1 项目概述

1.1 结构健康监测系统目的与意义

随着高速铁路技术的不断成熟，加之其带来的巨大社会效益，越来越多的城市开始兴建高速铁路，其中多数线路穿过市区或者毗邻重要的建筑物。高速铁路列车行驶速度往往超过300km/h，对周围的建筑会产生一定的影响，这使得高铁周边结构安全运营受到了更为广泛的关注。如何保障结构在被高铁影响下的服役能力，如何及时发现高铁列车经过时产生的影响及评估影响程度并加以补救的问题日益受到人们的重视。

本方案拟对毗邻高铁的新办公楼进行建筑振动加速度监测、建筑沉降监测、建筑关键部位应变监测。其目的与意义在于：

（1）振动加速度监测。通过对结构进行加速度监测，可以获取结构正常服役期间的环境振动水平，根据监测数据，可以推算出结构频率、阻尼比等模态参数，验证设计；另一方面，监测结构在高铁列车通过时发生的振动反应和风致结构振动水平，根据监测数据，给出在非常事件发生过程中的结构状态变化情况。

（2）建筑沉降监测。由于地基含水量的增减会引起地基承载力的变化可能使建筑产生沉降。由于不同季节的降水、地下水的变化、地表水的流动、地表蒸发力以及地表温度等因素的季节性，其地基承载力都会发生周期性的迁移，含水量也发生这周期性的季节变化。同时，建筑场地周边的高铁活动等及其引起的振动也有可能引起地基的沉降。建筑地基及基础作为支撑上部结构的重要组成部分，地基沉降变化是建筑结构安全最直观的反应。因此，有必要对地基沉降进行监测。

（3）建筑关键部位应变监测。在结构关键部位的构件上设置应变测点，对结构受力状况进行监测。应变监测数据作为运营期间结构关键部位安全性预警的重要信息，也是结构状态分析的参考信息；利用监测数据，进行疲劳热点区域的疲劳寿命估算。

2 设计依据与原则

2.1 主要参考依据

（1） 《结构健康监测系统设计标准》（CECS 333-2012）

（2） 《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB 50982-2014）

（3） 《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344-2019）

（4） 《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）

（5） 《工程测量规范》（GB 50026-2020）

2.2 系统设计总体原则

为使该监测系统成为一个功能实用，能真正长期用于结构预警和状态评估，满足结构运营期信息化监管的需要，同时又具经济效益和技术先进性的结构健康监测系统，系统设计时遵循以下主要原则：

1）统一性：本系统的监控设备和软件采用统一规划、统一设计的监管方案，并进行统一安装、集成与调试，系统构建完成后进行统一维护和管理，结合本项目业主及国家相关部门的规定要求而研发。

2）先进性：系统应具有技术先进性和前瞻性，应考虑相关支撑技术的发展现状；

3）兼容性：各种传感器、数据采集仪表、通讯设备、数据存储和管理以及附属设备和软件系统可协调工作、无缝衔接；

4）经济性：在保证系统的可靠性等各项要求的前提下，选择有代表性的监测项目和构件或部位进行监测，系统供电通信缆线尽量利用已有的孔洞走线，以节约投资；

5）实用性：重点考虑系统需求与结构实际管理的需要，可在结构运营中充分发挥作用，实现“实用、好用、管用”的目标；

6）可靠性：系统的各监测设备应处于在正常工作状态，无过载超负荷等现象发生，并考虑一定的富裕度和冗余贮备，及时个别设备出现故障，系统仍能正常工作；

7）安全性：系统充分考虑安全性，系统设计实施与结构施工紧密结合，确保系统的实施不对结构相关构件或区域的安全性、耐久性产生影响，系统自身能安全稳定地运行；

8）可扩展性：系统应采用开发的架构，可以满足未来新的发展和需求。

3 结构运营在线监测系统设计

3.1 监测系统概述

3.1.1 系统建设目的及效果

新办公楼结构健康监测系统建设的主要目的在于通过实时监测反映建筑在运营过程中结构整体性能状态受高铁影响的相关重要信息，把握建筑结构的工作性能，以保证结构的安全运营，为结构的运营管理提供数据依据和科学支持。随着传感技术的革新和自动远程监测技术的更新换代，结构健康监测系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发展，并已开始成为许多建设工程中的一部分。建筑结构健康监测系统的建立具有下面重要意义：

① 在建成运营后，实时监测结构的整体状态变化，保证运营期结构的运营安全。

② 实现实时结构整体性能状态监测，及时发现结构的变形趋势，对结构在使用过程中出现的变形进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然。

③ 通过实时实测数据的趋势分析、定量分析来把控建筑结构运营期的整体状态和安全性。

④ 建筑建成后持续获取结构整体性能数据，包括风及其作用特性、地震作用、微振扰动、地基沉降以及结构侧向静动变形、加速度、沉降与倾斜等作用与整体性能。

⑤ 通过对监测系统采集数据的综合分析，可以更为准确地把握建筑结构在各种荷载作用下的真实状态。

⑥ 在极端事件发生时和发生后，可以将结构的状态及时发送给管理者和设计人员，为进一步检查提供科学依据。

⑦ 在结构运营期间，实时监测结构整体性能，如发现数据异常变化趋势，及时进行相关检查，并在必要的时候及时疏散建筑内的人群，避免造成人员伤亡，及时降低和消除社会不良影响，降低经济损失，这也是引进建筑结构监测系统的最终目的。

3.1.2 系统总体架构

建筑结构健康监测系统总体架构如下图所示。

图 3.1-1 结构健康监测系统总体架构

3.1.3 系统特点

表 3.1-1 在线监测特性

针对检测中的问题，在线监测技术的发展能很好的解决目前检测中的不足，特别对房屋的结构安全，自动化在线监测技术能够很好的解决传统检测中的不足。

（1）不需要人员多次进入现场，节省人力物力；

（2）采用有线或无线传输的方式将数据上传到系统数据库，可以实时查看历史数据；

（3）能够全天候24小时实时监测，确保数据的连续性；

（4）当结构物出现异常时，系统能够第一时间将分析结果以短信等方式通知相关管理人员；

（5）每月提供详实数据报告给管理者，并对结构当前状态进行全面评估。

3.2 监测内容

表3.2-1 监测参数及设备汇总一览表

3.3 数据采集与传输

3.3.1 数据采集

新办公楼结构健康监测系统传感测试子系统主要监测3类监测项目，涉及3种监测设备58个监测点。本阶段，根据传感器输出信号以及各类采集软件的开发需求，将其分类为2类信号源，分类进行数据采集设计。

表3.3-1 数据采集方案

3.3.2 数据采集制式及采样频率

数据采集制度需采用阈值和定时两种方式（在监测系统运行的初期，采取24小时连续采集的策略；运行30天后，对数据进行分析，确定触发采集系统的阈值和确定定时采集的具体时间段），采样频率将根据结构的计算结果确定，但需保证数据具有间隔实时对应关系。

系统根据传感器和数据采集设备的不同，支持的采样率可以完全满足本系统的数据采集要求，为了保证系统未来稳定可靠运行，在系统建设初期进行大容量软件、硬件方案配置，并进行破坏性、可靠性、大容量测试，建议监测设备设置的自动采样频率如下表所示。

表3.3-2 数据采集方案

3.3.3 数据传输

为了保证能稳定顺利有效地将传感器各类信号采集到，需要对从传感器到监控室之间的通讯线缆保护。数据传输网络的能否稳定运行时是数据采集的关键所在。因而，对于数据传输的设计，要合理选取通讯线缆。同时，要对传输线缆进行相应的保护。

（1）信号传输线路的保护

传感器与信号调理器的测量线路、数据采集设备与信号调理器之间的通讯线、线路之间的接续等都要做好保护措施，充分做好屏蔽接地，以保证信号传输质量。

3.3.4 数据采集与传输软件设计

（1）据采集软件功能分析

根据数据采集与传输系统长时间运行、稳定性高、对数据可以实时处理的要求，系统采用更具安全性和稳定性的Windows 7及以上的系统框架。系统框架定义基于流行的IBM PC体系结构及其兼容机的系统，它规定了对系统控制器模块系统要求。采集终端软件工作在Windows 环境下，在终端硬件采集器与传感器的支持下主要完成对信号数据与物理数据的采集和存储。用户不直接与其进行交互，但其提供一系列的标准接口和命令与用户所在的控制终端、监测终端和数据存储终端进行交互。

采集终端软件拟提供的功能如下：

① 规范数据采集模式，统一采集策略和通讯接口。

② 完整的数据采集与召唤机制，采集点工作工况查询和统计功能。

③ 配置信息加载功能，读取配置文件中配置的系统信息，根据配置信息动态生成数据采集和处理的线程、数据存储区域等；

④ 精确的计时功能，数据召唤、线程调度、数据处理等任务提供精确的时间信息；

⑤ 数据召唤功能，根据读取的配置信息，依靠精确的计时功能，定期的召唤采集点的数据；

⑥ 数据接收和处理功能，实现对采集点上送的数据进行接收和处理，并将处理结果放入对应的数据存储区域；

⑦ 临时数据暂存功能，对采集到的数据进行存储，并记录相应信息，以供传输模块使用；

⑧ 采集模块采样率；

⑨ 各个采集通道属性（对应采集通道的ID，是采集信号在整个监测系统中的唯一标识）；

⑩ 采集信号的阈值（最大最小值）与故障标志位；

⑪ 单位换算系数（采集到的电信号数据与原始物理信号之间的折算关系，根据该关系，将电信号数据转换为原始物理信号数据）；

⑫ 数据存储格式与存储模式。

考虑到稳定性，系统采集软件设计对采集模块的设置不支持动态更改，即更改采集模块设前必须停止当前的采集任务，然后根据相应的导入命令更新进入新的采集任务。

（2）采集软件结构设计

系统结构自上而下分为应用程序层、仪器驱动层和I/O接口层，应用程序层建立了使用仪器的可视化、交互式集成开发环境，提供了数据的显示、存储、分析以及和其他分析软件接口的功能；仪器驱动层保证了系统硬件在Windows 7框架下被正常驱动正常工作。

为了采集终端软件调试与使用的方便和规范，由于采集的物理信号也各不一样，所以在设计和实现数据采集终端软件时，充分考虑：

① 模块化、可扩展的数据采集功能

由于各采集模块的硬件配置多数并不一样，再考虑到将来系统监测的扩容，增加、改变测点，调整系统的可能性，数据采集终端的软件必须是高度模块化，便于开发人员增加新的测点、硬件。

② 统一的软件架构

统一的软件架构一方面使得上位机能通过一致的接口与采集终端交互命令、状态与数据，方便用户的使用；另一方面可以极大地提高代码的重用性，方便开发人员维护代码，降低出错的概率。

③ 便于维护、配置的操作界面

必须具有方便的接口使得开发人员、用户能够及时地改变系统设置。这样，在系统安装调试的初期，需要经常更改参数设置时，能够减少大量的调试。

3.4 数据处理与分析模块

3.4.1 功能需求分析

①数据处理与控制子系统管理和控制数据采集子系统的工作；

②所有数据采集和数据预处理均由数据采集系统完成，而所有数据的二次处理则由数据处理与控制PC机完成；

③原始数据在动态数据库中至少保存30天，预处理结果在动态数据库中至少保存1年。以上数据需定期存档、备份，以保持数据的连续性；

④授权用户可通过软件访问动态数据库。

3.4.2 数据预处理软件模块功能定位

作为监测系统关键的一部分，数据处理及控制模块主要在数据采集与结构评估之间完成桥梁作用。主要目的在于分担整个系统的处理压力，它主要完成数据处理、整合与存储功能，完成现场设备的管理与控制，尽量减少结构评估服务器的处理任务。

①与数据采集系统进行通信，接收远程的采集数据，由远程数据采集模块完成；

②对所采集的数据进行预处理（包括滤波、提取、挖掘、通道间的数据耦合、转换），由数据预处理模块完成；

③将实时数据传给评估模块，以便其可进行实时显示，由数据预处理模块完成；

④将原始数据与有效特征数据写入数据库，由数据预处理及系统控制模块完成；

⑤处理后的数据以指定格式全部进行二进制文件存储备份，由数据存储模块完成；

⑥将经过处理的数据以指定格式传输至服务器，由C/S 软件平台完成数据调用；

3.4.3 各监测项数据处理功能

表3.4-1 数据采集方案

3.5 结构安全预警评估子系统

3.5.1 子系统架构

结构预警安全评估子系统是建筑结构健康监测系统的目标核心。自动化传感测试子系统所采集的监测数据都是为预警与评估子系统服务的，依据上述两者信息进行结构的实时预警、模态参数识别和综合评估。

本子系统包括实时在线预警模块、分析评估模块。预警模块主要利用结构监测数据进行分析，实现其功能。评估模块主要由统计分析、结构频率模态识别等构成，最后根据分析结果对结构的安全性、适用性等给出定期的评价，生成各类评估报告（月报、季报、年报或临时事件评估报告等），对结构运营状态进行定性或定量的评价，并明确给出运营状况或维修建议，为维护、维修与管理决策提供指导和依据。结构预警安全评估模块不需要实时评估，定期或灾后启动分析即可。

3.5.2 实时在线监测预警

预警主要作用是在结构实时监测过程中对发生的可能威胁到结构运营安全的可变荷载（如振动）以及结构对其的响应指标（应力等）进行预警，提供结构在特殊荷载、或结构营运状况异常时所触发的预警信号，通过监控中心的预警信号推送信息，及时提醒结构管理养护人员关注结构的运营与安全状况，并根据需要临时启动识别和评估机制以确定结构是否处于安全状态。实时监测系统图例见图3.4.1。

图3.4-1 某项目综合监测系统界面示意图

3.5.3 评估模块与综合评价体系

模块有主要为结构模态识别，从而实现利用监测系统实测数据对结构安全性、适用性等方面的评估。

（1）模态识别模块

结构的模态参数包括自振频率、振型和阻尼比，对结构抗震抗风设计、健康监测和损伤诊断至关重要，尤其是当结构处于地震多发带和强风作用区。完全信息的模态参数可以唯一确定结构系统的动力特性和动力反应。大部分的损伤识别方法都使用模态参数来构建损伤指标或优化算法的目标函数，结构的损伤识别能力在很大程度上往往取决于所识别的模态参数的精度。

因此模态参数的识别是损伤识别的基础。

（2）综合评估体系

综合评估体系内容包括安全性评估、适用性评估。安全性评估：主要针对结构微振扰动、地基沉降以及结构侧向静动变形、加速度、沉降等作用与整体性能等进行评估。适用性评估：即功能性评估，主要针对结构的功能性损伤进行评估。综合生成各类评估报告（月报、年报、临时事件评估报告等），对结构运营状态进行定性或定量的评价，并明确给出结构的运营状况或维修建议。综合监测系统界面图例见3.5.1。数据库子系统

子模块包含监控中心计算机设备和相应的数据库管理和接口软件，为监控中心系统的“数据信息心脏”，它是结构信息化、数据化管理的核心。主要功能是管理和储存整个监测系统各结构主体的全寿命静态资料信息和动态监测数据。静态资料信息包括结构基本设计资料、荷载试验资料、监测系统所有软硬件技术资料、参数、图片，以及监测系统各类监测数据文件信息、操作人员权限信息等；动态监测数据则是指系统实时采集的结构监测项目原始数据，包括当前数据和历史数据。目前应用数据库管理这些动态数据的方法主要有两个：一是直接将原始监测数据进入数据库表格进行储存和管理；二是先将原始监测数据在采集端存为后续各个分析软件都能识别的通用文件格式(如文本格式)，然后下载这些原始数据文件到监控中心服务器，数据库只保存这些数据文件在服务器端的路径信息。数据库模块在整个监测系统中属于一个支撑模块，主要在后台运行，为其他子模块提供数据支持服务。

3.6 技术服务承诺

（1） 1个月试运行期

本系统自验收后开始进入1个月的试运行期，要求以下服务：

① 在试运行期前，将提交用户手册初稿；

② 在试运行期内，为结构管理人员针对本系统的使用、维护、信息解读等方面进行培训；

③ 根据结构管理人员需求及时修改完善用户手册，提交终稿。

（2） 2年系统质保期

试运行期结束，完成移交手续后，系统正式投入使用，进入2年的系统质保期。2年质保期内，承诺以下服务：

① 半小时内响应用户的技术支持需求。

② 免费负责系统非人为损坏的维修、更换等工作。

③ 不定期组织回访，收集客户使用意见，提高服务质量。

④ 为本系统软件提供无偿维护和升级。

⑤ 根据用户需要，不定期组织业主相关人员进行培训。

⑥ 极端突发事件发生后提交极端事件专题分析报告。

（3） 后续维护期

质保期结束，进入后续维护期，后续维护期应涵盖余下的整个生命周期。后续维护期内，为保障监测系统正常运营、维护和升级，以及若现场设备损坏（如加固施工导致设备损坏等），需要对传感器、采集设备或传输线缆等进行更换或维护的，相关费用另行考虑，相关费用根据当时的物价水平再次协商确定。