火災時建築結構倒塌聲發射監控系統及其監測方法

2023-05-22 09:37:16 1

專利名稱：火災時建築結構倒塌聲發射監控系統及其監測方法
技術領域：
本發明屬於建築物的防災減災技術領域，具休涉及火災時建築結構倒塌聲發射監控技術。
(二)
背景技術：
聲發射技術在丁程領域的研究始終是以應用為目的的，即藉助聲發射技術事先對工程材 料整個破壞過程進行監測和評價，從而為工程領域提供一種有效和動態的監測方法。
過去和現在對聲發射的研究主要集中在建築工程中混凝土材料聲發射的基本屬性、混凝 土中裂紋的產生和擴展規律、混凝土的失穩模式同聲發射間的關係、裂紋缺陷的定位技術、 凱塞效應機理及其在混凝土材料中的應用等方面。隨著科技的發展，對混凝土聲發射技術的 研究也發展很快，主要表現在對混凝土聲發射的研究內容方面日趨深入，從單軸狀態到三軸 狀態，從單因素分析到多因素分析等。
但是目前關於高溫下建築結構聲發射特性的研究還沒有。
(三)

發明內容
本發明的目的在於提供一種火災時建築結構倒塌聲發射監控系統及其監測方法，它通過 分析建築結構火災時的聲發射參數與建築結構構件斷裂及穩定性等的關係，判斷結構是否處 於安全狀態。
本發明的火災時建築結構倒塌聲發射監控系統是這樣實現的它主要由傳感系統、信號 放大過濾系統、信號採集系統及信號分析判斷系統依次電信號連接組成，信號放大過濾系統 由前置放大器、信號過濾器和主放大器組成；分析判斷系統主要由監控軟體及顯示設備組成。
本發明的火災時建築結構倒塌聲發射監控系統還有這樣一些技術特徵
1 、所述的傳感系統由波導杆和傳感器組成。
建築物在火災時在高溫作用下發出聲發射信號，甶傳感系統對信號進行接收、傳播，再 由信號放大過濾系統對信號進行放大、過濾及二級放大，接著由信號來集處理系統對信號進 行處理，最後由分析判斷系統對信號進行分析並作出判斷。其中，傳感系統由波導杆和傳感 器組成，以解決高溫下聲發射信號的接收、傳導問題；信號放大過濾系統山前置放大器、信 號過濾器和主放大器組成；分析判斷系統主要由監控軟體及顯示設備組成。
火災時建築結構在高溫作用下會產生裂縫，導致構件出現破壞及出現結構失穩破壞等。 通過建立聲發射參數與結構狀態之間的關係，利用聲發射監測系統對建築結構火災時的狀態 進行監測，了解建築結構的丁作狀態是否安全，即時為消防人員提供有用信息。
本發明通過波導杆的使用解決了火災時聲發射檢測系統難以應用的難題。在大量實驗的基礎卜.，通過計算模擬確定了突發信號及連續信號與聲發射源位置的關係；確定了累積計數 參數(聲發射事件總數、振鈴總計數、總能量、幅度總計數等)與結構內部累積變化所導致 的結構外部變化的關係；確定了聲發射變化率參數(事件計數率、振鈴計數率、能量釋放率 等)與結構裂縫發展速度的關係；以及結構在接近倒塌時的參數特徵及判據。 本發明的監測方法技術力案為
(1) 在建築物梁、板、柱的最大彎矩處以及應力集中處(固支端、鋼結構連接部分等)， 布置聲發射傳感器。依據波的傳播衰減確定傳感器間距，依據所選傳感器間距和構件大小確 定結構構件測點數量。在時差定位中，最大傳感器間距所對應的傳播衰減，不宜大於預定最 小檢測信號幅度與檢測門檻值之差。在區域定位中，傳感器陣列採用三角平面。
(2) 波導杆與探頭的連接，選取合適的鋼螺杆，將鋼螺杆預埋在測點位置，螺冒頂部 要用砂紙打磨千淨平整，與探頭緊密的接觸在一起，採用真空矽脂作為耦合劑。由於探頭本 身帶有很強的磁性，波導杆是鐵的，正好可以很好地耦合在一起。
(3) 聲發射檢測系統的靈敏度決定於傳感器的靈敏度、傳感器間距和檢測門檻設置。 其中，門檻設置為其主要的可控制因素。檢測門檻越低，測得信息越多，但易受噪聲的幹擾， 因此，檢測門檻在靈敏度和噪聲幹擾之間做了折衷選擇。多數檢測是在門檻為35 55dB的中 靈敏度下進行，最為常用門檻值為4(k舊。聲發射檢測系統設置了合理的增益，增益是儀器主 放大器對聲發射波形信號放大倍數的設置，它直接影響能量的測量和聲發射信號的能量計數， 本發明系統採用增益為40dB前置放大器。另外對板卡參數也要進行合理設置，板卡參數包括採 樣頻率、採樣長度、參數間隔和鎖閉時間等。採樣頻率的設置要根據柃測對象的不同進行不同 的設置，中心頻率即既大於10倍而又要小於30倍的採樣頻率是我們最關心的頻率段，根據經驗 20倍左右時效果最好。例如混凝土的聲發射頻域，本發明板卡參數的設置為採樣頻率625KHZ， 採樣長度2048 (點數)，參數間隔和鎖閉時間均為2000|as。
(4) 本發明的建築結構火災時聲發射監控軟體(監控系統的監控軟體)中，設置了聲 發射源的定位模塊，通過時差定位法(經對各個聲發射通道信號到達時間差、波速、探頭間 距等參數的測量及複雜的算法運算，確定波源的位置)和區域定位法(處理速度快、簡便而 又粗略的定位方法)分析突發信號和連續信號確定聲發射源的位置；設置了各種結構(混凝 土結構、鋼結構、砌體結構等)的火災安全極限準則，當各種結構的構件在火災下達到安全 極限時會做出預警報告；設定了累積計數參數(聲發射事件總數、振鈴總計數、總能量、幅 度總計數等)與結構內部累積變化所導致的結構外部變化的關係；設定了聲發射變化率參數
(事件計數率、振鈴計數率、能量釋放率等)與結構裂縫發展速度的關係；設置了各種結構 在倒塌時的聲發射信號的特徵及判據。本發明正是為解決高溫下建築結構聲發射特性的檢測問題，提供一種可用於實踐的火災 時結構倒塌聲發射監控系統。
(1) 設置監測點的位置，在結構易出現裂縫的位置(彎矩較大點、應力集中點等)。通 過對儘量少的特徵點的監測達到對結構整體監測的目的。
(2) 採集火災吋的聲發射信號，並對聲發射信號進行去噪音及過濾處理。對門檻、增益、 板卡參數等進行設置，以便搜集到積極有效的參數如事件計數、幅度、能量計數等。
(3) 利用火災時建築結構倒塌聲發射監測軟體對採集到的聲發射參數進行分析，作出相 應判斷，能夠了解建築結構的工作狀態是否安全，即時為消防人員提供有用信息。
(四)


圖1為火災時建築結構倒塌聲發射監控系統示意圖2-3為某樓板測點布置及採集系統測點編號圖4為波導杆與傳感器迮接圖5-圖7為1點、7點、13點的事件數示意圖8為監控軟體的程序流程圖。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例作進一歩說明
結合圖l，建築結構火災時聲發射監測系統主要包括傳感系統l、信號放大過濾系統、 信號採集處理系統及分析判斷系統依次電信號連接。其中，傳感系統由波導杆和傳感器組成， 以解決高溫下聲發射信號的接收、傳導問題；信號放大、過濾系統由前置放大器、信號過濾 器和主放大器組成；分析判斷系統主要由監控軟體及顯示設備組成。
(1) 如圖1所示建築結構火災時聲發射監測系統的主要歩驟為a.波源3產生波的傳 播2，傳感器接收聲發射信號；b.前置放大器對信號進行放大；C.濾波器過濾掉信號中的噪
音及非重要參數；d.主放大器對過濾後的信號進行二級放大；e.監測軟體對信號進行分析做
出判斷。
(2) 如圖2-圖3所示選取特徵節點，某樓板的簡支板在中間位置設置測點，根據板的 尺寸及波的傳播衰減設置了 13個測點。波導杆與傳感器的連接如圖3所示。
(3) 由於傳感器輸出信號的電壓有時低至微伏數量級，這樣微弱的信號，若經過長距離 的傳輸，信噪比必然要降低。如圖1所示，在建築結構火災時聲發射監測系統中傳感器之後
設置信號放大過濾系統。首先by前置放大器對聲發射信號進行放大；其次為減少環境噪音及
電器設備的電磁幹擾，在前置放大器之後設置濾波器，對聲發射信號進行過濾；最後在濾波 器之後設置主放大器對聲發射信號進行二級主放大以提高系統的動態範圍。")建築結構火災時聲發射監測系統的分析判斷系統對經主放大器放大後的聲發射信號 進行分析判斷並顯示，如圖5-圖7所示l點、7點、13點的事件數，監測軟體根據軟體當中 的混凝土結構板的事件數與板開裂及裂縫發展的關係以及軟體當中板的破壞極限對事件數進 行分析做出判斷。監測軟體的程序流程圖如圖8所示。其它參數如振鈴數、能量計數、振幅 等監測軟體也同樣依據相關參數判斷準則及安全準則做出相應判斷。
權利要求
1、一種火災時建築結構倒塌聲發射監控系統，其特徵在於它主要由傳感系統、信號放大過濾系統、信號採集系統及信號分析判斷系統依次電信號連接組成，信號放大過濾系統由前置放大器、信號過濾器和主放大器組成；分析判斷系統主要由監控軟體及顯示設備組成。
2、 根據權利要求1所述的火災時建築結構倒塌聲發射監控系統，其特徵在於所述的傳感系統 由波導杆和傳感器組成。
3、 一種根據權利要求1所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於(1) 設置監測點的位置，在結構易出現裂縫的位置，包括彎矩較大點、應力集中點， 通過對儘量少的特徵點的監測達到對結構整體監測的目的；(2) 採集火災時的聲發射信號，並對聲發射信號進行去噪音及過濾處理；對門檻、增 益、板卡參數進行設置，以便搜集到積極有效的參數包括事件計數、幅度、能量 計數；(3) 利用火災時建築結構倒塌聲發射監測軟體對採集到的聲發射參數進行分析，作出 相應判斷，能夠了解建築結構的工作狀態是否安全，即時為消防人員提供有用信 息。
4、 根據權利要求3所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於(1) 在建築物梁、板、柱的最大彎矩處以及應力集中處，即固支端、鋼結構連接部分， 布置聲發射傳感器；依據波的傳播衰減確定傳感器間距，依據所選傳感器間距和構件大小確 定結構構件測點數量；在時差定位中，最大傳感器間距所對應的傳播衰減，不宜大於預定最 小檢測信號幅度與檢測門檻值之差，在區域定位中，傳感器陣列採用三角平面；(2) 波導杆與探頭的連接，選取合適的鋼螺杆，將鋼螺杆預埋在測點位置，螺冒頂部 要用砂紙打磨乾淨平整，與探頭緊密的接觸在一起，採用真空矽脂作為耦合劑；(3) 聲發射檢測系統的靈敏度決定於傳感器的靈敏度、傳感器間距和檢測門檻設置， 檢測門檻為35 55dB的中靈敏度下進行，聲發射檢測系統設置增益和板卡參數，板卡參數包 括採樣頻率、釆樣長度、參數間隔和鎖閉時間，採樣頻率採用中心頻率即既大於IO倍而又要 小於30倍的採樣頻率；(4) 本發明的建築結構火災時聲發射監控軟體中，設置有聲發射源的定位模塊，通過時差定位法和區域定位法分析突發信號和連續信號確定聲發射源的位置；設置了各種結構，包括混凝土結構、鋼結構和砌體結構的火災安全極限準則，當各種結構的構件在火災下達到安全極限時會做出預警報告；設定了累積計數參數與結構內部累積變化所導致的結構外部變 化的關係；設定了聲發射變化率參數與結構裂縫發展速度的關係；設置了各種結構在倒塌時 的聲發射信號的特徵及判據。
5、 根據權利要求4所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於檢測門檻值為 40dB。
6、 根據權利要求5所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於採樣頻率採用 中心頻率20倍。
7、 根據權利要求6所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於板卡參數的設 置為採樣頻率625KHZ，採樣長度2048 (點數)，參數間隔和鎖閉時間均為2000)is。
8、 根據權利要求7所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於時差定位法為 經對各個聲發射通道信號到達時間差、波速、探頭間距等參數的測量及複雜的算法運算， 確定波源的位置。
9、 根據權利要求8所述的火災時建築結構倒塌聲發射監測方法，其特徵在於累積計數參數 包括聲發射事件總數、振鈴總計數、總能量、幅度總計數，聲發射變化率參數包括事件計 數率、振鈴計數率、能量釋放率。
全文摘要
本發明提供了一種火災時建築結構倒塌聲發射監控系統及其監測方法，監控系統主要由傳感系統、信號放大過濾系統、信號採集系統及信號分析判斷系統依次電信號連接組成，信號放大過濾系統由前置放大器、信號過濾器和主放大器組成；分析判斷系統主要由監控軟體及顯示設備組成。本發明通過分析建築結構火災時的聲發射參數與建築結構構件斷裂及穩定性等的關係，判斷結構是否處於安全狀態，即時為消防人員提供有用信息。
文檔編號G01H17/00GK101299034SQ20081006476
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月18日 優先權日2008年6月18日
發明者房圓圓, 朱崇績, 董毓利 申請人:哈爾濱工業大學