基于無線傳感技術(shù)的多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動化監(jiān)測

王 群，嚴(yán)心娥

（1.西安思源學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，西安 710038；2.西安交通工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，西安 710300）

結(jié)構(gòu)工程是土木工程專業(yè)的重要學(xué)科，因?yàn)槠溲芯款I(lǐng)域的復(fù)雜性和不確定性面臨著許多勘測困難。由于各種自然災(zāi)害造成的建筑物損傷及坍塌所產(chǎn)生的影響不斷增加，建筑構(gòu)件在自然災(zāi)害影響下穩(wěn)定性的研究日益受到重視。

對此，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]提出罕遇的設(shè)防烈度地動因素規(guī)則多層砌塊設(shè)計修改設(shè)計實(shí)用技術(shù)，以砌塊抗剪強(qiáng)度方程的合理彈塑性模型為依據(jù)，確立了砌塊全樓面屈服強(qiáng)度關(guān)系的計算結(jié)果方法，并充分考慮到防震措施的作用，從而完成了由單塊墻肢的厚度計算向全樓面屈服強(qiáng)度計算結(jié)果的過渡，按照以Takeda 滯回模式為基準(zhǔn)的有效阻尼器計算公式，并考慮砌體構(gòu)造的基本周期和延性特征對其加以相應(yīng)簡化，但此方法的計算量巨大，耗費(fèi)時間長；文獻(xiàn)[2]提出規(guī)則多層砌體結(jié)構(gòu)基于位移和伸縮性的抗震性能評價方法，在非迭代等效線性化法的基礎(chǔ)上，確立其等效單自由度結(jié)構(gòu)的最大屈服位移以及彈塑性位移要求，最大互層彈塑性位移以及伸縮性要求的計算公式，將最大互層彈塑性位移以及伸縮性要求與相應(yīng)的限值加以對比，判斷結(jié)構(gòu)能否滿足某抗震性能指標(biāo)的需要，并由此形成了規(guī)范多層砌體結(jié)構(gòu)基于位移和伸縮性的抗震性能評價體系，但此方法在評定過程中的精確率不足，容易發(fā)生失誤。

為了提升多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動監(jiān)測效果，本文設(shè)計了一種基于無線傳感技術(shù)的多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動監(jiān)測模型。

1 多層砌體結(jié)構(gòu)抗震信息獲取

本文通過等效體積單元技術(shù)獲得多層砌塊單元抗震數(shù)據(jù)，采用均質(zhì)技術(shù)將所有砌體與砂漿結(jié)構(gòu)材料都視為一個連續(xù)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過建立可以等效于所有砌體組成材料的砌塊等效體積單元，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)單元結(jié)構(gòu)，二維狀態(tài)的砌塊等效體積單元的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式（1）所示：

式中：v 為砌體等效結(jié)構(gòu)單元的泊松比；E 為彈性模量；σ 為剪切模量。

利用均質(zhì)化原理分別將加固前、后砌體結(jié)構(gòu)中的砌體和砂漿等效為砌體等效體積單元，采用ANSYS無線傳感軟件對其進(jìn)行時程分析[3-4]。根據(jù)對稱性選取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到的砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[5-6]如式（2）所示：

式中：f 為砌體平均受壓強(qiáng)度；c 為豎向壓應(yīng)力；ε 為豎向壓應(yīng)變。

由于加固前后砌體的振型模態(tài)相同，因此當(dāng)加固后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和墻體剛度增加時，加固后的各階周期減小，通過上述2 個公式可計算出砌體結(jié)構(gòu)的開裂臨界值以及抗壓強(qiáng)度，完成多層砌體結(jié)構(gòu)抗震信息獲取。

2 無線傳感技術(shù)下抗震自動監(jiān)測模型

本文利用無線傳輸分析軟件ANSYS 選取砌體抗震自動監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)選取基本流程如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)選取基本流程Fig.1 Basic flow chart of monitoring point selection

觀察圖1 可知，監(jiān)測點(diǎn)選取包含解析對象的離散式化、有限元計算、對監(jiān)測點(diǎn)選取的后處理過程等3 個組成部分[7-8]。首先定義多層砌塊結(jié)構(gòu)單元的單位移動、節(jié)點(diǎn)力向量，然后選取相應(yīng)的位移函數(shù)，以求得結(jié)構(gòu)單位中任意某個點(diǎn)的移動和節(jié)點(diǎn)移動的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而給出單位應(yīng)力-單元移動-節(jié)點(diǎn)移動相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)，找出單位應(yīng)力-應(yīng)變-節(jié)點(diǎn)移動間距、節(jié)點(diǎn)位置與節(jié)點(diǎn)移動、節(jié)點(diǎn)移動與內(nèi)部應(yīng)力相互之間的關(guān)聯(lián)等。對多層砌塊結(jié)構(gòu)單位進(jìn)行分類時，本文將鋼結(jié)構(gòu)建筑單位看成持續(xù)、完全彈性、均勻分布、各向同性、微小變化和無初應(yīng)力的單位加以對待[9-10]。利用分析多層砌體結(jié)構(gòu)的權(quán)重原則可以得出應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)及區(qū)域，而這些點(diǎn)的承載力狀況又能切實(shí)反應(yīng)安全工作狀況，由此可以看出，它是保障安全工作質(zhì)量的主要數(shù)據(jù)參數(shù)[11]。

得到監(jiān)測點(diǎn)后，再建立監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，由于墻體在復(fù)合應(yīng)力影響下并非直接沿最大應(yīng)力的作用面破裂，而是出現(xiàn)在應(yīng)力變化較小的薄弱斷面，隨著復(fù)合應(yīng)力狀況的改變也可以產(chǎn)生不同的剪切損傷形式，因此本文根據(jù)正交的各向異性增量型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在平面應(yīng)力狀態(tài)采用主應(yīng)力軸的情形下建立的監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，如式（3）所示：

式中：λ 為建立的數(shù)學(xué)模型；v 為主應(yīng)力；s 為在a 的等效單軸應(yīng)變或多層砌體的各主應(yīng)力中的切面模量；e則為平面剪切模量[12]。

因?yàn)閱屋S應(yīng)力應(yīng)變曲線的形式不同，因此本文選取E 作為砌體單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的切線模量。多層砌體結(jié)構(gòu)的損壞原因包括受壓、受拉或受剪切等，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到破碎邊界的破裂界限，決定破碎的性質(zhì)薄弱的灰縫強(qiáng)度并影響砌筑強(qiáng)度的方向性，而組合應(yīng)力則將損壞灰縫較厚的砌筑上，所以，砌體損傷準(zhǔn)則應(yīng)充分考慮各項(xiàng)損壞原因，監(jiān)測數(shù)學(xué)模型便可很好地完成對破壞因素的統(tǒng)計分析。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在驗(yàn)證設(shè)計方法的性能之前，需要做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)所用系統(tǒng)由端機(jī)、基站和傳感器節(jié)點(diǎn)組成?；臼怯蔁o線網(wǎng)關(guān)、個人計算機(jī)及基于虛擬儀器平臺的應(yīng)用軟件、微型打印機(jī)等組成；端機(jī)即用戶終端，其與基站之間可通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換；傳感器節(jié)點(diǎn)由英特爾第五代集成顯卡（intel iris graphics，IRIS）模塊、數(shù)據(jù)采集板、處理電路構(gòu)成。該檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)采用了基于無線傳輸技術(shù)的無線檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用的具體協(xié)議為TCP/IP 協(xié)議。在多層砌體結(jié)構(gòu)抗震信息獲取方面利用串行接口設(shè)備和插入式信息收集模塊等實(shí)現(xiàn)信息收集。實(shí)驗(yàn)環(huán)境在LabVIEW 上實(shí)現(xiàn)，設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)具備開始監(jiān)測、開始記錄數(shù)據(jù)等功能。

具體功能如下：在監(jiān)測項(xiàng)中選擇需要監(jiān)測的選型，點(diǎn)擊“開始監(jiān)測”，圖形曲線開始顯示，顯示值為所測節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值；點(diǎn)擊“開始記錄數(shù)據(jù)”，彈出記錄數(shù)據(jù)保存對話框，輸入要保存數(shù)據(jù)的文件名，并選擇要保存的格式及文件位置，即完成數(shù)據(jù)保存；點(diǎn)擊“停止記錄”即停止對監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存，但后臺繼續(xù)監(jiān)測，圖形曲線繼續(xù)顯示；點(diǎn)擊“暫停監(jiān)測”，圖形曲線停止顯示；點(diǎn)擊“退出”，即程序停止運(yùn)行，點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)回放”可實(shí)現(xiàn)對記錄數(shù)據(jù)的查看。

3.2 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于無線傳感技術(shù)的多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動監(jiān)測模型的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)定實(shí)驗(yàn)，選用基于抗震分析的多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動監(jiān)測模型和基于規(guī)則多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動監(jiān)測模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。分別在不同等級的地震下監(jiān)測多層砌體結(jié)構(gòu)抗震能力，分析砌體結(jié)構(gòu)承受負(fù)荷和沉降值。地震監(jiān)測等級如表1 所示，地震監(jiān)測過程如圖2 所示。

表1 地震監(jiān)測等級Tab.1 Seismic monitoring levels

圖2 地震監(jiān)測過程Fig.2 Seismic monitoring process

本文監(jiān)測的部分砌體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 砌體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of masonry structure

得到的砌體承受負(fù)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 和圖5所示。

圖4 砌體承受負(fù)荷模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of masonry bearing load

圖5 砌體承受負(fù)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Load bearing test results of masonry

根據(jù)砌體承受荷載進(jìn)一步分析沉降值，得到的沉降值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。根據(jù)表2 可知，本文提出的監(jiān)測方法與實(shí)際地震沉降量基本一致，尤其是在強(qiáng)震模式下，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法受強(qiáng)震影響已經(jīng)無法準(zhǔn)確判斷多層砌體結(jié)構(gòu)的沉降量。詳細(xì)分析可知，本文方法的誤差均為正誤差，而誤差最高值發(fā)生在3.5 h 時，其誤差值為0.09 m，而兩種對比方法的誤差隨著實(shí)際沉降量的增加，誤差逐漸增大，誤差均為負(fù)向誤差，并且誤差值較高，其中抗震分析監(jiān)測模型監(jiān)測沉降量的最高誤差達(dá)到了0.98 m，規(guī)則多層砌體結(jié)構(gòu)抗震監(jiān)測模型監(jiān)測沉降量最高誤差達(dá)到了0.74 m，3 種方法相比可知，本文方法的誤差降低了0.89 m 和0.65 m，該結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計的無線傳感技術(shù)監(jiān)測模型具備更高的監(jiān)測準(zhǔn)確性，監(jiān)測誤差較小，實(shí)際應(yīng)用價值更高。

表2 沉降值實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Settlement value test results

4 結(jié)語

我國現(xiàn)在存有大量多層砌體機(jī)構(gòu)建筑，其中有很大比例的建筑因建造時未進(jìn)行抗震設(shè)計而產(chǎn)生安全隱患，因此對多層砌體結(jié)構(gòu)的抗震自動檢測至關(guān)重要。本文基于無線傳感技術(shù)，提出了一種多層砌體結(jié)構(gòu)抗震自動檢測模型.首先對多層砌體結(jié)構(gòu)抗震信息進(jìn)行獲取，進(jìn)而確定監(jiān)測點(diǎn)位置，由此建立監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，通過模型實(shí)現(xiàn)多層砌體結(jié)構(gòu)的抗震自動檢測。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計的監(jiān)測模型在精確度、成功率、運(yùn)算速度方面都具有良好數(shù)據(jù)，適合實(shí)際采用，但本文對于模型的魯棒性方面仍有不足，后續(xù)研究將圍繞此方面進(jìn)行。