浅谈建筑结构健康监测系统的快速部署方案-欧美大地

桥梁、高层建筑等建筑物在使用过程中，在自然环境（如风荷载、波浪、地震等）、人的活动及设备振动等激励下会产生振动，这是工程界的一个老问题。近年来建筑结构振动问题也频频出现，引发社会关注。如，2021年深圳华强北赛格大厦因风、地铁运行及温度等多种因素耦合，出现剧烈晃动；2020年鹦鹉洲长江大桥双向桥面因特定风况引起的上下波形晃动，都是结构在使用过程中受到外部荷载的影响出现振动的情况。

建筑结构存在固有频率，当结构受到外部荷载影响或本身结构受损，会导致其振动频率发生变化。当振动频率与结构物的固有频率相近，会发生共振。振动轻者会影响人们正常生活、工作的舒适度，重者会影响生产的正常运行，更严重者会影响结构主体安全，导致结构物损坏。因此，对结构物尤其是高层建筑、桥梁、大坝等重点结构物进行实时监测并形成城市建筑物安全监测网，即时捕捉建筑物的振动状态非常重要。特别是在遭受地震、工业振动等情况后，可以为专家快速分析提供判断依据，缩短政府决策时间和形成快速处置方案。

依托于加速度仪、地震仪等高灵敏度检测设备组成的结构健康监测系统（SHM），相比于传统的土木结构监测方法能够捕获更高的共振频率，同时通过传感器阵列能够对建筑结构损伤进行检测和定位，提供高精度的实时速度扰动结果。

结构健康监测·监测方案

根据结构物情况的不同（如大坝结构，建筑高度），在传感器阵列布设的过程中，为解决供电和信号传输的需求，需要布置大量线缆，给系统造价和现场实施带来一定的难度。

目前普遍使用的地震仪一般都具有多种通信接口，主要包括RS-232串口、Modem、RJ-45以太网口等接口，可直接用RS-232电缆现场连接，或使用调制解调器通过一个电信网络连接，或通过互联网访问强震仪的IP地址来建立计算机与记录仪之间的远程联系，并应用通信软件在记录仪和计算机之间传送文件，查看记录仪的状态和信息、改变记录仪参数等。在以太网电缆无法覆盖的偏远地方，没有公用通信网络，使用光纤来延长传输距离是目前最好的选择。

用金属铜线作为传输介质，标准的RS-232通信距离只有15m，而双绞线在以太网接口间的传输距离也只有100m，在结构监测中，这个距离远远不够。如果采用光纤通讯方案，通信距离可以达到20km以上，但在单一结构建筑结构内使用存在性能过剩，且成本较高的问题。而无线传感技术，在实际工程中，需要更多考虑其稳定性、时间同步、传输速度及实时性的问题。

IEEE 802.3cg 10BASE-T1L标准

在需要局部通信的建筑结构内，最新的IEEE 802.3cg 10BASE-T1L规范实现了以太网通信在远距离通信上的应用。

该标准支持通过一对双绞线在1,000米的距离内进行10Mbps全双工通信，实现了利用以太网进行两线制远距离通信的可能。随着电缆长度更长，设计人员可以扩展工业通信的范围，而无需增加系统重量或布线成本。支持的电缆长度更长，还会提高短距离电缆的寿命，在电缆老化时不会影响传输质量。

IEEE 802.3cg-2019标准用于规范管理10BASE-T1L连接。这个单对以太网（SPE）媒介标准可实现10Mbps的通信速度，并支持通过长达1km的单条双绞线提供电源和传输数据。

以太网交换机ETH-T1L模块

基于10BASE-T1L新标准的创新以太网交换机ETH-T1L模块，可以连接加速度计、记录仪和其他数据集中型设备，实现多种数据记录仪组网，并提供1200米以上距离的10MBps数据传输及供电。

• 以太网供电（PoE），无需单独为 任何设备供电

• 模块间最长可达1200m 电缆

• 高性价比电缆

• 减少安装时间

• 无限扩展的网络提供了覆盖任何 距离的可能性

加速度仪/烈度计

ela用于大规模的室内部署和室外安装。

加速度仪（高动态）

albris紧凑型、全功能型的数字加速度仪。

ETH-T1L模块建构监测解决方案

在建筑结构健康监测中，可以利用新型的10BASE-T1L连接实现系统的快速部署，从而利用安装在结构上的若干类型传感器来检测超过允许范围的性能参数，以及识别和验证结构行为。对于“盒状”建筑结构，其运动方向主要为X轴平移、Y轴平移和X-Y扭转。

在监测过程中，主要采用单轴/双轴/三轴加速度仪，对建筑结构的平移、扭转、层间位移及响应谱等参数进行监测。

高层建筑方案

由单一电源集中供电，形成标准的TCP/IP网络 (LAN)。高动态范围的加速度仪(albris) ，在每个测量点都有完整的数据记录和存储冗余。单个GPS模块为所有记录仪提供纳秒精度的计时。固定电话或4G路由器为远程数据采集、配置，以及任何通知提供互联网接入服务。任何其他的TCP/IP设备，如计算机、打印机等，也可以连接进来，添加到现有的LAN中。

由单一电源集中供电，形成标准的TCP/IP网络 (LAN)，这次的分布略有不同。低动态范围的加速度仪(ela) ，在每个测量点都有完整的数据记录和存储冗余。在加速度仪(ela)的干接点继电器上，可基于网络上所有设备的表决逻辑产生报警信号。单个GPS模块为所有记录仪提供纳秒精度的计时。固定电话或4G路由器为远程数据采集、配置，以及任何通知提供互联网接入服务。任何其他的TCP/IP设备，如计算机、打印机等，也可以连接进来，添加到现有的LAN中。

大坝方案

一个真正的树状拓扑，采用高动态范围的加速度仪 (albris) ，在每个测量点都有完整的数据记录和存储冗余。单个GPS模块为所有记录仪提供纳秒精度的计时。固定电话或4G路由器为远程数据采集、配置，以及任何通知提供互联网接入服务。任何其他的TCP/IP设备，如计算机、打印机等，也可以连接进来，添加到现有的LAN中。

桥梁方案

一个真正的总线拓扑，采用两端供电和混合动态范围加速度仪(albris和ela)，在每个测量点都有完整的数据记录和存储冗余。在加速度仪(ela)的干接点继电器上，基于网络上所有设备的表决逻辑产生报警信号。单个GPS模块为所有记录仪提供纳秒精度的计时。固定电话或4G路由器为远程数据采集、配置，以及任何通知提供互联网接入服务。任何其他的TCP/IP设备，如计算机、打印机等，也可以连接进来，添加到现有的LAN中。

2.5km长距离拓扑，采用有中央供电和混合动态范围加速度仪(albris和ela)，在每个测量点都有完整的数据记录和存储冗余。单个GPS模块为所有记录仪提供纳秒精度的计时。固定电话或4G路由器为远程数据采集、配置，以及任何通知提供互联网接入服务。任何其他的TCP/IP设备，如计算机、打印机等，也可以连接进来，添加到现有的LAN中。

GeoSMART结构健康监测软件

GeoSMART是一款创新的图形应用程序，它为土木工程结构提供实时结构健康监测。具有“智能”特性的GeoSMART可以监测和显示结构的状态。

• 任何结构实时状态的3D显示。

• 交互式缩放、旋转、平移、可见性和投影。

• 实时交互式地图上的多个结构。

• 实时连续的数据采集和处理。

• 基于滑动窗口的连续频率分析：振幅、频谱图和反应谱。

• 平移和旋转中的刚体运动。

• 非仪器区域的插值。

• 层间漂移比和扭转。

• 超出预定义的阈值水平或曲线。

面对日益强烈的安全性需求，建筑结构安全监测的研究与实践愈发重要。欢迎您与欧美大地一起探索结构健康监测系统的未来发展与应用。