TCECS505-2018 光纤光栅结构振动检测与监测标准.pdf

T/C 厄 亡 昌:劝鬓 袅 p 班、，.r)理j.卜卜k中 国 工 程 邹 协 会 标 戒 叮.几气1一二幸 1.、.f自 目，胃.冷卉厂光纤 卜.卜吠竺 宝_碑:标准嘴l升 二_ 叹含.arJ 砂二二可 气例e味。J丫 反险书醉一，.罗，-jt厂子。月纤 一寒军 落才 澎 守ll，司望万夕认L.辱 .补 二 华嵘三，.三 :讼刊冲一1.翻 冲沪礼呼卜1 七;一，泛一一，声_，交:一“-贬.、，、尸 牛日卜卜叭称少汽烤、。中国计澎出 七版社、之.，.中国工 程建设 协 会标 准光纤光栅结构振动检测 与监测标准 S t a n d a r d f o r t e s t i n g a n d mo n i t o r i n g o ns t r u c t u r a l v i b r a t i o n s u s in g f i b e r g r a t i n g s e n s o r sT/C E C S 5 0 5 一 2 0 1 8主编单 位:东 南 大学批准单位:中国工程建设标准化协会施行日期:2 0 18年 5月 1日中国计划出版社2 0 1 8 北京 中国工程建设协会标准 光纤光栅结构振动检测与 监 测 标 准 T/C EC S 5 0 5 一 2 0 1 8 中国计划出版社出版发行 网址:w w w.j h p r e s s.c o m地址:北京市西城区木梆地北里甲 11 号国宏大厦 C座 3 层 邮政编码:1 0 0 0 3 8 电话:(0 1 0)6 3 9 0 6 4 3 5(发行部)廊坊市海涛印刷有限公 司印刷8 5 0 mmX 1 1 6 8 m ml/3 2 3.7 5印张9 5干字2 0 1 8 年 1 0 月第 1 版2 0 1 8 年 1 0 月第1 次印刷 印数 1 一1 0 8 0 册 统一 书号:1 5 5 1 8 2 0 3 5 8 定价:4 5.0 0 元 版权所有 侵权必究 侵权举报电话:(0 1 0)6 3 9 0 6 4 0 4如有印装质量问题.请寄本社出版部调换中国工程建设标准化协会公告第 3 2 9号关于发布 光纤光栅结构振动检测与监测标准 的公告 根据中国工程建设标准化协会 关于印发(2 0 14 年第一批工程建设协会标准制订、修订计划 的通知(建标协字 2 0 1 4 1 2 7号)的要求，由东南 大学 等单 位编制 的 光纤 光栅结构 振动检 测与监测标准，经本协会建筑振动专业委员会组织审查，现批准发布，编号为 T/C E C S 5 0 5 一 2 0 1 8.自 2 0 1 8 年 5 月 1日起施行。中国工程建设标准化协会 二0一八 年一月十二 日月 IJ舀 根据中国工程建设标准化协会 关于印发0，则有明显损伤发生。艺(醉)”L，/习(烈)几尽=气 上 一 一 一 一一升一一一一 一1 艺(反 r)L，/艺(及 r)L，(9)r 一 1，二 1 式中孟，和灵分另 IJ 是损伤前后规一化的第1 单元的，阶模态应变，:是目标单元的数量.m是测量的模态总阶数，L，是第 1 单元 的长 度。应变模态柔度法，该方法的基本步骤是:1)从测量的动应变提取结构的模态应变;2)对模态应变实施质量的规一化处理;3)将规一的模态应变代人公式(1 0)计算结构的模态柔度矩阵 户;4)将矩阵对角主元素取出，构建损伤识别向量凡，如公式(1 1);5)比较损 7l伤识别向量的前后相对变化，如公式(1 2)，向量元素变化超过 5%的则对应位置发生显著损伤。.反 r 瓦 r ”否:r 及，瓦;日 1 凡 凡:、”(1()(11)一声=1一斌凡。乙同._只少 一 碑，I)=一 一 一;二 丁 二一 护 丫(1 2)式中，民是质量规一化的第 1 单元的，一 阶模态应变，。，是结构厂阶频率，是目标单元的数量，m是测量的模态总阶数，符号 d和u分别表示损伤发生后和损伤发生前。7.7.4 基于点式应变模态向量在应变模态能量法、应变振型、曲率振型、应变模态柔度等的动力损伤识别计算中容易受到累积误差的影响，因此宜采用长标距应变模态向量，具体理由参考本条文说明7.4.3。7.7.5 支座老化、失效识别可采用如下方法:(1)利用静载试验，比较结构刚度(荷载一 挠度、支座转动刚度)的变化，识别支座失效。(2)利用动态方法(固有频率差值法、应变振型法、曲率振型法、应变模态能量法和应变模态柔度法).识别支座失效。动力参数可由光纤光栅应变数据求得。具体方法如下:”不同时间段内分别提取应变振型，提取方法采用本节相关规定。2)选取某个单元作为参考单元，其他单元作为目标单元，以参考单元的应变振型值为横坐标，目标单元的应变振型值为纵坐标描出多个散点图，用直线拟合散点图，观察拟合直线的斜率变化。3)若两个时间段的多次采集数据得到的拟合直线斜率有变化.从斜率变化的规律可判别结构支座是否存在老化或损伤。(3)将固有频率或其他模态参数输入有限元模型中，以支座为未知参量进行模型修正，识别支座损伤。在支座 老化、失效识 别过程 中，在 支座附近宜采 用基于长标距 72传感器的传感方式或密集布设的基于点式传感器的传感方式。因为长标距传感器相对于点式传感器，覆盖范围更广、对损伤更灵敏，可以有效减少识别过程中漏判和误判，一般宜采用基于长标距传感器的传感方式。7.7.6 支座不均匀沉降的识别采用如下方法:当结构支座发生沉降时，将引起结构的应变重分布，且支座的沉降值与结构应变变化值具有特定的对应关系，结构在支座沉降后不同位置的应变变化也呈某种相 关关 系.这 种对 应关 系和相 关关 系可 以通过 力学 分析获得。据此.根据测得的结构特定位置(一般可选取对支座不均匀沉降比较敏感的部位)的应变变化情况，可反推结构支座的不均匀沉降。实现支座不均匀沉降的识别。结构特定位置的应变变化，可由布设在这些位 置的光纤光栅 传感 器所测得。7.8 荷 载 识 别7.8.1 荷载识别可采用弯矩法.利用纤维模型法可计算单元的弯矩分布.利用弯矩和荷载之间的关系反算荷载。参考前面的纤维截面模型.假定结构物理参数，包括材料属性(简称MP)和几何属性(简称 G P)已知。根据有限元分析在已知荷载模式的前提下，可建立结构荷载与各单元之间的理论关系式，一般可表示成与单元位置.:，有关的函数:F，=f(从 二:，)(1 3)对于集中荷载作用，梁的剪应力峰值或突变值的位置就是荷载作用位置.即判断弯矩沿梁方向的斜率变化，判断集中荷载的数目.然后 再根据 弯矩 可求 解荷载。d M龙 气.f)=d.r(1.1)在实际工程中.对于多单元的监测结果与理论分析结果进行比较，进一步提高荷载计算精度。全 只(1 5)2 27.8.2 荷载识别可采用影响线面积法，车辆荷载通过结构时的应变时程面积与单 位 荷载 下 的影 响线 面 积之 比就 是 移动 荷载 的大/J、。通常情况下，桥梁结构所受移动荷载为多轴车辆荷载.因此所测得的结构响应可看 作是多个集中荷载 的作用叠加。因此需要获得车辆荷载作用下的结构量值曲线。如图13 所示简支梁.其上作用于 四个车轴车 载，各轴 间距 离分别 为 dl、d Z、d 3，各 轴轴重 分别 图 13车辆荷载作J 月 下跨中截面弯矩影响线为 尸 1、尸 2、尸 3、尸 4，则在车辆荷载作用下，跨中截面的弯矩方程应为:F(.。)=尸:f(.。)+尸:f(.:一d:)+尸，f(.:一d 一 d Z)+尸:f(.。一d，一d:一d:)(1 6)(O厂(.r一 d.)=J f(r 一dl)(0 蕊.。镇 d，)(d:f 毛 2+d，)(1 7)f0f(.l，一 dl 一 ds)一 f(一试 一 达 (0 成.r 成 d:+姚)(d。+姚.:镇1+d，十达)(1 8)了(.r 一d 一d Z 一d;)=(0 毛、r 毛 d:+d:+d 3).厂 一d，一 d，一d 3)(d.+d:+d、.。簇 2+d;+d:+d 3)(1 9)了f气 f尹1|少IL式中二。为第一个车轴距桥头的距离.f(.1.)为跨中截面弯矩影响线，称F(.1.)为车辆荷载影响线函数。由于各车轴对于结构的作用时间并不一致，因此每个车轴的影响线方程应为式(1 8)、式(1 9)，在该车轴还未在结构上时影响值为。，而总的影响长度则为桥长与总轴距之 和。然后通过式(20)进行车辆荷载识别:丁 犷“一 d(2 0)JLI (.f产l式 中，尸即为车辆荷载 总重，L为桥 长。1 为车 身 长。F(.1.)为 车辆荷载影响线，可通过现场测试获得，f(曰为量值影响线，可通过有限元方法或 采用已知车型、车重 的车辆，按照一 定速 度匀速 行驶，反复多次获得。对简 支梁桥而言.可考虑通过式(2 1)获得车载速度:d飞 尸:二 二=t dt Z一 1 1(21)式 中，d对 简支梁桥可取 桥长，t 则为结构 应变、位移 等能 反映结构响应的物理量出现明显变化的持续时间。8 传感器网络的数据采集、控制与处理8.1 一 般 规 定8.1.1 光纤光栅传感器网络将获取海量数据，采用信息融合技术，对监测信号的特征进行提取、分离、压缩和和分析处理，是实现结构健康监测的重要手段。数据采集和传输子系统应包括数据采集、数据预处理、数据传输(通信)。其中数据采集系统是根据监测系统的功能需求，设计形成一个或多个数据采集终端，分别布置在待测结构上。按照控制中心站等终端的要求.在光纤传感器的配合下，采集结构的各类信号，进而将这些信号数据传输到监测中心。继而实现远程监控中心访问下载及统一管理。8.1.2 数据质量是衡量数据传输网络的主要参数。光纤传感器网络的数据传输方式应包括采集现场的内场传输和远程数据传输的外场传输。应尽量利用现有的网络条件搭建传输线路，实现内、外场的整个传输网络问的数据传输和共享，为此应匹配各设备终端的数据接口。传输宜采用成熟的数据接口和协议如 T C P/I P协议。对于实时的传输网络，传输的同步应匹配时间基准和数据传输速度的需求。传输硬件应注意各级设备间的软硬件兼容匹配.应考虑对传输硬件提供足够防护.尽量选用户外型的工业级的设备和线缆.优先采用有线形式的电缆和光纤/光缆连接。不允许时可采用无线通信的传输形式。此外，数据传输故障时还应有告警和修复机制。8.1.3 设置噪声阂值的目的是隔离光纤传感器的强边模反射.或 7 6由于光纤法兰头或光纤末端引起的反射，使中心波长的探测值更准确。采集中往往能同时采集到光纤传感器中的中心波长信号和噪声信号，而噪声信号的能级往往低于传感器中心波长信号的能级，因此采集系统应可以设置某信号强度闭值，闭值以下的可认定是噪声进行隔离，在阑值之上进行中心波长信号的采集，强度闹值的具体数值，应依据光纤传感器和采集硬件的特性及标定数值进行确定。8.1.4 错误数据是指所采集数据样本中的个别值。其数值明显偏离其所属样本的其余观测值，对错误数据的判别与剔除宜采用物理判别法和统计判别法等方法。8.1.5各级数据 通道 必须 确保 高 效率 无差 错 的传送。若将 海 量数据整体传输必然导致可靠性下降，且任何一种通信线路上都不可避 免受 到一定程 度的 干扰，尤 其在 恶 劣的施 工环 境 下。信道 噪声所造 成 的后 果是接 收端接 收 的数 据 与发送 端 不一致，即造 成 传输差错。为避免传输差错，宜建立数据校验的传输质量控制机制。8.2 数据 同步采 集和控制8.2.1 采集设备的分布方式包括:集中采集:传感器系统空问分布较集中时宜采用此方法.即仅设置单一的中心采集站(仪).根据实际情况，中心采集站(仪)可安置于结构外.也可以安置于桥隧结构内达到安置条件的区域。分散采集:传感器系统空间分布较分散时，或集中采集方案传感器和采集站(仪)的连接距离超过传感器信号衰减传输性能所允许的最远距离时.宜考虑设置多个子采集站(仪)。各子采集站(仪)与中心采集站(仪)相连，其中子采集站(仪)必须置于具备设备安 7 7置条件的区域，传感器与采集站(仪)，子采集站(仪)与中心采集站(仪)的连接必须可靠、