一种建筑抗震支吊架性能状态监测方法与流程

本发明属于结构健康监测技术领域，特别涉及一种建筑抗震支吊架性能状态监测方法。

背景技术：

建筑支架故障预警和状态监测根据构件运行规律或观测得到的可能性前兆，在支吊架真正发生故障之前，及时预报支吊架的异常状况，采取相应的措施，从而最大程度的降低地震过程中支吊架故障所造成的损失。

另外，目前国内外很少有人在关注抗震支吊架的性能预警问题。然而随着时代发展、社会进步，人们已不再仅仅满足于居住的舒适度，而是追求居住的安全可靠性。随着构件装置和工程控制系统的规模和复杂性日益增大，为保证结构在地震作用下整体的安全可靠性，进而达到减少和尽量避免次生灾害的目的，通过可靠的状态监控技术及时有效的监测和诊断建筑抗震支吊架在使用过程中的是否出现松动就显得尤为迫切和重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种建筑抗震支吊架性能状态监测方法，本建筑抗震支吊架性能状态监测方法可以通过定期监测抗震支吊架的振动响应从而判断抗震支吊架的螺栓是否出现松动现象，可以有效减少、预防以及尽量避免次生灾害的目的。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种建筑抗震支吊架性能状态监测方法，包括以下步骤：

(1)在抗震支吊架的抗震斜撑上安装传感器，所述抗震支吊架的抗震斜撑的一端通过螺栓与楼面板连接，另一端通过螺栓与抗震支吊架内的其他构件连接，所述传感器用于监测两端的所述螺栓在多种扭矩情况下的抗震支吊架的振动响应；

(2)对抗震支吊架的抗震斜撑施加振动的外界激励，同时传感器进行数据采集；

(3)对传感器采集的数据进行分析处理，进而计算出抗震支吊架的特征频率；

(4)按照步骤(2)和(3)的方法计算出两端螺栓在多种扭矩情况下的抗震支吊架的特征频率，分析两端螺栓各自的扭矩值与抗震支吊架的特征频率值的对应关系并根据该对应关系拟合三者的关系曲面图；

(5)对两端螺栓在未知扭矩情况下的抗震支吊架的抗震斜撑施加一与步骤(2)相同振动的外界激励，同时传感器进行数据采集，对传感器采集的数据进行分析处理，进而计算出抗震支吊架的特征频率，根据计算出的抗震支吊架的特征频率与步骤(4)的关系曲面图分析此时两端螺栓各自的扭矩值，进而判断抗震支吊架内抗震斜撑两端的螺栓松动状态。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(2)具体为：对抗震支吊架的抗震斜撑施加一的持续性或间歇性振动的外界激励，同时传感器进行数据采集；外界激励在预设时间后停止振动，同时传感器停止进行数据采集。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的对传感器采集的数据进行分析处理，进而计算出抗震支吊架的特征频率具体为：

获取传感器采集的信号数据，选择n个振动周期的信号数据为一个计算区间，对m个计算区间内的信号数据分别进行分析处理，得到m个计算区间分别对应的特征频率，求取m个计算区间分别对应的特征频率的平均值，将该平均值作为抗震支吊架的特征频率，其中n大于等于2，m大于等于2。

作为本发明进一步改进的技术方案，通过傅里叶变换、小波变换或者希尔伯特黄变换的分析方法分别对m个计算区间内的信号数据进行分析处理，得到m个计算区间分别对应的特征频率。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的传感器为加速度传感器，所述的加速度传感器用于监测两端的所述螺栓在不同扭矩情况下的抗震支吊架的加速度响应。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将两端螺栓在未知扭矩状态下计算得出的抗震支吊架的特征频率通过已建立的两端螺栓在各种扭矩状态下与特征频率的关系曲面图进而分析对应的两端螺栓各自的扭矩，判断出抗震支吊架内抗震斜撑两端的螺栓是否出现松动现象，从而能够及时监控到抗震支吊架的安全隐患，为故障排除提供数据支持，实现振动信号超标时的实时预警，进而保证结构在地震作用下整体的安全可靠性，减少和尽量避免次生灾害，无需人力现场检测螺栓扭矩，减少人力物力。

(2)本发明的传感器与振动的外界激励同步工作，传感器采集的是在外界主动振动条件下的信号数据，而并不是单纯在自然环境振动条件下的信号数据(需要精度非常高的传感器才能采集到自然环境振动下的信号数据，而精度越高，传感器价格越贵)，因此本发明采用精度一般、性能较差的传感器即能采集到外界主动振动条件下的信号数据，精度一般的传感器功耗低、价格低，因此本发明传感器使用成本低，可批量对抗震支吊架进行应用。

附图说明

图1为本实施例的传感器在抗震支吊架上的布置图。

图2为本实施例的特征频率和扭矩的关系曲线图。

具体实施方式

下面根据图1至图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

一种建筑抗震支吊架性能状态监测方法，包括以下步骤：

(1)参见图1，在抗震支吊架1的抗震斜撑2的中部安装传感器5，所述抗震支吊架1的抗震斜撑2的一端通过螺栓4与顶板或楼面板3固定连接，另一端通过螺栓4与抗震支吊架内的其他构件连接，所述传感器5用于监测两端的所述螺栓4在多种不同扭矩情况下的抗震支吊架的振动响应；本实施例的监测方法适用于市场上常用的抗震支吊架，尽管图1是一种抗震支吊架的结构形态，但本领域的技术人员应当理解，本实施例的监测方法普遍适用于各种具有抗震斜撑2的抗震支吊架；

(2)对抗震支吊架1的抗震斜撑2施加一振动的外界激励，同时抗震斜撑2上的传感器5进行数据采集，具体为：

对抗震支吊架1的抗震斜撑2施加一模拟手机振动力度的持续性或间歇性的外界激励，同时抗震斜撑2上的传感器5进行振动信号的数据采集；外界激励在预设时间后停止振动，同时传感器5停止进行数据采集；

(3)对传感器5采集的数据进行分析处理，进而计算出抗震支吊架1的特征频率，具体为：

获取传感器5采集的信号数据，以n个振动周期的信号数据为一个计算区间，获取m个计算区间，对获取的每个计算区间内的信号数据分别进行小波变换分析，分析信号数据的频谱，取频谱上的峰值点，即基频，将该频率作为信号数据对应的特征频率，获取每个计算区间内的信号数据分别对应的特征频率；一般情况下，每个计算区间分别对应的特征频率都相等，为了使计算更加准确，本实施例对m个计算区间分别对应的特征频率求和后取平均值，将该平均值作为抗震支吊架1的特征频率,其中n大于等于2，m大于等于2；

(4)按照步骤(2)和步骤(3)的方法计算出两端的所述螺栓4在多种不同扭矩情况下的抗震支吊架1的特征频率，分析两端螺栓4各自的扭矩值与对应计算出的抗震支吊架1的特征频率值的对应关系，将得到的多种不同扭矩下的特征频率点在一张图上画出，做出三维图，即两端的螺栓4各自的扭矩值分别在x轴和y轴上标出，对应计算出的抗震支吊架1的特征频率值在z轴上标出，从而拟合出三维的关系曲面图；

(5)对两端螺栓4在未知扭矩情况下的抗震支吊架1的抗震斜撑2施加一与步骤(2)相同振动的外界激励，同时抗震斜撑2上的传感器5进行信号数据采集，对传感器5采集的信号数据按照步骤(3)的方法分析处理，进而计算出抗震支吊架1的特征频率，将抗震支吊架1的特征频率与步骤(4)中的关系曲面图相匹配，分析此时两端螺栓各自的扭矩值。通过分析可知，计算出的特征频率可能会对应多种扭矩值，因此此时分析出两端螺栓各自的扭矩值可能会有多种，但是只要分析出的两端螺栓各自的扭矩值对比螺栓紧固时的扭矩值出现明显下降，则判断两端螺栓出现松动现象，能够及时监控到抗震支吊架是否出现安全隐患。且步骤(5)分析出的两端螺栓的扭矩值范围也可为监控的工作人员故障排除提供数据支持。

本实施例除了小波变换，还可以通过傅里叶变换或者希尔伯特黄变换等分析方法对计算区间内的信号数据进行分析处理，进而得到计算区间内的信号数据对应的特征频率。

本实施例的传感器5为加速度传感器，所述的加速度传感器用于监测两端的所述螺栓4在不同扭矩情况下的抗震支吊架的加速度响应。当然，本实施例的传感器5还可以采用位移传感器或应变传感器等。

实际工程中，一般出现两端螺栓4都松动的情况比较少，大多数出现的情况是一端螺栓4松动，另一端螺栓4未松动。对于该种情况，只需研究当两端螺栓4中任意一端螺栓4松动情况下，传感器5的振动响应即可。具体为：根据步骤(2)和步骤(3)的方法计算出其中任意一端螺栓4在不同松动状态下(即不同扭矩值情况下)的抗震支吊架1的特征频率值，拟合该端螺栓4的不同扭矩值与对应计算出的抗震支吊架1的特征频率值的关系曲线图，然后定期对螺栓4在未知扭矩情况下的抗震斜撑2施加一与步骤(2)相同振动的外界激励；通过传感器采集的数据分析计算出抗震支吊架1的特征频率，再通过预先拟合的关系曲线图得到对应的一个螺栓4的扭矩值，判断抗震支吊架1上是否有一个螺栓4松动，从而及时监控到抗震支吊架1的安全隐患。该种情况计算出的特征频率对应的螺栓4的扭矩值只有一种，可以为监控的工作人员故障排除提供准确的数据支持。其中关系曲线图如图2所示，其中竖坐标的特征频率为抗震支吊架1的特征频率，横坐标的扭矩为松动的螺栓4的扭矩。

本实施例的传感器5与振动的外界激励同时进行工作，同时停止工作。外界激励可采用小型振动器实现，将小型振动器安装在抗震支吊架1的抗震斜撑2上，小型振动器与传感器5均连接有电源和控制器，控制器用于控制传感器5和小型振动器定期进行工作，小型振动器工作时，可持续产生一段时间振动的外界激励，传感器5采集此时振动下的信号数据并发送给控制器进行分析，控制器按照上述方法分析抗震支吊架1上的两端螺栓4的扭矩值，进而判断抗震支吊架1的螺栓的松动情况，为实时预警提供数据支持，具有定期自动监测抗震支吊架1损伤状态的优势，无需人力现场检测方式，减少人力物力。另外，由于本实施例的传感器5与外界激励同步工作，本实施例的传感器5采集的是在外界主动激励振动条件下的信号数据，而并不是在自然环境振动条件下的信号数据(该条件下需要灵敏度非常高的传感器才能采集到信号数据，而灵敏度越高，传感器价格越贵)，因此本实施例仅需采用灵敏度低、性能差的传感器5即可实现在外界主动激励振动条件下的信号数据采集，因此本实施例的传感器5使用成本低，可批量进行应用。

本实施例把未知状态下分析得出的模型数据通过已建立的各种状态下的关系曲面模型或曲线模型得到对应的基本特征参数，从而能够及时监控到安全隐患，为故障排除提供数据支持，实现振动信号超标时的实时预警，进而保证结构在地震作用下整体的安全可靠性，减少和尽量避免次生灾害。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。