基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(Ⅰ):系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

李萬潤(rùn)， 鄭文智， 杜永峰， 李　慧

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；

2.蘭州理工大學(xué) 防震減災(zāi)研究所，甘肅 蘭州 730050；

3.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

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基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(Ⅰ):系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

李萬潤(rùn)1,2,3， 鄭文智2， 杜永峰1,2,3， 李慧1,2,3

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；

2.蘭州理工大學(xué) 防震減災(zāi)研究所，甘肅 蘭州 730050；

3.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

摘要：在醫(yī)院、教學(xué)樓等建筑中廣泛采用隔震技術(shù),能降低地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞作用。雖然隔震技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已趨于成熟，但環(huán)境及其他荷載對(duì)隔震結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及震后結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估等問題，仍需建立隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估與驗(yàn)證。首先，針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容；在此基礎(chǔ)上提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求及原則,根據(jù)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象(整體與局部監(jiān)測(cè)量)給出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)傳感器布置原則和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)原則，提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與安全評(píng)定方法；最后給出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)值得進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 性能評(píng)估

0引言

近年來地震頻發(fā)，如尼泊爾4.25地震、日本3·11地震、中國(guó)汶川M8.0地震、青海玉樹M7.1地震[1]、甘肅岷縣漳縣M6.6地震[2]等，給人類生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失。由于隔震技術(shù)可以有效地減小地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞作用，因而在醫(yī)院、教學(xué)樓、公寓等建筑中得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了豐碩的成果[3-9]。雖然隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)受了地震考驗(yàn)[10-12]，但地震作用、環(huán)境及其他荷載對(duì)隔震結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、震后結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)評(píng)定還需進(jìn)一步研究。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[13]即利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析(包括結(jié)構(gòu)反應(yīng))、探測(cè)結(jié)構(gòu)變化，揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能劣化。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，可以感知結(jié)構(gòu)響應(yīng)并為其狀態(tài)評(píng)定提供可靠數(shù)據(jù)，因此在大跨度橋梁、隧道、高聳建筑等結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[14-22]。為了研究基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)性能退化機(jī)理及其震后性能狀態(tài)評(píng)定，國(guó)內(nèi)外學(xué)者借鑒其他結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)不同研究目標(biāo)，逐步在隔震結(jié)構(gòu)上安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[23-27]。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的研究目標(biāo)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，但都未曾對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施方法進(jìn)行系統(tǒng)研究。因此，本文首先針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測(cè)的物理量；在此基礎(chǔ)上，提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，根據(jù)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象(整體與局部變量)提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)傳感器布置原則以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)原則，并提出隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證及狀態(tài)評(píng)定方法；最后提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)值得進(jìn)一步研究的問題，為以后隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)施提供依據(jù)。

1基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置水平剛度明顯小于上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的柔性隔震層來耗散地震輸入上部結(jié)構(gòu)的能量，最終達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的[28]。由于在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置了隔震裝置,基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與非隔震結(jié)構(gòu)不同的特性,這就使得基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有別于大跨度橋梁、隧道、高聳結(jié)構(gòu)等非隔震結(jié)構(gòu)。因此，針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的受力以及變形特點(diǎn)，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括荷載監(jiān)測(cè)與響應(yīng)監(jiān)測(cè)。

(1) 荷載監(jiān)測(cè) 由于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)一般主要采用橡膠隔震支座隔震，而橡膠隔震支座在不同變形、不同溫度情況下的力學(xué)性能有所不同。因此，為了更合理地進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)以及對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在施工與運(yùn)營(yíng)期間的性能與狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，需對(duì)作用在結(jié)構(gòu)上的載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括地震動(dòng)、風(fēng)荷載(主要指高層隔震結(jié)構(gòu))、溫度和基礎(chǔ)沉降等，并提出相應(yīng)的計(jì)算理論模型，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與狀態(tài)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

(2) 響應(yīng)監(jiān)測(cè) 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)監(jiān)測(cè)主要包括施工期響應(yīng)監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)期響應(yīng)監(jiān)測(cè)：

①施工期響應(yīng)監(jiān)測(cè) 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)由于在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間安裝了抗側(cè)剛度相對(duì)較小的橡膠隔震支座，從而減小了基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的約束作用，使得基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的施工工序(主要表現(xiàn)為施工荷載的不平衡增加等)以及上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮在隔震支座處產(chǎn)生明顯的水平與豎向位移[9,29]，而該部分位移在結(jié)構(gòu)施工完成后并不能完全消除。這不僅使得隔震支座的豎向承載面積減小，而且使得水平位移允許值受到限制，影響隔震支座的耗能能力，從而放大地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[30]。由于設(shè)置隔震支座，降低了基礎(chǔ)對(duì)隔震層主梁的約束能力，超長(zhǎng)復(fù)雜基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮等因素的共同影響下，隔震層主梁產(chǎn)生橫向裂縫[31]。因此，需要對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在施工期間隔震支座的水平位移、豎向位移、隔震層主梁控制部位和重點(diǎn)部位應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

②運(yùn)營(yíng)期響應(yīng)監(jiān)測(cè) 由于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的特殊性，其運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容也有別于其他結(jié)構(gòu)，主要包括橡膠隔震支座的水平、豎向靜位移(用于掌握橡膠隔震支座在運(yùn)營(yíng)期間溫度以及其他荷載作用下的位移演化規(guī)律)、隔震支座在地震以及風(fēng)荷載作用下的動(dòng)位移(用于研究隔震支座在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)性能變化規(guī)律以及低周應(yīng)變、高周應(yīng)力疲勞問題)、上部結(jié)構(gòu)的加速度等。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性并對(duì)隔震結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期間的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)隔震結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)在施工、地震、風(fēng)、環(huán)境等荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在施工期與運(yùn)營(yíng)期的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為隔震結(jié)構(gòu)施工方案的確定、隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及性能評(píng)價(jià)、隔震結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括施工期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的全過程監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，可以設(shè)計(jì)一體化基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1)，實(shí)現(xiàn)施工期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“無縫連接”。部分施工期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在竣工后直接轉(zhuǎn)入運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這既為運(yùn)營(yíng)期間隔震結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)評(píng)價(jià)提供初始模型，又可以最大限度利用系統(tǒng)資源，減少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投入。

圖1　基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)一體化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1　Integration of structural health monitoring　　　 system for BIS

根據(jù)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的規(guī)模、重要性、投資大小、工作環(huán)境及服役期內(nèi)的性能退化情況，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、集成化、實(shí)時(shí)性要求程度等，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可劃分為三個(gè)等級(jí)：全局實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(一級(jí))；局部實(shí)時(shí)在線和定期實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(二級(jí))；定期在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(三級(jí))。一級(jí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于大型基礎(chǔ)隔震建筑結(jié)構(gòu)，如大型基礎(chǔ)隔震體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等；二級(jí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于多層隔震建筑結(jié)構(gòu)，如醫(yī)院、中小學(xué)教學(xué)樓、通信大樓等；三級(jí)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于一般的隔震建筑[15]。隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的等級(jí)是系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與選型原則、確定系統(tǒng)集成技術(shù)水平的依據(jù)。

3基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括6個(gè)子系統(tǒng)[21]，即傳感器系統(tǒng)(sensor system，SS),數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)(data acquisition and transmission system, DATS)，數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)(data processing and control system, DPCS),結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(structural health data management system，SHDMS),結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)(structural health evaluation system，SHES)及檢查與維護(hù)系統(tǒng)(inspection and maintenance system，IMS)。各系統(tǒng)間通過集成技術(shù)傳輸網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2。

圖2　基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2　Base-isolated structure health monitoring system

3.1傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)由各種用于測(cè)試結(jié)構(gòu)物理特征及周圍環(huán)境的傳感器組成，主要包括溫、濕度傳感器,位移傳感器、應(yīng)變傳感器,地震儀、加速度傳感器及靜力水準(zhǔn)儀等。在傳感器選型與優(yōu)化布置時(shí)，應(yīng)遵循“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、性價(jià)比最優(yōu)”的主要原則合理地選擇傳感器類型、數(shù)量以及布置位置，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

3.1.1傳感器選型

傳感器的數(shù)量、類型與結(jié)構(gòu)重要性、監(jiān)測(cè)目標(biāo)以及監(jiān)測(cè)環(huán)境有關(guān)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)實(shí)際基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的規(guī)模、重要性、工作環(huán)境確定隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的等級(jí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，進(jìn)而確定傳感器類型、型號(hào)及技術(shù)性能指標(biāo)。針對(duì)基礎(chǔ)隔震建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，常用傳感器的選型具體要求如下：

溫/濕度傳感器：能絕對(duì)測(cè)量，測(cè)量精度滿足監(jiān)測(cè)目的的要求，最大量程根據(jù)隔震結(jié)構(gòu)建設(shè)地區(qū)氣象局統(tǒng)計(jì)的氣溫最低和最高值確定，并保證一定的冗余度。各溫度傳感器安裝在所需要監(jiān)測(cè)的隔震支座位置附近，以并聯(lián)方式與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接，通過網(wǎng)絡(luò)總線實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信、對(duì)溫/濕度的自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

位移傳感器：根據(jù)隔震支座在罕遇地震作用下的最大位移響應(yīng)確定位移傳感器的精度和量程，其精度和量程還應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的罕遇地震作用下隔震支座最大水平位移要求。位移傳感器主要監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)拐角、剛度突變的位置及受力復(fù)雜位置的隔震支座水平位移。其工作環(huán)境與加速度傳感器相比更為惡劣，需要較強(qiáng)的抗外界干擾能力，耐久性、魯棒性好，并保證有足夠的冗余度。

應(yīng)變傳感器：能絕對(duì)測(cè)量，精度滿足監(jiān)測(cè)目的的要求，最大量程根據(jù)所用的混凝土、隔震橡膠墊極限應(yīng)變值確定，且工作條件滿足建設(shè)地點(diǎn)的環(huán)境條件，抗外界干擾強(qiáng)，魯棒性、耐久性好。對(duì)長(zhǎng)期處于潮濕、易腐蝕及高電磁干擾的結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，優(yōu)先采用光纖光柵應(yīng)變傳感器；

加速度傳感器：考慮到基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基本周期較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要以低頻成分為主，建議采用低頻加速度傳感器。為保證采集到的響應(yīng)信號(hào)不出現(xiàn)頻率混疊，傳感器的采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理的要求，建議取結(jié)構(gòu)最大頻率的2~4倍，保證能采集到結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)；同時(shí)，傳感器應(yīng)具有較強(qiáng)的抗外界干擾能力，魯棒性、耐久性好。

除以上常用傳感器外，根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)目的，可選用其他類型的傳感器對(duì)所關(guān)心的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但均需要考慮傳感器的工作環(huán)境、測(cè)量精度、量程以及抗干擾性能。

3.1.2傳感器測(cè)點(diǎn)布置

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)主要通過橡膠隔震支座發(fā)生變形而耗散輸入上部結(jié)構(gòu)的能量，進(jìn)而保證上部結(jié)構(gòu)的安全。因此在布置基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器時(shí)，除考慮按常規(guī)結(jié)構(gòu)布置外，還需在隔震層布置專門的傳感器，這是基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)有別于大跨度橋梁、非隔震建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之處。在對(duì)傳感器進(jìn)行布置時(shí)，遵循“測(cè)試數(shù)據(jù)與位置對(duì)結(jié)構(gòu)輸入與響應(yīng)敏感”的原則，選擇傳感器測(cè)點(diǎn)的最優(yōu)布置方案。Penny等[18]提出了評(píng)價(jià)各種傳感器布置方法優(yōu)劣的五條量化準(zhǔn)則：模態(tài)保證準(zhǔn)則 (Modal Assurance Criterion)、修正模態(tài)保證準(zhǔn)則(Modified Modal Assurance Criterion )、SVD (Singular Value Decomposition)比、模態(tài)所測(cè)動(dòng)能及Fisher信息陣的值。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)目的進(jìn)行選取。以下從荷載、局部響應(yīng)和整體響應(yīng)三個(gè)方面對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)傳感器測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行闡述：

荷載監(jiān)測(cè)：對(duì)于結(jié)構(gòu)的輸入——地震動(dòng)來講，一般采用加速度數(shù)字地震儀監(jiān)測(cè)，并布設(shè)于隔震層以下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中心位置。對(duì)于大型超長(zhǎng)復(fù)雜隔震結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟(jì)條件容許的情況下，可以布置兩個(gè)地震儀對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以考慮行波效應(yīng)；隔震支座附近的溫度場(chǎng)主要采用溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，布置在隔震層溫差較大的位置，例如室內(nèi)外交界處；針對(duì)高層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載影響較大時(shí)還需對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要采用風(fēng)速風(fēng)向儀以及風(fēng)壓傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，布設(shè)于結(jié)構(gòu)頂層主風(fēng)向位置；此外，還需考慮基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震支座的影響，主要采用靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，主要布設(shè)于荷載較大以及基礎(chǔ)可能發(fā)生沉降的位置，例如結(jié)構(gòu)角點(diǎn)和基礎(chǔ)形心位置。

局部響應(yīng)監(jiān)測(cè)：基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)主要包括隔震支座水平位移、豎向位移與隔震層主梁應(yīng)變。隔震支座水平和豎向位移均采用位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要布設(shè)于結(jié)構(gòu)角點(diǎn)及平面凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)的凹入或凸出角點(diǎn)位置；隔震層主梁應(yīng)變宜采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)，主要布設(shè)于跨度大、受力復(fù)雜、與隔震支座直接相連的主梁上。

整體響應(yīng)監(jiān)測(cè)：結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)主要是加速度，因此采用加速度傳感器監(jiān)測(cè)。由于上部結(jié)構(gòu)主要以平動(dòng)為主，測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)于上部結(jié)構(gòu)一層及頂層，考慮結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等因素，主要布設(shè)于結(jié)構(gòu)平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著的結(jié)構(gòu)縱、橫向角點(diǎn)位置。

3.2數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)作為連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的樞紐，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別和安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。各類傳感器信號(hào)是結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)脈沖”，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、采集，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

3.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)的物理量較多，數(shù)據(jù)量大，傳感器類別較多(如電壓、電荷、應(yīng)變、電阻、電流、光信號(hào)等)，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮采集軟、硬件與傳感器的輸出信號(hào)、精度等性能參數(shù)相匹配。對(duì)于多種特征信號(hào)同時(shí)采集，簡(jiǎn)單協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集硬件將不能滿足監(jiān)測(cè)要求，可采用基于ISA、PCI、PXI等局部總線標(biāo)準(zhǔn)以及基于CAN、LonWorks等現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)采集硬件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖如圖3。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖Fig.3　Flow chart of the data acquisition system

考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高效運(yùn)作，可根據(jù)采集系統(tǒng)的要求選擇合適的軟件開發(fā)平臺(tái)，例如基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)。對(duì)于大型基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用分布式采集系統(tǒng)時(shí)，建議設(shè)立數(shù)據(jù)采集子站，各子站之間通過有線連接進(jìn)行通訊、交互。

3.2.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是將傳感數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的“橋梁”，數(shù)據(jù)傳輸包括現(xiàn)場(chǎng)傳輸和遠(yuǎn)程傳輸兩部分。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)傳輸，可采用有線或無線傳輸技術(shù)將傳感器信號(hào)傳輸至服務(wù)器。對(duì)于遠(yuǎn)程傳輸，需要直接或間接基于Internet網(wǎng)絡(luò)，將采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。為保證數(shù)據(jù)的精確、可靠傳輸，不受外界信號(hào)的干擾，應(yīng)盡量采用抗干擾性能較好的傳輸設(shè)備。采用有線方式傳輸時(shí)，應(yīng)盡量采用屏蔽性能好的數(shù)據(jù)傳輸線;采用無線傳輸時(shí)，應(yīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，避開干擾信號(hào)頻段。

3.3數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、匯集、歸檔、備份、顯示及運(yùn)算，并通過網(wǎng)絡(luò)控制各數(shù)據(jù)采集子站。數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性測(cè)試等過程，以多種方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、編譯，從而完成數(shù)據(jù)-信息-結(jié)構(gòu)參數(shù)的轉(zhuǎn)化，并對(duì)數(shù)據(jù)庫中的大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、分析和模型化處理，將經(jīng)過處理和分析的數(shù)據(jù)傳送到結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為后續(xù)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理包括常規(guī)數(shù)據(jù)處理和緊急數(shù)據(jù)處理。

常規(guī)數(shù)據(jù)處理是指對(duì)長(zhǎng)期荷載(如隔震層溫度荷載、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)沉降等)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)(如隔震支座靜水平位移和豎向位移、隔震層主梁應(yīng)變、上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)等)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載理論模型。掌握結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、狀態(tài)評(píng)估以及預(yù)警提供依據(jù)。

緊急數(shù)據(jù)處理是指對(duì)地震、臺(tái)風(fēng)等突發(fā)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(如隔震支座動(dòng)水平位移和豎向位移、上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)等)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。除了進(jìn)行與常規(guī)數(shù)據(jù)相同的分析外，還需對(duì)隔震層以及上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。基于結(jié)構(gòu)輸入與輸出數(shù)據(jù)，識(shí)別隔震支座在地震作用下的物理參數(shù)，掌握隔震支座在動(dòng)力荷載作用下的非線性性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、災(zāi)后狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。

3.4結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

有效的數(shù)據(jù)管理是保證隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮作用的保證。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“倉庫”，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)和管理基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并提供給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的物理量較多、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下功能：(1)快速、高效存儲(chǔ)各類傳感信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大量關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的充分共享，為數(shù)據(jù)處理、分析及結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)提供穩(wěn)定“秩序”；(2)針對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，并查看關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)；(3)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞、交換與共享；(4)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)的保證，數(shù)據(jù)庫需具備防火墻和加密功能。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4　數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.4　Database structure of the data management system

3.5結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)是整個(gè)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，主要完成以下功能：(1)施工階段分析，主要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工定位的準(zhǔn)確性；(2)施工過程優(yōu)化仿真分析，主要檢驗(yàn)施工方案的可行性；(3)施工各階段隔震支座狀態(tài)評(píng)價(jià)及性能分析，其目的是掌握施工過程中隔震支座的變形規(guī)律；(4)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析；(5)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間有限元模型的建立及修正；(6)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間的狀態(tài)評(píng)估。

對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)價(jià)主要包括基于構(gòu)件性能的安全評(píng)價(jià)和基于結(jié)構(gòu)整體的安全評(píng)價(jià)。

3.5.1基于構(gòu)件的安全評(píng)價(jià)

基于構(gòu)件性能的安全評(píng)價(jià)主要包括：(1)隔震支座的水平位移是否超過規(guī)范允許值；(2)隔震支座的豎向應(yīng)力是否超過支座豎向極限應(yīng)力值；(3)基礎(chǔ)沉降量是否滿足規(guī)范允許值；(4)隔震層梁的裂縫寬度是否滿足規(guī)范的允許值。各類構(gòu)件參數(shù)須滿足以下規(guī)定[32]：

(1)

(2)

式中：u0為隔震支座水平靜位移;umax為罕遇地震作用下隔震支座水平最大位移值;σmax為隔震支座豎向最大應(yīng)力值;smax為單個(gè)支墩最大豎向沉降量;ε為隔震支座的水平剪應(yīng)變;ω為隔震層梁裂縫最大寬度;t為即時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);T為歷史同期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；[·]為規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)參數(shù)的允許值。根據(jù)結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件的重要性等級(jí)，確定相應(yīng)的預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警。

3.5.2基于結(jié)構(gòu)整體的安全評(píng)價(jià)

基于結(jié)構(gòu)整體的安全評(píng)價(jià)主要包括：(1) 結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下位移是否滿足規(guī)范允許值；(2) 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)是否滿足風(fēng)振舒適度要求[33]。整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)應(yīng)滿足以下規(guī)定：

(3)

式中：umax為罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)水平最大位移值;amax為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度最大值；[·]為規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)參數(shù)的允許值。根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性等級(jí)，確定相應(yīng)的預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警。

3.6檢查與維護(hù)系統(tǒng)

檢查與維護(hù)系統(tǒng)是保證其他各分系統(tǒng)正常運(yùn)作的必要條件，也是保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性的重要基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要用于檢查和維護(hù)傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、供電、顯示設(shè)備，以及外界不確定荷載對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾，監(jiān)測(cè)設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生故障、性能退化等問題，對(duì)其進(jìn)行定期檢查，以確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)作。

3.7健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)

各分系統(tǒng)的軟硬件相互協(xié)調(diào)工作是基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)價(jià)目標(biāo)的根本保證。利用集成技術(shù)將各個(gè)分系統(tǒng)集成為一體的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)高效運(yùn)作。集成技術(shù)主要是通過公共平臺(tái)專門軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)六個(gè)分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，即該專門軟件作為整個(gè)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，協(xié)調(diào)、整合各分系統(tǒng)功能，“控制”、“調(diào)用”、“指揮”各分系統(tǒng)的高效運(yùn)行。同時(shí)，協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全部軟硬件穩(wěn)定運(yùn)行，基于以太網(wǎng)、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、快速傳輸、交互與通訊[15]。

4結(jié)論與展望

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)因其可以減小地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞作用而得到廣泛應(yīng)用，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于驗(yàn)證隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、隔震結(jié)構(gòu)的災(zāi)后狀態(tài)評(píng)估具有重要意義。本文針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，系統(tǒng)研究了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)方法，為以后隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，提出以下值得深入研究的問題：

(1) 由于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置抗側(cè)剛度相對(duì)小的橡膠隔震支座，降低了基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的約束作用(與抗震結(jié)構(gòu)相比)，施工過程、上部結(jié)構(gòu)混凝土的收縮、后澆帶的設(shè)置會(huì)對(duì)隔震支座產(chǎn)生較大影響，其影響規(guī)律還需進(jìn)一步深入研究；

(2) 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)一般采用橡膠隔震支座，該支座由橡膠與鋼板硫化而成，屬于溫度敏感性材料，一些學(xué)者已對(duì)溫度對(duì)隔震支座的影響進(jìn)行了研究，但在設(shè)計(jì)規(guī)范中還未曾考慮溫度對(duì)隔震支座的影響，因此應(yīng)借助長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的溫度數(shù)據(jù)，建立溫度荷載譜以及溫度與隔震支座力學(xué)性能相關(guān)性模型，為隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

(3) 隔震設(shè)計(jì)時(shí)均采用單個(gè)隔震支座的參數(shù)來分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，而且該模型主要是在單個(gè)隔震支座試驗(yàn)以及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)中隔震支座的力學(xué)性能如何，是否與試驗(yàn)室模型一致，需要利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析與驗(yàn)證。而且多個(gè)隔震支座并聯(lián)后的性能如何也需要進(jìn)一步討論；

(4) 隔震支座在水平方向主要承受地震以及風(fēng)荷載(高層基礎(chǔ)隔震)的作用，故風(fēng)荷載作用下隔震支座和支座連接構(gòu)件的高周疲勞問題以及強(qiáng)震作用下的低周疲勞問題也需進(jìn)一步研究；

(5) 由于施工過程以及溫度等因素的影響，隔震支座易產(chǎn)生初始位移，這部分位移會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的隔震性能產(chǎn)生較大影響，因此研究隔震支座存在初始位移情況下的隔震結(jié)構(gòu)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義；

(6) 隔震結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌規(guī)律以及抗倒塌問題。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]田秀豐,張璇,姚凱,等.玉樹7.1級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)流動(dòng)觀測(cè)記錄初步分析[J].地震工程學(xué)報(bào),2014,36(2):274-280.

TIANXiu-feng,ZHANGXuan,YAOKai,etal.PreliminaryAnalysisofMobileObservationRecordsfortheAftershocksintheYushuM7.1Earthquake[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2014,36(2):274-280.(inChinese)

[2]黃旭濤,溫瑞智,任葉飛,等.2013年7月22日岷縣漳縣6.6級(jí)地震強(qiáng)震記錄及特征分析[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(3):489-496.

HUANG Xu-tao,WEN Rui-zhi,REN Ye-fei,et al.Strong Motion Records and Its Characteristics in Minxian-ZhangxianMS6.6 Earthquake on July 22,2013[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(3):489-496. (in Chinese)

[3]周福霖.工程結(jié)構(gòu)隔震減震研究進(jìn)展[M].北京:地震出版社,2004.

ZHOU Fu-lin.Advances in Structural Vibration Isolation and Reduction[M].Beijing:Seismological Press,2004.(in Chinese)

[4]焦美菊, 孫利民, 李清富.基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(10):1452-1457.

JIAO Mei-ju,SUN Li-min,LI Qing-fu.Bridge Structural Reliability Assessment Based on Health Monitoring Data[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2011,39(10):1452-1457. (in Chinese)

[5]LOH Chin-Hsiung,WENG Jian-Huang, CHEN Chia-Hui,et al.System Identification of Mid-story Isolation Building Using Both Ambient and Earthquake Response Data[J].Structural Control and Health Monitoring,2013,20:139-155.

[6]李慧,包超,杜永峰.近場(chǎng)地震作用下不規(guī)則層間隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(1):51-55.

LI Hui,BAO Chao,DU Yong-feng.Dynamic Response Analysis of Irregular Story Isolation Structures under Near-field Earthquake Conditions[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(1):51-55. (in Chinese)

[7]李慧,王亞楠,杜永峰.近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)作用下TMD-基礎(chǔ)隔震混合控制結(jié)構(gòu)的減震效果分析[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(2):208-212.

LI Hui,WANG Ya-nan,DU Yong-feng.An Effectiveness Analysis on Hybrid Control System of Tuned Mass Damper-base Isolation under Near-fault Pulse-like Ground Motion[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(2):208-212. (in Chinese)

[8]李慧,劉迪,杜永峰.近場(chǎng)多脈沖地震動(dòng)作用下組合隔震結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(3):563-568.

LI Hui,LIU Di,DU Yong-feng.The Seismic Behavior Analysis of Near-field Multi Pulse Ground Motion on Composite Isolated Structure[J].China Earthquake Engineering Journal, 2013,35(3):563-568.(in Chinese)

[9]杜永峰,杜英滿,陳斌.某超長(zhǎng)隔震結(jié)構(gòu)建造過程非載荷變形模擬與監(jiān)測(cè)[J].工程抗震與加固改造,2014,36(1):91-97.

DU Yong-feng,DU Ying-man,CHEN Bin.Non-load Deformation Simulation and Monitoring of a Super-long Isolated Structure in the Construction Process[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2014,36(1):91-97.(in Chinese)

[10]Nagarajaiah S,SUN Xiao-hong.Response of Base-Isolated USC Hospital Building in Northridge Earthquake[J].Journal of Structural Engineering, 2000,126(10):1177-1186.

[11]許宏洲.隔震結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)和抗震可靠度研究[D].泉州：華僑大學(xué),2004.

XU Hong-zhou.Research on Base Isolation Structure Earthquake Response and Aseismic Reliability[D].Quanzhou:Huaqiao University,2004.(in Chinese)

[12]Boroschek R L,Retamales R,Aguilar A.Seismic Response of Isolated Structures Subjected toMW8.8 Chile Earthquake of February 27, 2010[C]//Seminar in Technological Advances and Lessons Learned in the Last Large Earthquakes and Tsunamis. CISMID. Paper No M-2. Lima, Perú,17-18 de Agosto,2012.

[13]Housner G W.Structure Control:Past,Present and Future[J].Journal of Engineering Mechanics,1997,123(9):897-971.

[14]李惠,周文松,歐進(jìn)萍,等.大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(2):46-52.

LI Hui,ZHOU Wen-song,OU Jin-ping,et al.A Study on System Integration Technique of Intelligent Monitoring Systems for Soundness of Long-span Bridges[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(2):46-52.(in Chinese)

[15]李惠,歐進(jìn)萍.斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(I): 系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(4):39-44.

LI Hui,OU Jin-ping.Design and Implementation of Health Monitoring Systems for Cable-stayed Bridges (I):Designs Methods[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(4):39-44. (in Chinese)

[16]李惠,歐進(jìn)萍.斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(II): 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(4):45-53.

LI Hui,OU Jin-ping.Design and Implementation of Health Monitoring Systems for Cable-stayed Bridges (II): Implementations[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(4):45-53. (in Chinese)

[17]繆長(zhǎng)青,李愛群,馮兆祥,等.潤(rùn)揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].世界橋梁, 2006(3):63-66.

MIAO Chang-qing,LI Ai-qun,FENG Zhao-xiang,et al.Design and Research of Structural Health Monitoring System for Runyang Bridge[J].World Bridges,2006(3):63-66. (in Chinese)

[18]李宏男,李東升.土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)及診斷述評(píng)[J].地震工程與工程振動(dòng),2002,22(3):82-90.

LI Hong-nan,LI Dong-sheng.Safety Assessment,Health Monitoring and Damage Diagnosis for Structures in Civil Engineering[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2002,22(3):82-90.(in Chinese)

[19]劉勝春,張頂立,黃俊,等.大型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(4):741-748.

LIU Sheng-chun,ZHANG Ding-li,HUANG Jun,et al.Research and Design on Structural Health Monitoring System for Large-scale Shield Tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(4):741-748. (in Chinese)

[20]于凱,左自波,王穎軼,等.基于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高烈度區(qū)沉管隧道施工可視化系統(tǒng)[J].地震工程學(xué)報(bào),2014,36(3):759-764.

YU Kai,ZUO Zi-bo,WANG Ying-yi,et al.Visualization System of Immersed Tube Tunnel Construction Based on Remote Real-time Monitoring[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):759-764.(in Chinese)

[21]Ni Y Q,Xia Y,Liao W Y,et al.Technology Innovation in Developing the Structural Health Monitoring System for Guangzhou New TV Tower[J].Structural Control and Health Monitoring，2009,16(1):73-98.

[22]李萬潤(rùn). 基于模型修正與時(shí)序分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究[D].蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2013.

LI Wan-run.Damage Identification Based on Model Updating and Time Series Analysis[D].Lanzhou: Lanzhou University of Technology,2013.(in Chinese)

[23]金星,韋永祥,陳學(xué)良,等.隔震建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震觀測(cè)與初步分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2007,27(6):181-188.

JIN Xing,WEI Yong-xiang,CHEN Xue-liang,et al.Strong Motion Observation for a Base-isolated Building and Its Primary Analysis[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2007,27(6):181-188. (in Chinese)

[24]金星,韋永祥,張紅才,等.基于強(qiáng)震觀測(cè)的隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2009,29(2):19-28.

JIN Xing,WEI Yong-xiang,ZHANG Hong-cai,et al.Analysis of Seismic Responses of a Base-isolated Building on the Basis of Strong Motion Observation[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2009,29(2):19-28.(in Chinese)

[25]范雁,張季超,許勇.廣東科學(xué)中心E區(qū)隔震支座監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)研究與應(yīng)用[J].工程力學(xué),2010,27(增刊1):103-107.

FAN Yan,ZHANG Ji-chao,XU Yong.Study and Application of the Early-warning Index for Isolation Bearings Monitoring in Guangdong Science Center E Area[J].Engineering Mechanics,2010,27(Supp 1):103-107. (in Chinese)

[26]陳洋洋,譚平,陳建秋,等.汶川災(zāi)后重建的隔震建筑遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,52(4):76-82.

CHEN Yang-yang,TAN Ping,CHEN Jian-qiu,et al.Remote Real-Time Monitoring for Seismic Isolated Buildings in the Wenchuan Post-disaster Reconstruction[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatsen,2013,52(4):76-82.(in Chinese)

[27]朱文正,張季超.基于智能傳感技術(shù)的廣東科學(xué)中心隔震系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2014,47(5):40-45.

ZHU Wen-zheng,ZHANG Ji-chao.Real Time Monitoring of Isolation System of Guangdong Science Center Based on Intelligent Sensor Technology[J].China Civil Engineering Journal, 2014,47(5):40-45. (in Chinese)

[28]王亞楠, 李慧, 杜永峰. TMD-基礎(chǔ)隔震混合控制體系在近場(chǎng)地震作用下的能量響應(yīng)與減震效果分析[J].振動(dòng)與沖擊, 2014, 33(4): 204-209.

WANG Ya-nan,LI Hui,DU Yong-feng.Energy Response and Anti-vibration Effect Analysis for a Base-Isolated Structure with TMD under Near-field Earthquake[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(4):204-209.(in Chinese)

[29]李慧,謝文清,杜永峰,等.某超長(zhǎng)隔震結(jié)構(gòu)在溫度及收縮作用下的變形研究[J].工程抗震與加固改造,2013,35(1):40-44.

LI Hui,XIE Wen-qing,DU Yong-feng,et al. Study on the Deformation of a Ultra-long Base Isolated Structure under Temperature and Shrinkage[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2013,35(1):40-44.(in Chinese)

[30]董云菲.考慮支座非載荷初始位移的超長(zhǎng)復(fù)雜隔震結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].蘭州: 蘭州理工大學(xué),2014.

DONG Yun-fei.Seismic Performance Analysis of Irregularly Super-long Isolated Structure Considering Initial Unloaded Displacemental Isolators[D].Lanzhou: Lanzhou University of Technology,2014. (in Chinese)

[31]魏仲彬.施工期隔震層鋼筋混凝土梁內(nèi)力分析與裂縫模擬[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2013.

WEI Zhong-bin.Internal Force Analysis and Fracture Simulation of Reinforced Concrete Beam in the Isolation Layers during Construction[D].Lanzhou:Lanzhou University of Technology,2013. (in Chinese)

[32]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of PRC. GB50011-2010,Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing: China Building Industry Press,2010.(in Chinese)

[33]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of PRC. JGJ3-2010,Technical Specification for Concrete Structures of Tall Building[S].Beijing: China Building Industry Press,2010.(in Chinese)

Design and Implementation of Structural Health Monitoring System for Base-isolated Structure (I): System Design

LI Wan-run1,2,3, ZHENG Wen-zhi2, DU Yong-feng1,2,3, LI Hui1,2,3

(1.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,Gansu,China; 2.InstituteofEarthquakeProtectionandDisasterMitigation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,Gansu,China; 3.WesternCenterofDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,Gansu,China)

Abstract:Due to reduce the damaging effect of superstructures subjected to strong earthquakes, isolation technology is widely used in infrastructure construction, such as in hospitals, teaching buildings, and so on. Many significant research achievements have been achieved with respect to base-isolated structures (BISs). Although isolation technology has been maturing over several decades of development, a number of questions remain. The influence on BISs subjected to strong ground motion, and environmental and other loads, the rationality of structure design, and the performance of BISs buildings that have experienced earthquakes must still be verified by structural health monitoring operation. A BIS structural health monitoring system consists of sensory system, data acquisition and transmission system, data processing and control system, structural health data management system, structural health evaluation system, and inspection and maintenance system. Based on site inspections, prior monitoring of dynamic parameters based on BIS characteristics has been proposed. The monitored data should include seismic ground motion, temperature and humidity of the isolation layer, the foundation settlement and wind load (high-rise BISs), horizontal and vertical static displacement of the isolation bearings, vertical strain on the isolation bearings and strain of the isolation layer girder, and horizontal and vertical dynamic displacement of the isolation bearings and acceleration response of the superstructure. Considering the BIS characteristics, in this paper, we propose the primary subjects to be monitored, and consider the general overall design requirements of a BIS health monitoring system. According to different monitoring variables (global and local), we propose basic principles for the sensors selection and layout, and the hardware and software designs of the data acquisition and transmission system. We also present approaches to the design verification and safety performance evaluation. Finally, we address the problems which need to be further studied with respect further study with respect to the influence rule for isolation bearing in the construction process, concrete shrinkage of the superstructure, and setting the site of the post-poured strip; temperature load spectrum and a correlation model of BISs with temperature; how to assess the performance of a BIS while isolation bearing in parallel caused an initial displacement; questions about the fatigue of BISs subjected to earthquakes and wind load; and questions about the rule of progressive and anti-progressive collapses of BISs.

Key words：base-isolated structure; structural health monitoring; system design; performance evaluation

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0094

中圖分類號(hào):TU352.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)01-0094-09

作者簡(jiǎn)介：李萬潤(rùn)(1985-)，甘肅民勤人，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究。E-mail:ce_wrli@163.com。通信作者：杜永峰(1962-)，甘肅慶陽人，教授，博導(dǎo)，主要從事結(jié)構(gòu)減震控制及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究。E-mail:dooyf@lut.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51578247，51178211，51568041)；甘肅省青年科技基金計(jì)劃(148RJYA004)；蘭州理工大學(xué)建筑工程系七七級(jí)校友獎(jiǎng)勵(lì)基金(TM-QK-1307)

收稿日期：①2015-05-04