建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別集成軟件

楊暉柱　李晗　胡笳　龐紹華　滿延磊　張其林

摘要：為開發(fā)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與模態(tài)識(shí)別的集成軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測(cè)工作和識(shí)別計(jì)算的主要工作內(nèi)容，設(shè)計(jì)集成軟件的架構(gòu)體系和專業(yè)功能，劃分出基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)客戶端、結(jié)構(gòu)計(jì)算、模態(tài)識(shí)別和結(jié)果對(duì)比/評(píng)估等4個(gè)主要功能模塊.根據(jù)頻域峰值法和時(shí)域隨機(jī)子空間法等識(shí)別理論，設(shè)計(jì)基于實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度的模態(tài)識(shí)別數(shù)值算法.在Microsoft Windows平臺(tái)上用C++和FORTRAN程序語(yǔ)言開發(fā)該軟件包，并用數(shù)值測(cè)試算例驗(yàn)證軟件的正確性.該軟件已經(jīng)應(yīng)用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別.

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 振動(dòng)監(jiān)測(cè)； 模態(tài)識(shí)別； 軟件設(shè)計(jì)； 數(shù)值算法

中圖分類號(hào)： TU392；TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

對(duì)于大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的逆向模態(tài)識(shí)別是健康監(jiān)測(cè)和性態(tài)分析的重要內(nèi)容.[1]振動(dòng)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備目前已相當(dāng)先進(jìn)，模態(tài)識(shí)別的相關(guān)理論研究也已很多，但長(zhǎng)期以來(lái)在土木行業(yè)內(nèi)一直缺乏綜合性的專業(yè)工具軟件.監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常只存放在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控中心服務(wù)器上，而且數(shù)據(jù)格式往往因設(shè)備生產(chǎn)廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數(shù)據(jù)的交接管理、使用和實(shí)時(shí)觀測(cè)都非常地不方便.在后期的數(shù)據(jù)分析工作中，長(zhǎng)期以來(lái)只能采用大量人工作業(yè)再輔以多個(gè)通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別工作的自動(dòng)化程度，開發(fā)集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關(guān)的主要工作.

1 軟件功能設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)換熱性態(tài)分析主要包括4方面的工作內(nèi)容：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、截取和整理；計(jì)算當(dāng)前實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理論值；基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別計(jì)算分析；對(duì)比識(shí)別值/推算值與理論計(jì)算值以得到相應(yīng)的判斷和評(píng)估結(jié)論.

根據(jù)這些工作內(nèi)容，集成軟件應(yīng)具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠(yuǎn)程方式瀏覽功能，實(shí)時(shí)查看位于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，截取指定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接脩羲诘墓ぷ鞯攸c(diǎn).

（2）軟件應(yīng)能進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算和模型測(cè)點(diǎn)定義的功能，即：在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型上計(jì)算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)加速度傳感器的實(shí)際布設(shè)點(diǎn)，輸出在設(shè)計(jì)模型上對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置處的振型數(shù)據(jù).

（3）模態(tài)識(shí)別是軟件系統(tǒng)的核心功能.輸入多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，用一種或多種識(shí)別算法計(jì)算出這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振型和頻率.

（4）具體建筑結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量可能會(huì)從幾十個(gè)到幾百個(gè)，稱之為“樣本點(diǎn)”，而完整結(jié)構(gòu)的有限元模型通常會(huì)有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此需要從相對(duì)少量的“樣本點(diǎn)”振型推算出整體結(jié)構(gòu)全部節(jié)點(diǎn)的振型位移.通過基于實(shí)測(cè)的識(shí)別值與理論計(jì)算值的對(duì)比，可直觀地判斷實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是否與理論設(shè)計(jì)值相符，實(shí)際結(jié)構(gòu)是否有損傷導(dǎo)致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對(duì)整體的推算振型與從設(shè)計(jì)模型得到的理論計(jì)算振型進(jìn)行振幅拼合，以便進(jìn)行整體性的對(duì)比和觀察.

（6）實(shí)現(xiàn)所有過程和計(jì)算結(jié)果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構(gòu)

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)和識(shí)別工作的流程與先后順序以及上述功能設(shè)計(jì)，軟件應(yīng)由4大主要功能模塊組成，總體架構(gòu)為串聯(lián)單向流水模式

摘要：為開發(fā)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與模態(tài)識(shí)別的集成軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測(cè)工作和識(shí)別計(jì)算的主要工作內(nèi)容，設(shè)計(jì)集成軟件的架構(gòu)體系和專業(yè)功能，劃分出基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)客戶端、結(jié)構(gòu)計(jì)算、模態(tài)識(shí)別和結(jié)果對(duì)比/評(píng)估等4個(gè)主要功能模塊.根據(jù)頻域峰值法和時(shí)域隨機(jī)子空間法等識(shí)別理論，設(shè)計(jì)基于實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度的模態(tài)識(shí)別數(shù)值算法.在Microsoft Windows平臺(tái)上用C++和FORTRAN程序語(yǔ)言開發(fā)該軟件包，并用數(shù)值測(cè)試算例驗(yàn)證軟件的正確性.該軟件已經(jīng)應(yīng)用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別.

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 振動(dòng)監(jiān)測(cè)； 模態(tài)識(shí)別； 軟件設(shè)計(jì)； 數(shù)值算法

中圖分類號(hào)： TU392；TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

對(duì)于大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的逆向模態(tài)識(shí)別是健康監(jiān)測(cè)和性態(tài)分析的重要內(nèi)容.[1]振動(dòng)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備目前已相當(dāng)先進(jìn)，模態(tài)識(shí)別的相關(guān)理論研究也已很多，但長(zhǎng)期以來(lái)在土木行業(yè)內(nèi)一直缺乏綜合性的專業(yè)工具軟件.監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常只存放在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控中心服務(wù)器上，而且數(shù)據(jù)格式往往因設(shè)備生產(chǎn)廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數(shù)據(jù)的交接管理、使用和實(shí)時(shí)觀測(cè)都非常地不方便.在后期的數(shù)據(jù)分析工作中，長(zhǎng)期以來(lái)只能采用大量人工作業(yè)再輔以多個(gè)通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別工作的自動(dòng)化程度，開發(fā)集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關(guān)的主要工作.

1 軟件功能設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)換熱性態(tài)分析主要包括4方面的工作內(nèi)容：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、截取和整理；計(jì)算當(dāng)前實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理論值；基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別計(jì)算分析；對(duì)比識(shí)別值/推算值與理論計(jì)算值以得到相應(yīng)的判斷和評(píng)估結(jié)論.

根據(jù)這些工作內(nèi)容，集成軟件應(yīng)具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠(yuǎn)程方式瀏覽功能，實(shí)時(shí)查看位于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，截取指定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接脩羲诘墓ぷ鞯攸c(diǎn).

（2）軟件應(yīng)能進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算和模型測(cè)點(diǎn)定義的功能，即：在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型上計(jì)算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)加速度傳感器的實(shí)際布設(shè)點(diǎn)，輸出在設(shè)計(jì)模型上對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置處的振型數(shù)據(jù).

（3）模態(tài)識(shí)別是軟件系統(tǒng)的核心功能.輸入多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，用一種或多種識(shí)別算法計(jì)算出這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振型和頻率.

（4）具體建筑結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量可能會(huì)從幾十個(gè)到幾百個(gè)，稱之為“樣本點(diǎn)”，而完整結(jié)構(gòu)的有限元模型通常會(huì)有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此需要從相對(duì)少量的“樣本點(diǎn)”振型推算出整體結(jié)構(gòu)全部節(jié)點(diǎn)的振型位移.通過基于實(shí)測(cè)的識(shí)別值與理論計(jì)算值的對(duì)比，可直觀地判斷實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是否與理論設(shè)計(jì)值相符，實(shí)際結(jié)構(gòu)是否有損傷導(dǎo)致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對(duì)整體的推算振型與從設(shè)計(jì)模型得到的理論計(jì)算振型進(jìn)行振幅拼合，以便進(jìn)行整體性的對(duì)比和觀察.

（6）實(shí)現(xiàn)所有過程和計(jì)算結(jié)果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構(gòu)

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)和識(shí)別工作的流程與先后順序以及上述功能設(shè)計(jì)，軟件應(yīng)由4大主要功能模塊組成，總體架構(gòu)為串聯(lián)單向流水模式

摘要：為開發(fā)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與模態(tài)識(shí)別的集成軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測(cè)工作和識(shí)別計(jì)算的主要工作內(nèi)容，設(shè)計(jì)集成軟件的架構(gòu)體系和專業(yè)功能，劃分出基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)客戶端、結(jié)構(gòu)計(jì)算、模態(tài)識(shí)別和結(jié)果對(duì)比/評(píng)估等4個(gè)主要功能模塊.根據(jù)頻域峰值法和時(shí)域隨機(jī)子空間法等識(shí)別理論，設(shè)計(jì)基于實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度的模態(tài)識(shí)別數(shù)值算法.在Microsoft Windows平臺(tái)上用C++和FORTRAN程序語(yǔ)言開發(fā)該軟件包，并用數(shù)值測(cè)試算例驗(yàn)證軟件的正確性.該軟件已經(jīng)應(yīng)用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別.

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 振動(dòng)監(jiān)測(cè)； 模態(tài)識(shí)別； 軟件設(shè)計(jì)； 數(shù)值算法

中圖分類號(hào)： TU392；TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

對(duì)于大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的逆向模態(tài)識(shí)別是健康監(jiān)測(cè)和性態(tài)分析的重要內(nèi)容.[1]振動(dòng)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備目前已相當(dāng)先進(jìn)，模態(tài)識(shí)別的相關(guān)理論研究也已很多，但長(zhǎng)期以來(lái)在土木行業(yè)內(nèi)一直缺乏綜合性的專業(yè)工具軟件.監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常只存放在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控中心服務(wù)器上，而且數(shù)據(jù)格式往往因設(shè)備生產(chǎn)廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數(shù)據(jù)的交接管理、使用和實(shí)時(shí)觀測(cè)都非常地不方便.在后期的數(shù)據(jù)分析工作中，長(zhǎng)期以來(lái)只能采用大量人工作業(yè)再輔以多個(gè)通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和模態(tài)識(shí)別工作的自動(dòng)化程度，開發(fā)集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關(guān)的主要工作.

1 軟件功能設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)換熱性態(tài)分析主要包括4方面的工作內(nèi)容：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、截取和整理；計(jì)算當(dāng)前實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理論值；基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別計(jì)算分析；對(duì)比識(shí)別值/推算值與理論計(jì)算值以得到相應(yīng)的判斷和評(píng)估結(jié)論.

根據(jù)這些工作內(nèi)容，集成軟件應(yīng)具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠(yuǎn)程方式瀏覽功能，實(shí)時(shí)查看位于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，截取指定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接脩羲诘墓ぷ鞯攸c(diǎn).

（2）軟件應(yīng)能進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算和模型測(cè)點(diǎn)定義的功能，即：在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型上計(jì)算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)加速度傳感器的實(shí)際布設(shè)點(diǎn)，輸出在設(shè)計(jì)模型上對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置處的振型數(shù)據(jù).

（3）模態(tài)識(shí)別是軟件系統(tǒng)的核心功能.輸入多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，用一種或多種識(shí)別算法計(jì)算出這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振型和頻率.

（4）具體建筑結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量可能會(huì)從幾十個(gè)到幾百個(gè)，稱之為“樣本點(diǎn)”，而完整結(jié)構(gòu)的有限元模型通常會(huì)有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此需要從相對(duì)少量的“樣本點(diǎn)”振型推算出整體結(jié)構(gòu)全部節(jié)點(diǎn)的振型位移.通過基于實(shí)測(cè)的識(shí)別值與理論計(jì)算值的對(duì)比，可直觀地判斷實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是否與理論設(shè)計(jì)值相符，實(shí)際結(jié)構(gòu)是否有損傷導(dǎo)致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對(duì)整體的推算振型與從設(shè)計(jì)模型得到的理論計(jì)算振型進(jìn)行振幅拼合，以便進(jìn)行整體性的對(duì)比和觀察.

（6）實(shí)現(xiàn)所有過程和計(jì)算結(jié)果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構(gòu)

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)和識(shí)別工作的流程與先后順序以及上述功能設(shè)計(jì)，軟件應(yīng)由4大主要功能模塊組成，總體架構(gòu)為串聯(lián)單向流水模式