专利名称：火灾时建筑结构倒塌振动监控系统及其监控方法
技术领域：
本发明涉及建筑结构防灾减灾技术领域，具体涉及一种火灾时建筑结构倒塌振动监控系统。
(二)
背景技术：
随着科技的发展，工程技术人员可进行由风、地震等激励引起的振动特性测试以及数据 的采集和处理。振动测试，主要在于通过传感器、放大器以及显示或记录仪表，测量工程结 构在激励下其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，从而了解结构的工作状态。通过运 动量的测量，可了解结构的动特性，如固有频率、固有振型、阻尼及动刚度等特性参数，为 工程结构的动力设计提供依据。但迄今，尚无对高温下物体的振动特性进行测试，并用其监 测建筑结构工作状态的先例。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以较好的监测火灾下建筑结构的工作状态，能够了解建筑 结构的工作状态是否安全，即时为消防人员提供有用信息，可及时疏散被困人员和抢救重要 物资的火灾时建筑结构倒塌振动监控系统。
本发明的目的是这样实现的它包括振动传感器、连接振动传感器的信号放大过滤系统、 连接信号放大过滤系统的信号釆集处理系统和连接信号采集处理系统的监控单元，信号放大 过滤系统包括相互连接的信号放大器和信号过滤器，信号放大器连接振动传感器，信号过滤 器连接信号采集处理系统，振动传感器设置在建筑结构构件上。
本发明还包括这样一些技术特征
1、 所述的建筑结构构件包括柱子中部和顶部，梁的跨中，及其板的1/4、 1/2跨；
2、 所述的传感器的底部设置有隔热材料。
本发明的另一目的在于提供一种火灾时建筑结构倒塌振动监控方法。
本发明的监控方法为首先选取进行振动特性测试的控制点，正确布设振动传感器，振 动传感器采集建筑结构构件原始数据，随后采集到的数据经过信号放大器、信号过滤器的放 大和过滤，进入信号釆集处理系统，得到振动特性参数，最后将实时测得的振动特性参数与 监测单元建立连接，通过监控单元内监测软件内部的判定准则，判定建筑结构是否安全，并 在危险时发出预警。
本发明的监控方法还有这样一些技术特征
1、所述的当实时测得的建筑结构火灾下的振动特性参数超过各自对应的限值时，判断得
到建筑结构倒塌结论；
2、 所述的建筑结构构件中位移、变形较大的点，作为振动测试的特征点，特征点处的振 动特性参数，包括振幅比、频率比、阻尼比和加速度；
3、 所述的振动传感器进行技术处理和保护，处理措施为将耐火砖固定在混凝土构件表 面，使用粘结剂将振动传感器粘结到耐火砖上，最后将振动传感器的周围用硅酸铝耐火材料 覆盖。
本发明建立了一套建筑结构在火灾下倒塌的监控系统。即依据建立的振动特性参数与建 筑结构倒塌之间的定量对应关系，并利用振动测试技术，对结构中某些特征点进行火灾引起 的振动特性测试，结合相关的监测软件，预测整体建筑结构在火灾下的工作状态，判断是否 安全。
(1) 选取进行振动特性测试的控制点。不同的建筑构件，其控制点的位置有所不同。
(2) 测试时，将常温下使用的振动传感器进行一定的技术处理和保护，使其能在高温下 正常工作。
(3) 当实时测得的建筑结构火灾下的振动特性参数超过各自对应的限值时，建筑结构倒 塌。
建筑结构的梁、柱、板等构件火灾下的行为各异，但由于火激励引起的构件的振动特性 具有很好的规律性。故此，通过监测建筑构件火灾下振动特性参数，可以判断建筑结构的工 作状态，判定其是否安全，从而可以指导消防灭火工作。
本发明在大量的试验基础上，综合确定了建筑结构的振动特性参数与结构倒塌之间的对 应关系。为确定此关系，需将建筑结构中由于其他激励引起的振动特性过滤，才能得到真实 的火灾激励引起的振动现象。为科学地反应结构振动特性参数与建筑结构工作状态的关系， 引入了振动特性参数比，即火灾下结构的振动特性数值与各自对应的常温下结构振动特性数 值的比值。火灾下，建筑结构何时倒塌是消防人员比较关心的问题之一，据此可以指导消防 灭火工作。
本发明的技术方案是
(1) 建筑结构构件中位移、变形较大的点，作为振动测试的特征点。特征点处的振动 特性参数(振幅、频率和阻尼)，反映比较敏感。这些特征点能够准确反应整体结
构的振动特性，并便于布置振动传感器。参见图2。
(2) 需将常温下使用的振动传感器进行技术处理和保护，使其能够在高温下正常工作。
参见图3。处理措施为将耐火砖固定在混凝土构件表面，使用粘结剂将振动传感
器粘结到耐火砖上，最后将振动传感器的周围用硅酸铝耐火材料覆盖。
(3) 将根据大量试验数据确定的火灾下倒塌时振动特性参数的限值输入到自行编制的 监测软件，作为建筑结构工作状态的判据。
(4) 将火灾下实时测得的建筑结构振动特性参数与自行编制的监测软件建立连接，实 时监控建筑结构的工作状态。测试所得的振动特性参数形式参见图4、图5。监测 软件的流程图参见图6。
此专利属于建筑结构防灾减灾领域的应用技术，适用于预测和监控火灾引起的建筑结构 的振动特性及倒塌，指导消防工作。具体地说，是集传感器、电子学、信号分析、结构振动 理论以及编程于一体的应用技术。
本发明的效果本发明可以较好的监测火灾下建筑结构的工作状态，能够了解建筑结构 的工作状态是否安全，即时为消防人员提供有用信息，可及时疏散被困人员和抢救重要物资。
(四)
图1为火灾时建筑结构倒塌振动监控系统示意图； 图2为某楼板测点布置及测点编号图； 图3为振动传感器固定图4-图5为2点的加速度图，其中图4为测点2加速度变化曲线(130min 150min)，徒为测点
2加速度变化曲线(150min 220min);
图6为监测软件的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明
结合图1，可知火灾时建筑结构倒塌监控系统的工作流程。振动传感器1设置在楼板2 上，其测得振动特性的原始数据，经过信号放大器、信号过滤器以及信号采集处理系统，得 到建筑结构实时的振动特性参数，最后将振动特性参数输入监测软件进行安全判定。
1、 本发明按以下步骤实施
(1) 测点布置。建筑结构构件中位移、变形较大的点，作为振动测试的特征点，如 图2中位置3、 4所示。
(2) 振动特性测试。选用适用的测量仪器，对各特征点的振动特性进行测试，并将 数据进行采集及处理。振动传感器固定如图3所示。
(3) 按照输入监测软件的反映建筑结构倒塌的振动特性参数限值，对实时输入的振 动特性参数(参见图4、图5)进行处理，判定建筑结构的工作状态。
2、 具体操作如下
(1) 确定火灾下建筑结构在不同工作状态，尤其是临近倒塌时与振动特性参数的对
应关系。根据大量的试验数据，确定此对应关系。
(2) 根据建筑结构特点，确定振动测试的特征点，并进行振动传感器的布设。柱子 中部和顶部，梁的跨中，及其板的1/4、 1/2跨，这些部位的振动特性需重点测 试。为适应高温环境，需将传感器进行一定的技术处理。在传感器的底部，需 设置大小合适的隔热材料，以保护传感器能在高温下正常工作。隔热材料与建 筑物及其隔热材料与传感器之间均需固定良好，保证传感器正常工作的跟随条 件。
(3) 建筑结构振动特性的测试。利用经过技术处理的振动传感器及其配用的信号放 大器以及智能信号采集处理分析仪。仪器均选用市场上通用的即可。测试的参 数主要为振幅比、频率比、阻尼比和加速度。
(4) 振动特性参数与建筑结构工作状态对应的关系，输入自行编制的控制软件，作 为预测建筑结构工作状态的判断准则。
(5) 利用计算机，将火灾过程中实时测得的振动特性参数进行连续不断的判定，得 出建筑结构是否临近倒塌，并发出预警。
权利要求
1、一种火灾时建筑结构倒塌振动监控系统，其特征在于它包括振动传感器、连接振动传感器的信号放大过滤系统、连接信号放大过滤系统的信号采集处理系统和连接信号采集处理系统的监控单元，信号放大过滤系统包括相互连接的信号放大器和信号过滤器，信号放大器连接振动传感器，信号过滤器连接信号采集处理系统，振动传感器设置在建筑结构构件上。
2、 根据权利要求1所述的火灾时建筑结构倒塌振动监控系统，其特征在于所述的建筑结构 构件包括柱子中部和顶部，梁的跨中，及其板的1/4、 1/2跨。
3、 根据权利要求1或2所述的火灾时建筑结构倒塌振动监控系统，其特征在于所述的传感 器的底部设置有隔热材料。
4、 一种根据权利要求1所述的火灾时建筑结构倒塌振动监控方法，其特征在于该监控方法 为首先选取进行振动特性测试的控制点，正确布设振动传感器，振动传感器釆集建筑结构 构件原始数据，随后采集到的数据经过信号放大器、信号过滤器的放大和过滤，进入信号采 集处理系统，得到振动特性参数，最后将实时测得的振动特性参数与监测单元建立连接，通 过监控单元内监测软件内部的判定准则，判定建筑结构是否安全，并在危险时发出预警。
5、 根J&权利要求4所述的一种火灾时建筑结构倒塌振动监控方法，其特征在于所述的当实 时测得的建筑结构火灾下的振动特性参数超过各自对应的限值时，判断得到建筑结构倒塌结 论。
6、 根据权利要求4所述的一种火灾时建筑结构倒塌振动监控方法，其特征在于所述的建筑 结构构件中位移、变形较大的点，作为振动测试的特征点，特征点处的振动特性参数，包括 振幅比、频率比、阻尼比和加速度。
7、 根据权利要求4所述的一种火灾时建筑结构倒塌振动监控方法，其特征在于所述的振动 传感器进行技术处理和保护，处理措施为将耐火砖固定在混凝土构件表面，使用粘结剂将 振动传感器粘结到耐火砖上，最后将振动传感器的周围用硅酸铝耐火材料覆盖。
全文摘要
本发明提供了一种火灾时建筑结构倒塌振动监控系统及其监控方法，监控系统主要是由振动特性的测试系统和相关的倒塌监测软件组成。振动特性的测试系统是由耐高温的振动传感器，以及配套的信号放大器、智能信号采集处理分析仪组成。监测软件是基于C++语言、自行研制开发的实用性软件，可以根据振动特性测试系统输入的振动特性参数来预测建筑结构的工作状态。这样使得在火灾发生时，能掌握建筑结构的工作状态，从而能够准确把握救火时机，避免造成重大伤亡和财产损失。此系统的开发，可掌握建筑结构由火灾引起的振动特性，预测和监测建筑的倒塌，为消防工作提供重要依据。
文档编号G01M7/00GK101354305SQ20081006476
公开日2009年1月28日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者张大山, 房圆圆, 董毓利 申请人:哈尔滨工业大学