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手机用于地震损伤评估设想

  1. 问题提出

强烈地震作用后,建筑物能否正常使用或者作为避难所是救灾亟需解决的问题。如果结构安装健康监测系统,各楼层的加速度时程有明确记录,则通过结构自振频率和时程曲线,判断层间位移角之类的指标,能够对结构状态进行评估。但是健康监测系统从提出到使用仅三十余年,而且主要运用在大型桥梁、极重要建筑物(鸟巢、水立方之类)和示范性工程中。而面大量广的办公楼、高层住宅都没有安装。而正是这部分建筑,是城市防震减灾的重点。没有合理、有效的评估手段、人员不能在建筑中居住,只能露宿街头、徒增苦楚。而广播电视台、电话通信机房大楼等组织救灾的关键部门无法正常使用,对救灾不利。

现阶段建筑物的损伤快速评估依赖于经验丰富的结构工程师和常规损伤检测方法。由结构工程师领衔,进行震害调查,如果发现典型的震害现象。如填充墙出现斜交裂纹、楼梯断裂、混凝土柱端头破坏、再依据经验判断结构整体状况。讲究细致的工作携带混凝土强度仪、全站仪等,对柱脚等关键部位进行检测,判断混凝土强度;进行测量,观察整体变形。这种做法的缺点是主观任意性大。比如在汶川地震后、同是国内赫赫有名的专家对同一街区房屋进行鉴定、贴出的表征损伤情况的红、黄、绿标签完全不同。而且具有危险性。如果发生较强余震、专家的人身安全受到威胁。

提高施工质量、安装健康监测系统、对设计和施工过程进行全程BIM管理、建立城市防灾数据库,是防震减灾工作必需做的工作。但是第一没有经费,花费巨大而没有产出;第二让各家开发商上缴真实图纸(自然是抽完钢筋、降低标号之后的)极难实现;第三是没有科学价值和技术突破,不能发表SCI论文,也无法申请专利,计算绩效。人人都知道要做的事最难做。本文认为可以利用广泛普及的手机作为传感器,地震发生时,记录携带者加速度时程、数据处理后、推算结构各部位加速度时程,将数据汇总后,根据结构振动情况推算刚度矩阵和塑性变形。从而判定结构损伤状况。

  1. 现有技术条件

  • 传感器

现有手机功能强大、做工精致。随着智能手机的使用率大大提高,许多款都具有了加速度测量功能。随手一晃即可更换应用、当游戏手柄玩赛车游戏、测量使用者行走距离、这些功能都表明手机能够测量加速度。那么测量三向加速度就不困难。测量精度提高,有大量的 MEMS无线传感器专美于前,而且更好的加速度传感器一定能便于应用开发者设计出更多软件,手机制造商乐于实现。而手机固定,许多厂商都开发了防滑落技术,能够将手机固定在使用者身上,定位在地面就没有问题。

  • 信号传递

加速度时程延时两分钟、采样频率500Hz左右,数据量为十余K,3G网络传输可以胜任。虽然地震对台网、基站有很大的破坏作用,但基站的抗震等级比建筑高、而且信号传输到基站即可,不需进一步传输数据。保证加速度时程传递到基站是可以做到的。

  • 数据处理

将建设管理部门收集的结构图纸做成简易Sap模型、存储以备用;根据加速度时程曲线,推算结构损伤状况,研究成果丰富、子空间迭代之类质量高而又可靠的算法多,推算结构损伤状况理论成熟。

  1. 实施过程

    初步设想的实施步骤如图1所示:

手机用于地震对建筑物损伤评估流程图

图1 手机用于地震对建筑物损伤评估流程图

 

  1. 需要解决的技术问题
  • 信号调校

手机品种繁多、型号复杂,作为传感器使用,如何保证它们的频响函数一致?手机所接受的加速度信号如何分解到三向?使用者会把手机安放在地上吗?

  • 从手机加速度到结构节点加速度

手机直接获得的加速度不是我们所关心的结构关键部位加速度,以如下办公楼写字间为例:

办公室内人员分布示意

             图 2 办公楼写字间柱位置和人员(传感器)固定位置

橘红色所标出的是柱的位置,人型表述避难时,人待的位置,极为重要的比如西北角会议室的情况毫无信息、东南角主管办公室的又知之甚少。如何能够通过算法,确定各柱端加速度时程?

  • 损伤识别和结构评估

完整知道结构在动力作用下的响应、在实验室中需要位移计、加速度计以及须臾不可缺的应变片,仅凭借这些加速度信号如何可靠确定结构响应?

  1. 结语

本文提出了利用手机进行建筑物结构快速评估的设想、结合现有技术条件提出了实施步骤,询问需要解决的问题和发展的技术。希望对读者有所启发。日本东北地震的抗灾经验表明,信息对于救灾具有重大的意义。从手机地震预警表明,利用现代通信网络降低灾害导致的损失有极大益处。虽然这些不能取代扎实的建筑质量对人的庇护、但对于降低灾民痛苦是有帮助的。



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