网架结构健康监测中传感器优化布置研究

随着工程技术的进步,现代大跨度空间结构,体系日益新颖,形式日益复杂,规模日益庞大。而这类大跨度空间结构通常运用于体育场馆、机场侯机楼、会展中心、影剧院等公共服务设施的建筑,通常是人员聚集、大型活动的场所。因此,对空间结构在建造和服役期间的健康监测、诊断以及各种灾害影响下的损伤预测、识别与预警进行研究,不仅具有重要的学术价值,更具有重要的现实意义。就目前来讲,国内外对空间结构健康监测的研究与应用尚未形成系统。本文根据近年来国内外在土木工程健康监测方面的研究与应用现状,着重于实施健康监测的首要问题—传感器的优化布置。结合空间网架结构的特点,分析了其布置准则,编写了相应优化布置程序。 首先,本文从数学描述的角度出发,就最基本的模态分析技术和动力学特征值问题作简要的介绍;然后阐述了最有代表性的传感器优化布置准则,其中重点分析了四种传统的和基于能量和模态保证的传感器优化布置准则的基本原理。之后,介绍了实现优化的四种典型算法:非线性规划优化方法、序列法、推断算法、随机类方法。随即类方法主要是非传统的优化算法,它是近几年发展起来的模拟生物和物理过程的方法,其在传感器布置中占有重要的地位。其中以遗传算法的研究和应用最为广泛。本文利用遗传算法将基于能量的传感器布置理论准则转变为的可用程序模块,并对程序所涉及到的核心算法做了详细介绍。其可在给定欲布置的传感器数目的前提下,利用模态分析理论,计算出应变传感器在结构中的最佳布置位置。对于杆件以轴向力为主的杆系空间结构,导入结构的应变模态信息进行分析计算;对于杆件以受弯曲为主的空间结构,导入结构的曲率模态信息进行分析。 其次,详细分析了常规的空间网架结构的传感器布置问题。通过几个网架算例的计算结果表明:在结构对称的前提下,测点的布置是基本对称的,特别是在测点数很少的情况下。另外,最优测点具有继承性,这与最优布设的理论逻辑是吻合的。通过平板网架的算例可以看出:在其上布置应变传感器时候,从网架的弦杆层方面来考虑,应优先考虑布置在下弦杆件上,其次再考虑布置于上弦上,最后才考虑往腹杆上布置应变传感器。从平面区域的选取上,在考虑低阶振型时,测点应首先考虑布置在静力变形最大的区域,当考虑高阶模态的参与时候,应变传感器布置应靠近支座。对于单层网壳,同样也是在考虑高阶模态参与的情况之下,传感器的布置应逼近支座。从平面区域的选取上,在考虑低阶振型时,测点应首先考虑布置在静力变形最大的区域。 最后对无线应变传感系统各个模块中的核心电子元件进行了性能分析,并将各模块进行独立设计、分别调试,然后集成了基于数字接口的无线应变传感器。