基于無線傳感技術的多層砌體結構抗震自動化監測

王 群，嚴心娥

（1.西安思源學院 城市建設學院，西安 710038；2.西安交通工程學院 土木工程學院，西安 710300）

結構工程是土木工程專業的重要學科，因為其研究領域的復雜性和不確定性面臨著許多勘測困難。由于各種自然災害造成的建筑物損傷及坍塌所產生的影響不斷增加，建筑構件在自然災害影響下穩定性的研究日益受到重視。

對此，一些學者進行了相關研究。文獻[1]提出罕遇的設防烈度地動因素規則多層砌塊設計修改設計實用技術，以砌塊抗剪強度方程的合理彈塑性模型為依據，確立了砌塊全樓面屈服強度關系的計算結果方法，并充分考慮到防震措施的作用，從而完成了由單塊墻肢的厚度計算向全樓面屈服強度計算結果的過渡，按照以Takeda 滯回模式為基準的有效阻尼器計算公式，并考慮砌體構造的基本周期和延性特征對其加以相應簡化，但此方法的計算量巨大，耗費時間長；文獻[2]提出規則多層砌體結構基于位移和伸縮性的抗震性能評價方法，在非迭代等效線性化法的基礎上，確立其等效單自由度結構的最大屈服位移以及彈塑性位移要求，最大互層彈塑性位移以及伸縮性要求的計算公式，將最大互層彈塑性位移以及伸縮性要求與相應的限值加以對比，判斷結構能否滿足某抗震性能指標的需要，并由此形成了規范多層砌體結構基于位移和伸縮性的抗震性能評價體系，但此方法在評定過程中的精確率不足，容易發生失誤。

為了提升多層砌體結構抗震自動監測效果，本文設計了一種基于無線傳感技術的多層砌體結構抗震自動監測模型。

1 多層砌體結構抗震信息獲取

本文通過等效體積單元技術獲得多層砌塊單元抗震數據，采用均質技術將所有砌體與砂漿結構材料都視為一個連續的介質結構。通過建立可以等效于所有砌體組成材料的砌塊等效體積單元，以實現連續單元結構，二維狀態的砌塊等效體積單元的應力-應變關系如式（1）所示：

式中：v 為砌體等效結構單元的泊松比；E 為彈性模量；σ 為剪切模量。

利用均質化原理分別將加固前、后砌體結構中的砌體和砂漿等效為砌體等效體積單元，采用ANSYS無線傳感軟件對其進行時程分析[3-4]。根據對稱性選取一半結構進行有限元分析，得到的砌體受壓應力-應變關系[5-6]如式（2）所示：

式中：f 為砌體平均受壓強度；c 為豎向壓應力；ε 為豎向壓應變。

由于加固前后砌體的振型模態相同，因此當加固后的結構質量和墻體剛度增加時，加固后的各階周期減小，通過上述2 個公式可計算出砌體結構的開裂臨界值以及抗壓強度，完成多層砌體結構抗震信息獲取。

2 無線傳感技術下抗震自動監測模型

本文利用無線傳輸分析軟件ANSYS 選取砌體抗震自動監測點。監測點選取基本流程如圖1 所示。

圖1 監測點選取基本流程Fig.1 Basic flow chart of monitoring point selection

觀察圖1 可知，監測點選取包含解析對象的離散式化、有限元計算、對監測點選取的后處理過程等3 個組成部分[7-8]。首先定義多層砌塊結構單元的單位移動、節點力向量，然后選取相應的位移函數，以求得結構單位中任意某個點的移動和節點移動的關聯，進而給出單位應力-單元移動-節點移動相互關聯的函數，找出單位應力-應變-節點移動間距、節點位置與節點移動、節點移動與內部應力相互之間的關聯等。對多層砌塊結構單位進行分類時，本文將鋼結構建筑單位看成持續、完全彈性、均勻分布、各向同性、微小變化和無初應力的單位加以對待[9-10]。利用分析多層砌體結構的權重原則可以得出應力監測點及區域，而這些點的承載力狀況又能切實反應安全工作狀況，由此可以看出，它是保障安全工作質量的主要數據參數[11]。

得到監測點后，再建立監測數學模型，由于墻體在復合應力影響下并非直接沿最大應力的作用面破裂，而是出現在應力變化較小的薄弱斷面，隨著復合應力狀況的改變也可以產生不同的剪切損傷形式，因此本文根據正交的各向異性增量型應力應變關系，在平面應力狀態采用主應力軸的情形下建立的監測數學模型，如式（3）所示：

式中：λ 為建立的數學模型；v 為主應力；s 為在a 的等效單軸應變或多層砌體的各主應力中的切面模量；e則為平面剪切模量[12]。

因為單軸應力應變曲線的形式不同，因此本文選取E 作為砌體單軸受壓應力-應變曲線的切線模量。多層砌體結構的損壞原因包括受壓、受拉或受剪切等，當拉伸應力達到破碎邊界的破裂界限，決定破碎的性質薄弱的灰縫強度并影響砌筑強度的方向性，而組合應力則將損壞灰縫較厚的砌筑上，所以，砌體損傷準則應充分考慮各項損壞原因，監測數學模型便可很好地完成對破壞因素的統計分析。

3 實驗分析

3.1 實驗準備

在驗證設計方法的性能之前，需要做好實驗準備。實驗所用系統由端機、基站和傳感器節點組成。基站是由無線網關、個人計算機及基于虛擬儀器平臺的應用軟件、微型打印機等組成；端機即用戶終端，其與基站之間可通過有線或無線網絡實現信息交換；傳感器節點由英特爾第五代集成顯卡（intel iris graphics，IRIS）模塊、數據采集板、處理電路構成。該檢測網絡系統在各節點采用了基于無線傳輸技術的無線檢測網絡系統，采用的具體協議為TCP/IP 協議。在多層砌體結構抗震信息獲取方面利用串行接口設備和插入式信息收集模塊等實現信息收集。實驗環境在LabVIEW 上實現，設計的監測系統具備開始監測、開始記錄數據等功能。

具體功能如下：在監測項中選擇需要監測的選型，點擊“開始監測”，圖形曲線開始顯示，顯示值為所測節點對應的應力值；點擊“開始記錄數據”，彈出記錄數據保存對話框，輸入要保存數據的文件名，并選擇要保存的格式及文件位置，即完成數據保存；點擊“停止記錄”即停止對監測數據的保存，但后臺繼續監測，圖形曲線繼續顯示；點擊“暫停監測”，圖形曲線停止顯示；點擊“退出”，即程序停止運行，點擊“歷史數據回放”可實現對記錄數據的查看。

3.2 結果與分析

為了驗證本文提出的基于無線傳感技術的多層砌體結構抗震自動監測模型的實際應用效果，設定實驗，選用基于抗震分析的多層砌體結構抗震自動監測模型和基于規則多層砌體結構抗震自動監測模型進行實驗對比。分別在不同等級的地震下監測多層砌體結構抗震能力，分析砌體結構承受負荷和沉降值。地震監測等級如表1 所示，地震監測過程如圖2 所示。

表1 地震監測等級Tab.1 Seismic monitoring levels

圖2 地震監測過程Fig.2 Seismic monitoring process

本文監測的部分砌體結構示意圖如圖3 所示。

圖3 砌體結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of masonry structure

得到的砌體承受負荷實驗結果如圖4 和圖5所示。

圖4 砌體承受負荷模擬結果Fig.4 Simulation results of masonry bearing load

圖5 砌體承受負荷實驗結果Fig.5 Load bearing test results of masonry

根據砌體承受荷載進一步分析沉降值，得到的沉降值實驗結果如表2 所示。根據表2 可知，本文提出的監測方法與實際地震沉降量基本一致，尤其是在強震模式下，傳統的監測方法受強震影響已經無法準確判斷多層砌體結構的沉降量。詳細分析可知，本文方法的誤差均為正誤差，而誤差最高值發生在3.5 h 時，其誤差值為0.09 m，而兩種對比方法的誤差隨著實際沉降量的增加，誤差逐漸增大，誤差均為負向誤差，并且誤差值較高，其中抗震分析監測模型監測沉降量的最高誤差達到了0.98 m，規則多層砌體結構抗震監測模型監測沉降量最高誤差達到了0.74 m，3 種方法相比可知，本文方法的誤差降低了0.89 m 和0.65 m，該結果驗證了本文設計的無線傳感技術監測模型具備更高的監測準確性，監測誤差較小，實際應用價值更高。

表2 沉降值實驗結果Tab.2 Settlement value test results

4 結語

我國現在存有大量多層砌體機構建筑，其中有很大比例的建筑因建造時未進行抗震設計而產生安全隱患，因此對多層砌體結構的抗震自動檢測至關重要。本文基于無線傳感技術，提出了一種多層砌體結構抗震自動檢測模型.首先對多層砌體結構抗震信息進行獲取，進而確定監測點位置，由此建立監測數學模型，通過模型實現多層砌體結構的抗震自動檢測。經實驗表明，本文設計的監測模型在精確度、成功率、運算速度方面都具有良好數據，適合實際采用，但本文對于模型的魯棒性方面仍有不足，后續研究將圍繞此方面進行。