、制定和修订地震区划图及抗震设计规范、采取地震应急措施等提供基础资料。
更关键的是,强震动观测台网是各级地方政府切实建立健全震灾预防工作体系、减轻地震灾害的重要举措,是抗御地震灾害、建立有效的震灾预防工作体系的关键。
地震烈度速报系统是强震动观测仪监测系统,它为各级政府震后应急提供了地震烈度数据和震害分布情况,为抗震救灾提供了科学依据。
强震台网系统独特作用在于:
(1)可以提供地面地震动与原型结构地震反应的定量数据;
(2)可以测量地震破坏作用的全过程;(3)能够分别研究并测量导致建筑物破坏后果的各种因素。
有鉴于此,强震观测系统不但可以为地震烈度和工程抗震措施提供定量数据和理论依据,检验从抗震研究实践中总结出来的认识、理论和方法是否符合客观实践的标准,从而加深人们对抗震客观规律的认识、推动地震工程研究的发展(如在推动反应谱理论、地震力随机振动理论的发展等方面发挥了重要作用);同时,由于强地震动的观测记录比远场记录含有更丰富、更直接的震源特征信息,从而更利于强震震源机制的研究,并推动了近场地震学的形成和发展。
1.4设计原则
测点布置应尽量充分考虑结构体、地基的耦合作用,布置在能够反应出主体结构特征的位置,以结构体主振型监测为主。
能结构体的地震反应全过程。
利用强震记录进行实时处理,可对大坝发出不同等级的强震安全报警。
可远程监控检查系统的运行状态和事件文件。
根据记录计算观测点的地震反应,如地震反应谱、功率谱、加速度峰值、速度峰值、地震动持续时间等。
可为抗震设计、地震特性研究提供必要的资料。
2设计方案
2.1系统目标
高楼和桥梁地震结构台阵监测系统建设目标是建成具有国内先进水平的数字化、自动化、综合化、标准化和高精度的结构台阵系统。
具体目标内容如下:
在高楼、桥梁等不同场地上获得强地震动记录案例。
为重大建设工程、大型复杂结构、生命线工程等重要工程结构的地震反应时程分析提供典型的输入地震动时程,使重要工程结构的抗震设计更为合理可靠,地震安全性大大提高。
2.2系统要求
2.2.1强震结构台阵处理系统
强震结构台阵系统软件,主要包括实时接收、状态监测、数据处理、网络服务和其它的一些必要的程序组件。
系统实时接收、数据处理等程序基于Windows系列(2000,XP,2003,2008,Vista等)操作系统。
网络服务程序包括数据库服务器和Web服务器两部分,可以在不同的数据库产品及不同的操作系统平台上运行。
实时接收程序连续接收并存储每个台站的由数据传输设备传送回来的实时强震数据;同时实时显示当前地动数据的波形,并自动检测接收到的数据是否为事件。
一旦检测到事件,系统将启动自动处理对事件进行分析处理,自动测定事件的加速度等参数。
此外,系统还可发出报警消息;并启动GSM信息发送单元发出手机短信告警,通知相关人员进行进一步的处理。
所有操作、触发、报警等事件均自动生成日志。
状态监测程序通过图形方式监测台站实时数据流、GPS状态、标定状态。
它从连续接收的台站数据中读出所监测的台站参数,并动态显示出来,一秒钟刷新一次。
系统提供三种显示模式,即地图显示模式、表格显示模式和波形显示模式,用户可以选择自己习惯的模式显示台站参数,且可以根据系统运行的需要,对所有的监测参数的阀值进行设置。
一旦有某一参数的值超过了设置的范围,系统将超亮显示,并发出警告,将异常写入系统日志。
此外,状态时监测程序还能监测监测中心的各种状态,如磁盘容量、信号断记、事件触发、网络故障等。
程序提供的日志功能可以让用户选择需要存入日志的监测内容,包括报警记录、反向操作、信号丢包和监测阀值超限等。
数据处理程序完成强震数据的人机交互处理工作。
数据处理程序提供具有波形局部放大、拉伸功能的ZOOM框,以协助分析地动数据,并提供数据波形的编辑、存储和打印等功能。
系统通过图形及交互界面的方式进行数据显示和处理,并得到结果。
系统处理将得到各种参数。
2.2.2强震结构台阵数据库管理系统
所有原始数据,例如实时数据、事件数据、监测数据等,以及各类分析结果数据,均可自动或手动存入数据库中。
系统应提供多种数据查询及分析功能。
提供全面、综合化服务。
在数据分析管理的基础上,为专业用户从数据库中导出需要的内容,形成数据产品。
2.3系统特点
高楼和桥梁地震结构台阵系统拟使用数字强震结构反应台阵观测系统进行强震观测。
该系统要求由一系列数字化、高精度、高性能和大动态范围的地震仪器、专用和其它设备以及处理软件系统等组成,其主要特点包括:
1)系统是一个完整的系统化解决方案,具有较好的兼容性和扩充性。
采用开放式结构和网络技术,为系统的扩充和升级预留了空间。
2)系统记录数据的动态范围大,采用过采样和数字滤波技术,数据的分辨率高。
3)时间服务精度高,能够满足结构反应台阵的要求。
4)系统智能化、自动化程度高,数据处理、存储、交换和共享方便。
5)采用中文操作平台,界面友好,操作方便、易于掌握。
2.4系统集成
整个系统分为三个部分:
前方测点部分、自由场测点部分和监测中心部分。
结构台阵系统由多个个测点和1个强震中心两部分组成,在每个超高层建筑或桥梁一般设置8-12个测点。
特别重要或超过300米以上的超高层建筑其测点数量可设置在20个以上。
中心的强震专用设备具备可扩展性,为系统的扩容/升级预留了空间。
如果今后还需增加测点数量,则只需要增加测点加速度传感器和扩充强震采集器群通道,中心无须增加其他设备。
台阵监测中心具备开放式结构,可以与其它的数据中心共享数据。
中心能满足远程用户的访问,并可与其它网络联网。
各观测子项目均通过数字信号或网络信号传输到监测中心机房,为简化系统,监测中心机房安装在建设单位的指定位置,所有观测项目的传输均为网络传输或数字传输模式,从而保证所有信号均可有效地传输到监测中心机房。
监测中心机房安装服务器和计算机系统,所有数据均通过网络系统接入各服务器实现数据采集。
2.4.1前方测点部分
前方测点部份的观测,可选用两种方案:
多路数据采集模式或现场一体化设备、数字传输模式。
2.4.1.1自由场部分
自由场有一个测点,采用一体化强震仪,通过线缆将数据送至监测中心。
2.4.1.2数据中心
如上图所示:
所有的设备通过监测中心机房交换机进行集成。
强震监测服务器用于实时接收各台站的地动数据,并进行实时显示、分析、触发判断、存储等处理。
数据接收采用了双机双系统备份的方式,以保证中心实时数据接收的可靠性。
由于两套处理系统完全独立,即使中心的任意一套系统发生了故障,另一套系统仍将正常运行,实时数据的接收也不会因为某一套系统的故障而中断。
数据库服务器及磁盘阵列用于存储各种台网的参数以及结果数据,并提供数据库管理系统进行统一管理数据库。
数据处理机用于前台监测、分析、显示台网的各种状态和数据。
2.4.2软件系统
中心拟采用强震观测处理软件系统,主要包括地震数据的实时接收、地震数据处理和其它的一些必要的组件。
系统特点
系统由一系列数字化、高精度、高性能和大动态范围的地震仪器、专用和其它设备以及处理软件系统等组成,其主要特点是:
系统是一个完整的系统化解决方案,具有较好的兼容性和可扩充性。
采用开放式结构和网络技术,为系统的扩充和升级预留了空间。
系统记录数据的动态范围大,采用过采样和数字滤波技术,数据的分辨率高。
时间服务精度高,能够满足结构反应台阵的要求。
系统智能化、自动化程度高,数据处理、存储、交换和共享方便。
采用中文操作平台,界面友好,操作方便、易于掌握。
系统平台
实时处理机和数据处理机均采用中文Windows2000操作系统。
实时接收程序
实时接收程序安装并运行在实时处理机上,连续接收并存储强震数据。
在接收实时数据的同时,系统实时显示当前数据的波形,并自动检测接收到的数据是否满足触发条件。
一旦触发,系统将启动自动处理。
此外,系统还可以通过实时处理机发出报警消息,如果在警报发出后的一定时间(可设置)内无人响应,系统就会启动GSM告警,通知相关人员进行进一步的处理。
系统可将记录到的数据通过网络上传到服务器中。
系统的所有操作、触发、报警等事件均自动生成日志。
数据处理程序
数据处理程序安装在数据处理机上,完成强震数据的人机交互处理工作。
数据处理程序提供具有波形局部放大、拉伸功能的ZOOM框,以协助分析地动数据,并提供数据波形的编辑、存储和打印等功能。
系统还提供波谱分析等高级数据处理功能。
系统能将数据处理结果通过GSM信息发布单元及时传送给相关人员的手机上。
系统功能
1.实时采样、连续记录
对于地面运动的波形,系统能以数字记录的方式完整地保存至磁盘等介质上,能够连续不间断地存储当前360小时(15天)以上的地动数据,并允许用户随时对该数据进行追溯和查询。
2.事件触发
系统能够自动判定记录到的数据是否满足触发条件;若满足,则触发存盘、报警并启动计算机自动处理。
3.数据处理
系统通过图形及交互界面的方式进行数据显示和处理,并得到结果。
4.数据传输
系统具备串行口、并行口、MODEM和网络通信的能力,可将记录到的数据通过网络上传到服务器中,也可通过MODEM实现远距离传输。
台阵中心具备开放式结构,能够实现远程访问服务,可以与其它数据中心共享数据。
2.4.3关键技术
2.4.3.1数字传输
远距离传输信号时,网络传输因为在距离上的限制(一般不超过100米),不方便组网;而采用模拟信号传输的话,地震信号容易被外界环境干扰,特别是被外部的电磁场环境。
次方案中拟采用差分数字信号传输技术来解决次问题,基本原理如下面示意图所示:
一体化强震设备将地震数据以差分数字信号形式输出,远距离传输给检测中心;汇集器将所有监测点的数据汇集起来,送到解调器解调为原始的串口信号,多串口卡在将多路的串口信号转换成一路串口输出,供数据接收机接收。
由于是差分数字信号传输,一方面增加了信号的传输距离(可达1000米);另一方面,差分数字信号有着比模拟信号更强的抗干扰能力以及环境适应能力。
2.4.3.2GPS远程授时和SNTP时间服务
●GPS远程授时
GPS天线接收到的时间信号为射频信号,传输距离有限,不能远程授时。
此方案将授时信号转换为数字信号,采用差分方式传输,实现了地震设备的远程授时,示意图如下所示:
GPS信号增强仪中内置GPS接收器,接收到卫星时间信号后,转换为差分数字信号供远端GPS数字钟对时,同时GPS钟将差分时间信号分配到各个远端的一体化强震仪,供设备校时。
由于采用数字传输技术,校时距离可以达到1000m。
●SNTP时间服务
SNTP为简单网络时间协议。
采用TCP/IP组网时,一体化强震仪可以自动获取局域网内的时间。
前提是该局域网内有一个SNTP服务器。
泰德公司的GPS数字钟内集成有这样一个SNTP服务器,可以通过网络给系统内的一体化强震仪授时。
另外,如果系统能够连接到外部的INTERNET,一体化强震仪也可以获取外部SNTP服务器上的时间来实现校时。
这时,需要将一体化强震仪内设置的SNTP服务器IP地址换成外部服务器地址。
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