专利名称：高层建筑地震监测预警系统及其方法
技术领域：
本发明涉及地震观测技术，尤其涉及一种高层建筑地震监测预警系统及其方法。
技术背景
城市建设正处于高速发展阶段，高层建筑也越来越密集。高层建筑设计不仅需要 较大的承载能力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形限制在一定的范围之 内。过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形。在地 震、大风等自然力作用下，非结构性的损坏会使修复费用很高，且填充墙等倒塌也会威胁人 的生命及设备安全。过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。限制侧向变形也 就是限制结构的裂缝宽度及破坏程度。过大的侧向变形会使结构产生附加内力，甚至引起 倒塌。因此，对地震、大风作用下产生的侧向变形也要加以限制。
由于震中距的不同及建筑物刚度的差异，使震害明显不同。处在大地震、远震中距 的柔性建筑物要比中小震级、近震中距的震害严重。鉴于高层建筑特点，导致其柔性相对较 差，也就是对震动的缓冲能力出现下降，远震对高层建筑的危害远远大于近震。顶层的峰值 加速度值较地面峰值加速度值高，能够达到地面峰值加速度值的三倍以上，以至更高。因 而，建筑的性能以及可能的损害必须在这样的设计水平进行评估。这种效应在松软沉积带 比露出地面岩床要严重。因此远震、大震对高层建筑的影响绝不可忽视。
《湖北省地震监测管理实施办法》第六条明确规定，高度超过160米的高层建筑应 当设置专用强震动监测设施。
目前，全国多个大楼已安装地震监测系统，但仅作数据采集，不参与建筑体控制。发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高层建筑地震监 测及预警系统及其方法。
高层建筑地震监测及预警系统不仅对地震进行监测进行数据采集，同时对大楼的 震动反应谱进行分析，并进行震害评估及地震预警。
高层建筑强震监测是通过对强震信号的监测和实时采集，分析地震对结构安全的 影响，验证抗震设计的合理性和已有高层建筑抗震理论及科研成果的可靠性。
本发明的目的是这样实现的
一、高层建筑地震监测及预警系统(简称系统)
本系统由依次连接的传感及记录单元组、工业控制计算机和报警箱组成，系统分 析与控制软件植入在工业控制计算机内；
在高层建筑的基础底板上布设第1、2、3传感及记录单元，主要用于地震监测；
在高层建筑的中间层和顶层上分别布设第4、5传感及记录单元单元，用于记录高 层建筑的震动信息；5个传感及记录单元的供电和信号通过预留孔连接到工控计算机上；
传感及记录单元组安装在高层建筑中，对高层建筑的震动进行实时监测，并将采集到的数据实时传送到工业控制计算机中，通过系统分析与控制软件对数据进行分析，当 检测到符合报警规则的信号时，则触发报警箱，由报警箱发出报警。
二、高层建筑地震监测预警方法(简称方法)
本方法包括下列步骤
①通过三轴向加速度传感器、数据采集和记录单元对震动信号进行采集和存储；
②通过网络将采集的数据发送到工业控制计算机；
③通过工业控制计算机对数据进行分析；
④分析发现地震对高楼产生影响达到警戒值时，则发出报警信号；
⑤对高楼的破坏程度进行评估。
本发明具有下列优点和积极效果
1、本发明不仅对震动信号进行采集，而且可以根据震害防御规定设定报警阈值， 在数据积累楼层反应谱分析的基础上实现了地震时对高层建筑不同层高的报警功能；
2、本发明不仅对地震进行报警，同时还能对大风等自然灾害引起的大楼震动进行 楼层报警；
3、本发明将测点的反应谱与高层建筑的楼层设计谱进行分析比较，当地震、大风 等自然灾害发生后，能迅速的对高层建筑的损害进行评估。
4、本发明对高层建筑的结构设计和地震、大风等次生灾害的降低具有重要的意 义。
图1是高层建筑地震监测预警系统的安装示意图2是高层建筑地震监测预警系统结构方框图1、2 中
D—地面；
L 一高层建筑；
FI—基础底板；
F2—中间层；
F3-顶层；
100—传感及记录单元组；
110-第I传感及记录单元；
111-1号三轴向加速度传感器；
112-1号数据采集和记录单元；
120-第2传感及记录单元；
121-2号三轴向加速度传感器；
122-2号数据采集和记录单元；
130-第3传感及记录单元；
131一3号三轴向加速度传感器；
132—3号数据采集和记录单元；
140—H 4传感及记录单元；
141—4号三轴向加速度传感器；
142—4号数据采集和记录单元；
150一第5传感及记录单元；
151 — 5号三轴向加速度传感器；
152—5号数据采集和记录单元；
200—工业控制计算机；
300—系统分析与控制软件；
400—报警箱。
图3是本系统分析与控制软件流程图。
图3 中
I一震动数据 g[i];
2一FIFO 队列；其中 FIFO (First Input First Output)为先入先出队列;
3一g[i]中任一值；
4一初步判断是否符合报警规则；
5—是否符合地震报警规则；
6—是否符合楼层报警规则；
7-地震报警；
8—楼层报警；
7-取g[i]前10秒至后10秒震动数据；
8-进行反应谱分析；
9-与楼层设计谱比较评估大楼受损情况；
10-文件存储；
11-数据分析报告输出。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明
一、系统结构
1、总体
如图1、2，本系统由依次连接的传感及记录单元组100、工业控制计算机200和报 警箱400组成，系统分析与控制软件300植入在工业控制计算机200内；
在高层建筑L的基础底板Fl上布设第1、2、3传感及记录单元110、120、130，主要 用于地震监测；
在高层建筑L的中间层F2和顶层F3上分别布设第4、5传感及记录单元单元140、 150，用于记录高层建筑的震动信息(大风、地震)；5个传感及记录单元的供电和信号通过 预留孔连接到工控计算机200上；
传感及记录单元组100安装在高层建筑中，对高层建筑的震动进行实时监测，并 将采集到的数据实时传送到工业控制计算机200中，通过系统分析与控制软件300对数据 进行分析，当检测到符合报警规则的信号时，则触发报警箱400，由报警箱400发出报警。
2、功能块
I)传感及记录单元组100
传感及记录单元组100包括第I传感及记录单元110、第2传感及记录单元120、 第3传感及记录单元130、第4传感及记录单元140和第5传感及记录单元150,对高层建 筑L的震动实时监测和数据记录。
( I)第I传感及记录单元110
第I传感及记录单元110由前后连接的I号三轴向加速度传感器111和I号数据 采集和记录单元112组成,第I传感及记录单元110安装在基础底板Fl上,实现了对地震 的实时监测。
a、l号三轴向加速度传感器111
I号三轴向加速度传感器111选用瑞士GeoSIG公司的AC-23型加速度计或达到同 等技术指标的传感器，实现了对震动信号的实时监测。
b、I号数据采集和记录单元112
I号数据采集和记录单元112选用瑞士 GeoSIG公司的GSR-18型记录器或达到同 等技术指标的记录器，I号数据采集和记录单元112与I号三轴向加速度传感器111相连 接，对I号三轴向加速度传感器111发送的信号进行记录。
(2)第2、3传感及记录单元120、130
第2、3传感及记录单元120、130其结构和功能和第I传感及记录单元110相同， 均安装在高层建筑L的基础底板Fl上。
(3)第4、5传感及记录单元140、150
第4、5传感及记录单元140、150其结构和第I传感及记录单元110相同，分别安 装在高层建筑L的中间层F2、顶层F3上，其功能均为记录高层建筑的震动信息。
2 )工业控制计算机200
工业控制计算机200是常用的工业控制计算机，安装在高层建筑的控制室内。工 业控制计算机200通过网络与传感及记录单元组100相连接,接收并处理传感及记录单元 组100发送来的实时监测数据，通过系统分析与控制软件300对接收到的实时监测数据进 行分析，对高层建筑的实时震动监测，如果需要报警，则触发报警箱400。
3)系统分析与控制软件300
系统分析与控制软件300是植入在工业控制计算机200中的应用软件，对震动数 据的实时显示、震动事件数据存储以及分析计算、楼层反应谱的分析、地震或大风等自然灾 害时高层建筑的损害评估及楼层报警、数据分析报告的输出。
4)报警箱 400
报警箱400是一种常用的报警器。报警箱400与工业控制计算机200相连接，功 能是接收工业控制计算机200发送的报警指令，触发地震报警和楼层报警。
3、工作原理
高层建筑地震监测预警系统的每个传感器通道都有独立的全功能记录器对其进 行数据记录与采集，各记录器之间通过互联方式达到统一定时和触发，也通过数据通信方 式与工业控制计算机互联，是一种模块化设计。其中安装在高层建筑基础底板的三轴向加 速度传感器的主要功能是监测地震信号，安装在高层建筑的中间层和顶层的两个加速度传 感器的功能是监测高层建筑的震动信号。当安装在工业控制计算机200中的系统分析与控制软件300对实时传送的数据进行分析检测，当检测到超过阈值的信号时，则根据规则进判断，需要报警时则通过报警箱400发出报警信号，并对高层建筑的损害情况进行评估。
三、系统分析与控制软件流程
系统分析与控制软件300是基于wxWidgets平台开发的应用软件，因此，本软件具有wxWidgets平台的优点，可跨平台运行，保证系统的稳定性和可扩充性。系统分析与控制软件300主要完成震动数据的实时显示、震动事件数据存储以及分析计算、高层建筑测点的震动数据的实时显示、楼层反应谱的分析、地震或大风等自然灾害时高层建筑的损害评估及楼层报警、数据分析报告的输出。图3是系统分析与控制软件的流程图。
如图3，为叙述方便，g为加速度值，g[i]分别代表各个传感器的加速度值， i=l, 2，3，4，5。
本系统软件流程是
①震动数据g[i]l;
②FIFO队列2 :将g[i]按照FIFO队列进行排列；
为了完整记录整个震动事件，系统软件采用FIFO队列栈的方式对数据进行记录暂存，在计算机内存中建立I分钟数据采样量的队列，对记录器传送到计算机的数据进行按序进行排列存储；震动数据在一分钟内未超过设定阈值，软件将会丢弃一分钟内的旧数据包，用新数据包进行填充。
③判断g[i]中任一值是否彡阈值3，是则进入下一步骤，否则返回到步骤②；
④初步判断是否符合报警规则4，是则进入下一步骤，否则返回到步骤②；
⑤判断是否符合地震报警规则5，是则进入步骤⑦，否则进入步骤⑥；
⑥判断是否符合楼层报警规则6，是则进入步骤⑧，否则返回到步骤②；
⑦进行地震事件报警7;
⑧楼层报警8，然后进入下一步骤；
⑨取g[i]前10秒至后10秒 震动数据9 ；
⑩依次为
进行反应谱分析10;
与楼层设计谱比较，对大楼受损情况进行评估11 ；
文件存储12 ;系统软件立即将本时刻点前IOs的数据存储到缓冲区，当数据值回落到设定阈值以下后，系统软件将继续存储震动事件后IOs数据；数据分析报告输出13，流程结束。
权利要求
1.一种高层建筑地震监测预警系统，其特征在于由依次连接的传感及记录单元组(100)、工业控制计算机(200)和报警箱(400)组成, 系统分析与控制软件(300)植入在工业控制计算机(200)内；在高层建筑(L)的基础底板(Fl)上布设第1、2、3传感及记录单元(110、120、130)，主要用于地震监测；在高层建筑(L)的中间层(F2)和顶层(F3)上分别布设第4、5传感及记录单元单元 (140、150)，用于记录高层建筑的震动信息；5个传感及记录单元的供电和信号通过预留孔连接到工控计算机(200)上；传感及记录单元组(100 )安装在高层建筑中，对高层建筑的震动进行实时监测，并将采集到的数据实时传送到工业控制计算机(200中)，通过系统分析与控制软件(300)对数据进行分析，当检测到符合报警规则的信号时，则触发报警箱(400)，由报警箱(400)发出报目O
2.按权利要求1所述的一种高层建筑地震监测预警系统，其特征在于所述的传感及记录单元组(100)包括第I传感及记录单元(110)、第2传感及记录单元(120)、第3传感及记录单元(130)、第4传感及记录单元(140)和第5传感及记录单元(150)，对高层建筑L的实时震动监测和数据记录；第I传感及记录单元(110)由前后连接的I号三轴向加速度传感器(111)和I号数据采集和记录单元(112)组成。
3.基于权利要求1所述的一种高层建筑地震监测预警系统的监测预警方法，其特征在于包括下列步骤①通过三轴向加速度传感器、数据采集和记录单元对震动信号进行采集和存储；②通过网络将采集的数据发送到工业控制计算机；③通过工业控制计算机对数据进行分析；④分析发现地震对高楼产生影响达到警戒值时，则发出报警信号；⑤对高楼的破坏程度进行评估。
4.按权利要求1所述的监测预警方法，其特征在于步骤③通过工业控制计算机对数据进行分析①震动数据g[i](O;②FIFO队列(2):将g[i]按照FIFO队列进行排列；③判断g[i]中任一值是否>阈值(3)，是则进入下一步骤，否则返回到步骤②；④初步判断是否符合报警规则(4)，是则进入下一步骤，否则返回到步骤②；⑤判断是否符合地震报警规则(5)，是则进入步骤⑦，否则进入步骤⑥；⑥判断是否符合楼层报警规则(6)，是则进入步骤⑧，否则返回到步骤②；⑦进行地震事件报警(7)；⑧楼层报警(8)，然后进入下一步骤；⑨取g[i]前10秒至后10秒震动数据(9)；⑩依次为进行反应谱分析(10);与楼层设计谱比较，对大楼受损情况进行评估(11);文件存储(12);系统软件立即将本时刻点前IOs的数据存储到缓冲区，当数据值回落到设定阈值以下后，系统软件将继续存储震动事件后IOs数据；数据分 析报告输出(13)，流程结束。
全文摘要
本发明公开了一种高层建筑地震监测预警系统及其方法，涉及地震观测技术。本系统由依次连接的传感及记录单元组、工业控制计算机和报警箱组成，系统分析与控制软件植入在工业控制计算机；本方法包括①通过三轴向加速度传感器、数据采集和记录单元对震动信号进行采集和存储；②通过网络将采集的数据发送到工业计算机；③通过计算机对数据进行分析；④分析发现地震对高楼产生影响达到警戒值时，则发出报警信号；⑤对高楼的破坏程度进行评估。本发明具不仅对震动信号进行采集，而且可以根据震害防御规定设定报警阈值；不仅对地震进行报警，同时还能对大风等自然灾害引起的大楼震动进行楼层报警。
文档编号G01V1/00GK103064104SQ20121053914
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者陈志高, 郑水明, 郭唐永, 杨江, 王秋良, 蒋冰莉, 邹彤, 黄 俊, 夏界宁, 项大鹏 申请人:中国地震局地震研究所