Structural Monitoring and Seismic Resilience Evaluation of Buildings
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摘要: 建筑结构响应是有效反映结构动力特性的最直接参数，开展结构动力响应实时监测可为结构抗震韧性评估提供准确的地震动输入。本文基于非结构构件损失构建结构抗震韧性评估方法，研究确定位移敏感型和加速度敏感型非结构构件的易损性模型。选择某六层钢筋混凝土框架结构进行实时监测系统建设，基于监测数据开展结构抗震韧性评估。通过构建建筑信息模型（BIM），并在有限元分析软件OpenSees中建立结构弹塑性分析模型，利用实时监测数据实现结构模型更新，直至监测数据与模型分析结果一致。由于实时监测数据峰值较低，结构不会发生塑性变形，因此选择10条双向非脉冲地震动模拟实时监测地震记录。根据层间位移角和楼面加速度分布，开展结构功能损失评估，得到该建筑结构的抗震韧性得分。分析表明，该结构抗震性能较好，在遭受地震破坏后，会发生非结构构件脱落，需要采取有效措施进一步提升建筑抗震韧性水平。Abstract: Building response is the immediate parameter to reflect the structural dynamic characteristic. Real-time earthquake response monitoring is introduced to provide accurate input ground motions for seismic resilience evaluation. The method for building seismic resilience evaluation is put forward based on the loss of the non-structural elements. The fragility models are respectively determined for the displacement sensitive and acceleration sensitive non-structural elements. A six-story reinforced concrete frame structure is selected to construct the real-time monitoring system and evaluation of its seismic resilience is carried out based on the system recordings. According to the building design documents and the technical requirements, the monitoring scheme is accomplished and the system is instrumented. The building information model (BIM) is established according to the design documentation. The elastoplastic finite element model is simultaneously constructed based on the software OpenSees, an open source for finite element analysis. The data recorded in an earthquake are applied to update the numerical model. The updating terminates when the simulated frequencies is similarly consistent to the identified values from the recorded data. However, the amplitudes are unconspicuous and no plastic deformation appears. Ten bidirectional non-pulse ground motions are selected as the input data to simulate the real-time monitoring waves. The peak inter-story drift ratio and the acceleration are figured out to evaluate the loss of the structure function, then the score of seismic resilience is achieved. Analysis results show that the earthquake resistant performance is in good condition. However, the non-structural elements will be broken and fall down during major earthquakes. Effective measures are needed to improve the seismic resilience of the building.
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Key words:
- Real-time monitoring /
- Model update /
- Inter-story drift ratio /
- Floor acceleration /
- Seismic resilience
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引言
天津地震台网由测震台网观测台站和地球物理台网观测站共200多个无人值守台站组成。台站原有UPS供电系统仅有交流输出功能, 且无法远程监控。因此传统的维护方式中台站维护人员无法通过远程系统准确判断台站故障类型, 需亲临台站现场进行检修, 但如果有完善的远程管理系统, 可远程修复部分故障, 减少不必要的人力和财力浪费。依托“十二五”地震台站观测环境改造项目, 结合天津市无人值守台站的实际情况, 设计智能直流不间断电源及管理系统。
1. 电源及系统设计
为解决无人值守台站直流供电设备多、智能化管理水平低的运行现状, 设计开发了直流不间断电源及管理系统。在电源设备端通过硬件实现直流供电和监测控制功能, 在管理系统端通过软件实现对电源设备各硬件模块的远程监控。最终电源设备可为地震台站观测设备单独提供直流供电, 管理系统可对台站交流供电、直流输出、电池电压、网络状态等信息进行远程监控, 同时管理系统可远程控制交流供电和太阳能供电之间的切换、电池充放电、直流输出端口开关状态(王建国等, 2010；穆慧敏等, 2018)。
1.1 智能直流电源设计
为解决台站设备直流供电、电池充电、交流电状态监测、交流电中断后太阳能供电接入、电池状态监测和控制、与管理系统通讯、设备功能扩展、系统升级配置、短信远程控制等功能, 设计了智能直流电源, 其硬件构成如图 1所示。电源模块将220V交流电转换为13.6V直流电, 为设备供电和电池充电；220V监测模块实现对交流电的断电检测；充电管理模块支持对24V@36AH—100AH铅酸电池进行充放电管理；电压监测模块可检测蓄电池电压, 防止蓄电池过冲过放；太阳能接入模块支持1路24V太阳能输入, 配合太阳能控制器, 实现光伏电源管理；CPU模块为智能电源核心模块, 支持AC220V接口和24V太阳能供电输入接口并行, 为设备提供供电输入支撑, 支持对直流输出端口开关状态进行远程控制, 支持通过web界面远程访问控制等功能；以太网口模块用于直流电源与监控平台的通讯；RS232串口模块用于系统升级及配置；RS485串口模块可外接温湿度模块, 用于检测台站温湿度, 同时支持多路其他物理量测量模块扩展；4路12V输出端口、1路5V输出端口和1路15V输出端口的直流稳压输出供台站设备使用；SMS短信模块可通过SMS短信对直流输出端口开关状态进行远程控制。
1.2 监控平台设计
智能直流不间断电源监控平台针对智能直流电源在地震台站进行订制化应用设计, 采用模块化管理, 通过地图、电池监控、统计报表、维修管理和设备管理等模块的设计与实现, 提供高效的地震台站用电设备及相关信息管理平台, 实现实时监控台站电源状态, 显示台站智能电源设备充放电工作模式、电池电压、交流电输入状态等信息, 对台站端智能供电设备进行远程控制, 对供电端口远程断电、电池放电等进行控制。智能直流不间断电源监控平台各模块功能设计如表 1所示。
表 1 各模块功能设计Table 1. Functional design of each module功能模块 功能设计 用户管理 分为超级用户和设备维护用户, 具备不同权限, 超级用户负责整个系统的控制、管理及其他用户分配和权限设置等 监控主界面 监控界面支持本地地图, 电子地图上显示监控台站分布 台站运行状态监控以报警形式告知用户, 供电告警及通讯告警 台站监控设备列表 设备实时运行状态查询 台站远程控制 台站参数信息配置及台站添加与删除等 告警历史事件与统计数据查询 台站供电输入中断时长等统计数据 光纤链路及各网络设备中断时长统计数据 各台站查询时间段内的分类中断时长与中断次数统计报表输出等 台站维修日志查询与输出 按通讯与供电故障两类查询与输出维修日志功能等 1.3 数据库设计
智能直流不间断电源管理系统数据库主要用于存储无人值守台站、设备供电信息和状态、统计报表、系统告警、维修日志等信息。系统数据库选用MySQL数据库, MySQL数据库是目前运行速度最快的数据库, 具有支持跨平台、安全性高和存储容量大的特点(王建国等, 2013；孙路强等, 2016)。系统应用inUPS数据库, 涉及11张表, 具体表名和功能如表 2所示。
表 2 inUPS数据库结构Table 2. Database structure of inUPS表名 说明 Device Agent 设备信息 Device ConnectState 设备连接状态 DeviceReport Data 统计报表 Groups 设备分类 Repair Log 维修日志 System Alert 系统告警 System Log 系统日志 System Property 系统配置 Users 用户管理 Web Module 模块管理 Web Privilege 权限管理 1.4 系统功能流程
本系统主要包括前置数据接收处理、数据存储和web管理三大功能模块。前置数据接收处理模块主要负责收集由台站端通讯路由器和智能电源自动上传的通讯、供电状态信息, 并进行有线传输链路通断和各设备供电线路状态判断, 发布通讯链路或设备运行异常和故障消息给特定值班员, 同时将消息按设定形式自动显示于监控web界面。系统管理员收到通讯链路和设备故障报警信息后, 可通过web控制页面发出指令, 系统自动将其转发至远端设备, 同时汇集远端设备响应数据, 并将其反馈给管理员。
数据存储模块主要负责存储前置服务器接收的设备运行状况数据及系统操作动作细节等信息, 系统自动分类、编号, 然后将其写入数据库中, 以备后续查询及统计使用。web管理模块提供web界面, 方便管理员进行远端设备运行状态监控、参数设置及远程管理。该模块具备报警提醒功能, 当前置服务器检测到远端设备故障时, 前置模块通知web管理模块, web管理模块通过web监控主页面提供声音报警, 并通过短信向预先设置的接收人员告警。该模块提供用户权限管理, 通过分配不同角色用户限制访问者对资源的操作权限。同时提供系统各类数据按年、月、日统计报表输出功能。具体功能流程如图 2所示。
2. 系统应用
天津无人值守台站已大规模安装智能直流不间断电源, 并接入监控平台。值班人员每天定时登陆智能直流不间断电源管理系统监控平台, 通过主界面(见图 3)的地图界面查看电源设备在线状态(孙路强等, 2015), 当监测到台站智能直流电源离线, 电子地图上的台站图标由绿色变为红色。
通过电池监控界面查看电源设备运行状态并进行设备控制管理, 查看系统报表, 记录维修日志, 电池监控界面如图 4所示。
通过系统管理对设备、用户进行管理。值班人员通过智能直流不间断电源管理系统发现故障, 及时通知运维人员, 运维人员第一时间采取措施, 避免台站观测数据中断。
3. 实用效果
通过安装和部署地震台站智能直流不间断电源及管理系统, 无人值守台站智能化管理水平明显提高。在实际运行过程中, 多次监测到台站交流供电中断, 运维人员将交流供电切换为太阳能供电, 保证了观测系统的正常运行, 并及时与看护人员进行沟通, 远程解决了大部分供电问题。偶尔有专业设备或通用设备死机的情况, 通过监控平台单独控制相应的直流输出端口开关状态, 对设备进行远程重启, 解决了设备死机问题。运维人员定期对蓄电池进行远程充放电操作, 延长了蓄电池的使用寿命。同时运维人员将每次维修情况录入管理系统, 既形成了完整的维修档案, 又方便查询。针对管理系统的数据统计, 有针对性地对部分台站进行升级改造, 提高了台站监测数据的连续率。
4. 结语
地震台站智能直流不间断电源管理系统的应用大大提高了无人值守台站智能化管理水平, 显著提高了运维人员工作效率, 节约了运维成本, 对台站观测设备连续稳定运行起到了关键作用。利用电源设备扩展接口远程控制台站智能电表、安防设备和利用手机端软件监控不间断电源等功能有待进一步开发。
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图 2 教学楼外立面及BIM模型
Figure 2. Elevation of the teaching building and its building information model
图 5 地震响应监测系统布设位置及其在河北唐山地震中的地震记录
Figure 5. Layout of the sensors and recorder for real-time response monitoring system and its recordings in Tangshan earthquake
图 7 选定的10组地震动反应谱及其均值与8度罕遇地震规范反应谱对比
Figure 7. Response spectra of the 10 strong motions and comparing with the standard response spectra of rare earthquake in the site with seismic intensity of VIII
图 8 罕遇地震动作用下结构层间位移角均值和平均峰值加速度分布
Figure 8. The inter-story drift ratio and peak acceleration under the 10 strong motions scaled to the level of the rare earthquake
表 1 通过地震记录和模拟得到的结构自振周期
Table 1. Natural frequencies and mode directions identified from earthquake recordings and simulation
振型
编号识别周期
/Hz模拟周期
/Hz振型
方向1 0.659 0.663 南北 2 0.653 0.658 东西 3 0.252 0.258 南北 4 0.249 0.254 东西 
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表 2 基于标准反应谱选取的10组地震动
Table 2. 10 strong ground motions selected on the basis of standard response spectra
序号 地震名称 台站名称 年份 1方向PGA/g 2方向PGA/g 1 Friuli,Italy-01 Tolmezzo 1976 0.357 0.315 2 ImperialValley Delta 1979 0.350 0.236 3 Landers JoshuaTree 1992 0.284 0.274 4 Northridge-01 CanyonCountry 1994 0.404 0.315 5 Northridge-01 Castaic 1994 0.568 0.514 6 Northridge-01 LA-SaturnSt 1994 0.468 0.431 7 Kobe_Japan Kakogawa 1995 0.324 0.240 8 Kobe_Japan Shin-Osaka 1995 0.233 0.225 9 Chi-Chi_Taiwan CHY034 1999 0.300 0.249 10 HectorMine Hector 1999 0.328 0.265
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表 3 吊顶和填充墙易损性参数
Table 3. The parameters for the fragility curves of the suspended ceiling and the in-filled wall
项目 吊顶 填充墙 DS1 DS2 DS1 DS2 易损性参数 θ 0.8440 1.0820 0.0012 0.0024 β 0.376 0.315 0.360 0.360 损失比/% 30 100 10 100
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表 4 教学楼功能损伤情况
Table 4. The results of the function loss for the teaching building
楼层 LDisp LAcc Rloss j λj Rloss jλj Rloss 1层 0.99956 0.37316 0.786586 0.245675 0.193245 0.69 2层 1.00000 0.48663 0.825453 0.257814 0.212814 3层 0.89755 0.40736 0.730882 0.228277 0.166843 4层 0.55414 0.48094 0.529253 0.165302 0.087487 5层 0.11941 0.73749 0.329559 0.102931 0.033922
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