建筑結構振動監測和模態識別集成軟件

楊暉柱　李晗　胡笳　龐紹華　滿延磊　張其林

摘要：為開發用于建筑結構振動監測與模態識別的集成軟件系統，分析監測工作和識別計算的主要工作內容，設計集成軟件的架構體系和專業功能，劃分出基于Internet的遠程監測客戶端、結構計算、模態識別和結果對比/評估等4個主要功能模塊.根據頻域峰值法和時域隨機子空間法等識別理論，設計基于實測振動加速度的模態識別數值算法.在Microsoft Windows平臺上用C++和FORTRAN程序語言開發該軟件包，并用數值測試算例驗證軟件的正確性.該軟件已經應用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動監測和模態識別.

關鍵詞：建筑結構； 振動監測； 模態識別； 軟件設計； 數值算法

中圖分類號： TU392；TP317.4

文獻標志碼：B

0 引 言

對于大型復雜建筑結構，振動監測以及基于實測數據的逆向模態識別是健康監測和性態分析的重要內容.[1]振動監測的硬件設備目前已相當先進，模態識別的相關理論研究也已很多，但長期以來在土木行業內一直缺乏綜合性的專業工具軟件.監測設備產生的海量監測數據通常只存放在現場的監控中心服務器上，而且數據格式往往因設備生產廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數據的交接管理、使用和實時觀測都非常地不方便.在后期的數據分析工作中，長期以來只能采用大量人工作業再輔以多個通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結構振動監測和模態識別工作的自動化程度，開發集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關的主要工作.

1 軟件功能設計

建筑結構的振動監測換熱性態分析主要包括4方面的工作內容：實時監測數據采集、截取和整理；計算當前實際結構狀態的理論值；基于實測數據的識別計算分析；對比識別值/推算值與理論計算值以得到相應的判斷和評估結論.

根據這些工作內容，集成軟件應具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠程方式瀏覽功能，實時查看位于現場監控中心服務器上的監測數據，截取指定時間段內的數據并傳輸到用戶所在的工作地點.

（2）軟件應能進行結構有限元計算和模型測點定義的功能，即：在原結構設計模型上計算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對照現場加速度傳感器的實際布設點，輸出在設計模型上對應測點位置處的振型數據.

（3）模態識別是軟件系統的核心功能.輸入多個監測點的振動加速度數據，用一種或多種識別算法計算出這些監測點的振型和頻率.

（4）具體建筑結構工程的監測點數量可能會從幾十個到幾百個，稱之為“樣本點”，而完整結構的有限元模型通常會有成千上萬個節點，因此需要從相對少量的“樣本點”振型推算出整體結構全部節點的振型位移.通過基于實測的識別值與理論計算值的對比，可直觀地判斷實際結構的動力特性是否與理論設計值相符，實際結構是否有損傷導致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對整體的推算振型與從設計模型得到的理論計算振型進行振幅拼合，以便進行整體性的對比和觀察.

（6）實現所有過程和計算結果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構

根據實際監測和識別工作的流程與先后順序以及上述功能設計，軟件應由4大主要功能模塊組成，總體架構為串聯單向流水模式

摘要：為開發用于建筑結構振動監測與模態識別的集成軟件系統，分析監測工作和識別計算的主要工作內容，設計集成軟件的架構體系和專業功能，劃分出基于Internet的遠程監測客戶端、結構計算、模態識別和結果對比/評估等4個主要功能模塊.根據頻域峰值法和時域隨機子空間法等識別理論，設計基于實測振動加速度的模態識別數值算法.在Microsoft Windows平臺上用C++和FORTRAN程序語言開發該軟件包，并用數值測試算例驗證軟件的正確性.該軟件已經應用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動監測和模態識別.

關鍵詞：建筑結構； 振動監測； 模態識別； 軟件設計； 數值算法

中圖分類號： TU392；TP317.4

文獻標志碼：B

0 引 言

對于大型復雜建筑結構，振動監測以及基于實測數據的逆向模態識別是健康監測和性態分析的重要內容.[1]振動監測的硬件設備目前已相當先進，模態識別的相關理論研究也已很多，但長期以來在土木行業內一直缺乏綜合性的專業工具軟件.監測設備產生的海量監測數據通常只存放在現場的監控中心服務器上，而且數據格式往往因設備生產廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數據的交接管理、使用和實時觀測都非常地不方便.在后期的數據分析工作中，長期以來只能采用大量人工作業再輔以多個通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結構振動監測和模態識別工作的自動化程度，開發集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關的主要工作.

1 軟件功能設計

建筑結構的振動監測換熱性態分析主要包括4方面的工作內容：實時監測數據采集、截取和整理；計算當前實際結構狀態的理論值；基于實測數據的識別計算分析；對比識別值/推算值與理論計算值以得到相應的判斷和評估結論.

根據這些工作內容，集成軟件應具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠程方式瀏覽功能，實時查看位于現場監控中心服務器上的監測數據，截取指定時間段內的數據并傳輸到用戶所在的工作地點.

（2）軟件應能進行結構有限元計算和模型測點定義的功能，即：在原結構設計模型上計算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對照現場加速度傳感器的實際布設點，輸出在設計模型上對應測點位置處的振型數據.

（3）模態識別是軟件系統的核心功能.輸入多個監測點的振動加速度數據，用一種或多種識別算法計算出這些監測點的振型和頻率.

（4）具體建筑結構工程的監測點數量可能會從幾十個到幾百個，稱之為“樣本點”，而完整結構的有限元模型通常會有成千上萬個節點，因此需要從相對少量的“樣本點”振型推算出整體結構全部節點的振型位移.通過基于實測的識別值與理論計算值的對比，可直觀地判斷實際結構的動力特性是否與理論設計值相符，實際結構是否有損傷導致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對整體的推算振型與從設計模型得到的理論計算振型進行振幅拼合，以便進行整體性的對比和觀察.

（6）實現所有過程和計算結果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構

根據實際監測和識別工作的流程與先后順序以及上述功能設計，軟件應由4大主要功能模塊組成，總體架構為串聯單向流水模式

摘要：為開發用于建筑結構振動監測與模態識別的集成軟件系統，分析監測工作和識別計算的主要工作內容，設計集成軟件的架構體系和專業功能，劃分出基于Internet的遠程監測客戶端、結構計算、模態識別和結果對比/評估等4個主要功能模塊.根據頻域峰值法和時域隨機子空間法等識別理論，設計基于實測振動加速度的模態識別數值算法.在Microsoft Windows平臺上用C++和FORTRAN程序語言開發該軟件包，并用數值測試算例驗證軟件的正確性.該軟件已經應用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動監測和模態識別.

關鍵詞：建筑結構； 振動監測； 模態識別； 軟件設計； 數值算法

中圖分類號： TU392；TP317.4

文獻標志碼：B

0 引 言

對于大型復雜建筑結構，振動監測以及基于實測數據的逆向模態識別是健康監測和性態分析的重要內容.[1]振動監測的硬件設備目前已相當先進，模態識別的相關理論研究也已很多，但長期以來在土木行業內一直缺乏綜合性的專業工具軟件.監測設備產生的海量監測數據通常只存放在現場的監控中心服務器上，而且數據格式往往因設備生產廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數據的交接管理、使用和實時觀測都非常地不方便.在后期的數據分析工作中，長期以來只能采用大量人工作業再輔以多個通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結構振動監測和模態識別工作的自動化程度，開發集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關的主要工作.

1 軟件功能設計

建筑結構的振動監測換熱性態分析主要包括4方面的工作內容：實時監測數據采集、截取和整理；計算當前實際結構狀態的理論值；基于實測數據的識別計算分析；對比識別值/推算值與理論計算值以得到相應的判斷和評估結論.

根據這些工作內容，集成軟件應具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠程方式瀏覽功能，實時查看位于現場監控中心服務器上的監測數據，截取指定時間段內的數據并傳輸到用戶所在的工作地點.

（2）軟件應能進行結構有限元計算和模型測點定義的功能，即：在原結構設計模型上計算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對照現場加速度傳感器的實際布設點，輸出在設計模型上對應測點位置處的振型數據.

（3）模態識別是軟件系統的核心功能.輸入多個監測點的振動加速度數據，用一種或多種識別算法計算出這些監測點的振型和頻率.

（4）具體建筑結構工程的監測點數量可能會從幾十個到幾百個，稱之為“樣本點”，而完整結構的有限元模型通常會有成千上萬個節點，因此需要從相對少量的“樣本點”振型推算出整體結構全部節點的振型位移.通過基于實測的識別值與理論計算值的對比，可直觀地判斷實際結構的動力特性是否與理論設計值相符，實際結構是否有損傷導致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對整體的推算振型與從設計模型得到的理論計算振型進行振幅拼合，以便進行整體性的對比和觀察.

（6）實現所有過程和計算結果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構

根據實際監測和識別工作的流程與先后順序以及上述功能設計，軟件應由4大主要功能模塊組成，總體架構為串聯單向流水模式