火災時建築結構倒塌振動監控系統及其監控方法
2023-05-22 09:36:51
專利名稱：火災時建築結構倒塌振動監控系統及其監控方法
技術領域：
本發明涉及建築結構防災減災技術領域，具體涉及一種火災時建築結構倒塌振動監控系統。
(二)
背景技術：
隨著科技的發展，工程技術人員可進行由風、地震等激勵引起的振動特性測試以及數據 的採集和處理。振動測試，主要在於通過傳感器、放大器以及顯示或記錄儀表，測量工程結 構在激勵下其重要部位的位移、速度、加速度等運動量，從而了解結構的工作狀態。通過運 動量的測量，可了解結構的動特性，如固有頻率、固有振型、阻尼及動剛度等特性參數，為 工程結構的動力設計提供依據。但迄今，尚無對高溫下物體的振動特性進行測試，並用其監 測建築結構工作狀態的先例。
(三)
發明內容
本發明的目的在於提供一種可以較好的監測火災下建築結構的工作狀態，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，可及時疏散被困人員和搶救重要 物資的火災時建築結構倒塌振動監控系統。
本發明的目的是這樣實現的它包括振動傳感器、連接振動傳感器的信號放大過濾系統、 連接信號放大過濾系統的信號釆集處理系統和連接信號採集處理系統的監控單元，信號放大 過濾系統包括相互連接的信號放大器和信號過濾器，信號放大器連接振動傳感器，信號過濾 器連接信號採集處理系統，振動傳感器設置在建築結構構件上。
本發明還包括這樣一些技術特徵
1、 所述的建築結構構件包括柱子中部和頂部，梁的跨中，及其板的1/4、 1/2跨；
2、 所述的傳感器的底部設置有隔熱材料。
本發明的另一目的在於提供一種火災時建築結構倒塌振動監控方法。
本發明的監控方法為首先選取進行振動特性測試的控制點，正確布設振動傳感器，振 動傳感器採集建築結構構件原始數據，隨後採集到的數據經過信號放大器、信號過濾器的放 大和過濾，進入信號釆集處理系統，得到振動特性參數，最後將實時測得的振動特性參數與 監測單元建立連接，通過監控單元內監測軟體內部的判定準則，判定建築結構是否安全，並 在危險時發出預警。
本發明的監控方法還有這樣一些技術特徵
1、所述的當實時測得的建築結構火災下的振動特性參數超過各自對應的限值時，判斷得
到建築結構倒塌結論；
2、 所述的建築結構構件中位移、變形較大的點，作為振動測試的特徵點，特徵點處的振 動特性參數，包括振幅比、頻率比、阻尼比和加速度；
3、 所述的振動傳感器進行技術處理和保護，處理措施為將耐火磚固定在混凝土構件表 面，使用粘結劑將振動傳感器粘結到耐火磚上，最後將振動傳感器的周圍用矽酸鋁耐火材料 覆蓋。
本發明建立了一套建築結構在火災下倒塌的監控系統。即依據建立的振動特性參數與建 築結構倒塌之間的定量對應關係，並利用振動測試技術，對結構中某些特徵點進行火災引起 的振動特性測試，結合相關的監測軟體，預測整體建築結構在火災下的工作狀態，判斷是否 安全。
(1) 選取進行振動特性測試的控制點。不同的建築構件，其控制點的位置有所不同。
(2) 測試時，將常溫下使用的振動傳感器進行一定的技術處理和保護，使其能在高溫下 正常工作。
(3) 當實時測得的建築結構火災下的振動特性參數超過各自對應的限值時，建築結構倒 塌。
建築結構的梁、柱、板等構件火災下的行為各異，但由於火激勵引起的構件的振動特性 具有很好的規律性。故此，通過監測建築構件火災下振動特性參數，可以判斷建築結構的工 作狀態，判定其是否安全，從而可以指導消防滅火工作。
本發明在大量的試驗基礎上，綜合確定了建築結構的振動特性參數與結構倒塌之間的對 應關係。為確定此關係，需將建築結構中由於其他激勵引起的振動特性過濾，才能得到真實 的火災激勵引起的振動現象。為科學地反應結構振動特性參數與建築結構工作狀態的關係， 引入了振動特性參數比，即火災下結構的振動特性數值與各自對應的常溫下結構振動特性數 值的比值。火災下，建築結構何時倒塌是消防人員比較關心的問題之一，據此可以指導消防 滅火工作。
本發明的技術方案是
(1) 建築結構構件中位移、變形較大的點，作為振動測試的特徵點。特徵點處的振動 特性參數(振幅、頻率和阻尼)，反映比較敏感。這些特徵點能夠準確反應整體結
構的振動特性，並便於布置振動傳感器。參見圖2。
(2) 需將常溫下使用的振動傳感器進行技術處理和保護，使其能夠在高溫下正常工作。
參見圖3。處理措施為將耐火磚固定在混凝土構件表面，使用粘結劑將振動傳感
器粘結到耐火磚上，最後將振動傳感器的周圍用矽酸鋁耐火材料覆蓋。
(3) 將根據大量試驗數據確定的火災下倒塌時振動特性參數的限值輸入到自行編制的 監測軟體，作為建築結構工作狀態的判據。
(4) 將火災下實時測得的建築結構振動特性參數與自行編制的監測軟體建立連接，實 時監控建築結構的工作狀態。測試所得的振動特性參數形式參見圖4、圖5。監測 軟體的流程圖參見圖6。
此專利屬於建築結構防災減災領域的應用技術，適用於預測和監控火災引起的建築結構 的振動特性及倒塌，指導消防工作。具體地說，是集傳感器、電子學、信號分析、結構振動 理論以及編程於一體的應用技術。
本發明的效果本發明可以較好的監測火災下建築結構的工作狀態，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，可及時疏散被困人員和搶救重要物資。
(四)
圖1為火災時建築結構倒塌振動監控系統示意圖； 圖2為某樓板測點布置及測點編號圖； 圖3為振動傳感器固定圖4-圖5為2點的加速度圖，其中圖4為測點2加速度變化曲線(130min 150min)，徒為測點
2加速度變化曲線(150min 220min);
圖6為監測軟體的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明
結合圖1，可知火災時建築結構倒塌監控系統的工作流程。振動傳感器1設置在樓板2 上，其測得振動特性的原始數據，經過信號放大器、信號過濾器以及信號採集處理系統，得 到建築結構實時的振動特性參數，最後將振動特性參數輸入監測軟體進行安全判定。
1、 本發明按以下步驟實施
(1) 測點布置。建築結構構件中位移、變形較大的點，作為振動測試的特徵點，如 圖2中位置3、 4所示。
(2) 振動特性測試。選用適用的測量儀器，對各特徵點的振動特性進行測試，並將 數據進行採集及處理。振動傳感器固定如圖3所示。
(3) 按照輸入監測軟體的反映建築結構倒塌的振動特性參數限值，對實時輸入的振 動特性參數(參見圖4、圖5)進行處理，判定建築結構的工作狀態。
2、 具體操作如下
(1) 確定火災下建築結構在不同工作狀態，尤其是臨近倒塌時與振動特性參數的對
應關係。根據大量的試驗數據，確定此對應關係。
(2) 根據建築結構特點，確定振動測試的特徵點，並進行振動傳感器的布設。柱子 中部和頂部，梁的跨中，及其板的1/4、 1/2跨，這些部位的振動特性需重點測 試。為適應高溫環境，需將傳感器進行一定的技術處理。在傳感器的底部，需 設置大小合適的隔熱材料，以保護傳感器能在高溫下正常工作。隔熱材料與建 築物及其隔熱材料與傳感器之間均需固定良好，保證傳感器正常工作的跟隨條 件。
(3) 建築結構振動特性的測試。利用經過技術處理的振動傳感器及其配用的信號放 大器以及智能信號採集處理分析儀。儀器均選用市場上通用的即可。測試的參 數主要為振幅比、頻率比、阻尼比和加速度。
(4) 振動特性參數與建築結構工作狀態對應的關係，輸入自行編制的控制軟體，作 為預測建築結構工作狀態的判斷準則。
(5) 利用計算機，將火災過程中實時測得的振動特性參數進行連續不斷的判定，得 出建築結構是否臨近倒塌，並發出預警。
權利要求
1、一種火災時建築結構倒塌振動監控系統，其特徵在於它包括振動傳感器、連接振動傳感器的信號放大過濾系統、連接信號放大過濾系統的信號採集處理系統和連接信號採集處理系統的監控單元，信號放大過濾系統包括相互連接的信號放大器和信號過濾器，信號放大器連接振動傳感器，信號過濾器連接信號採集處理系統，振動傳感器設置在建築結構構件上。
2、 根據權利要求1所述的火災時建築結構倒塌振動監控系統，其特徵在於所述的建築結構 構件包括柱子中部和頂部，梁的跨中，及其板的1/4、 1/2跨。
3、 根據權利要求1或2所述的火災時建築結構倒塌振動監控系統，其特徵在於所述的傳感 器的底部設置有隔熱材料。
4、 一種根據權利要求1所述的火災時建築結構倒塌振動監控方法，其特徵在於該監控方法 為首先選取進行振動特性測試的控制點，正確布設振動傳感器，振動傳感器釆集建築結構 構件原始數據，隨後採集到的數據經過信號放大器、信號過濾器的放大和過濾，進入信號採 集處理系統，得到振動特性參數，最後將實時測得的振動特性參數與監測單元建立連接，通 過監控單元內監測軟體內部的判定準則，判定建築結構是否安全，並在危險時發出預警。
5、 根J&權利要求4所述的一種火災時建築結構倒塌振動監控方法，其特徵在於所述的當實 時測得的建築結構火災下的振動特性參數超過各自對應的限值時，判斷得到建築結構倒塌結 論。
6、 根據權利要求4所述的一種火災時建築結構倒塌振動監控方法，其特徵在於所述的建築 結構構件中位移、變形較大的點，作為振動測試的特徵點，特徵點處的振動特性參數，包括 振幅比、頻率比、阻尼比和加速度。
7、 根據權利要求4所述的一種火災時建築結構倒塌振動監控方法，其特徵在於所述的振動 傳感器進行技術處理和保護，處理措施為將耐火磚固定在混凝土構件表面，使用粘結劑將 振動傳感器粘結到耐火磚上，最後將振動傳感器的周圍用矽酸鋁耐火材料覆蓋。
全文摘要
本發明提供了一種火災時建築結構倒塌振動監控系統及其監控方法，監控系統主要是由振動特性的測試系統和相關的倒塌監測軟體組成。振動特性的測試系統是由耐高溫的振動傳感器，以及配套的信號放大器、智能信號採集處理分析儀組成。監測軟體是基於C++語言、自行研製開發的實用性軟體，可以根據振動特性測試系統輸入的振動特性參數來預測建築結構的工作狀態。這樣使得在火災發生時，能掌握建築結構的工作狀態，從而能夠準確把握救火時機，避免造成重大傷亡和財產損失。此系統的開發，可掌握建築結構由火災引起的振動特性，預測和監測建築的倒塌，為消防工作提供重要依據。
文檔編號G01M7/00GK101354305SQ20081006476
公開日2009年1月28日 申請日期2008年6月18日 優先權日2008年6月18日
發明者張大山, 房圓圓, 董毓利 申請人:哈爾濱工業大學