建筑结构振动监测和模态识别集成软件

杨晖柱　李晗　胡笳　庞绍华　满延磊　张其林

摘要：为开发用于建筑结构振动监测与模态识别的集成软件系统，分析监测工作和识别计算的主要工作内容，设计集成软件的架构体系和专业功能，划分出基于Internet的远程监测客户端、结构计算、模态识别和结果对比/评估等4个主要功能模块.根据频域峰值法和时域随机子空间法等识别理论，设计基于实测振动加速度的模态识别数值算法.在Microsoft Windows平台上用C++和FORTRAN程序语言开发该软件包，并用数值测试算例验证软件的正确性.该软件已经应用于“上海中心”大厦在施工过程中的振动监测和模态识别.

关键词：建筑结构； 振动监测； 模态识别； 软件设计； 数值算法

中图分类号： TU392；TP317.4

文献标志码：B

0 引 言

对于大型复杂建筑结构，振动监测以及基于实测数据的逆向模态识别是健康监测和性态分析的重要内容.[1]振动监测的硬件设备目前已相当先进，模态识别的相关理论研究也已很多，但长期以来在土木行业内一直缺乏综合性的专业工具软件.监测设备产生的海量监测数据通常只存放在现场的监控中心服务器上，而且数据格式往往因设备生产厂家不同而相异.由于缺乏专门软件，所以数据的交接管理、使用和实时观测都非常地不方便.在后期的数据分析工作中，长期以来只能采用大量人工作业再辅以多个通用分析软件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

为提高建筑结构振动监测和模态识别工作的自动化程度，开发集成的专用工具软件，以集中化的方式完成相关的主要工作.

1 软件功能设计

建筑结构的振动监测换热性态分析主要包括4方面的工作内容：实时监测数据采集、截取和整理；计算当前实际结构状态的理论值；基于实测数据的识别计算分析；对比识别值/推算值与理论计算值以得到相应的判断和评估结论.

根据这些工作内容，集成软件应具备以下主要功能.

（1）软件需提供基于Internet的远程方式浏览功能，实时查看位于现场监控中心服务器上的监测数据，截取指定时间段内的数据并传输到用户所在的工作地点.

（2）软件应能进行结构有限元计算和模型测点定义的功能，即：在原结构设计模型上计算并输出模型信息、振型和频率信息，并对照现场加速度传感器的实际布设点，输出在设计模型上对应测点位置处的振型数据.

（3）模态识别是软件系统的核心功能.输入多个监测点的振动加速度数据，用一种或多种识别算法计算出这些监测点的振型和频率.

（4）具体建筑结构工程的监测点数量可能会从几十个到几百个，称之为“样本点”，而完整结构的有限元模型通常会有成千上万个节点，因此需要从相对少量的“样本点”振型推算出整体结构全部节点的振型位移.通过基于实测的识别值与理论计算值的对比，可直观地判断实际结构的动力特性是否与理论设计值相符，实际结构是否有损伤导致的刚度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等拟合算法对整体的推算振型与从设计模型得到的理论计算振型进行振幅拼合，以便进行整体性的对比和观察.

（6）实现所有过程和计算结果的二维/三维可视化.

2 软件组织架构

根据实际监测和识别工作的流程与先后顺序以及上述功能设计，软件应由4大主要功能模块组成，总体架构为串联单向流水模式

摘要：为开发用于建筑结构振动监测与模态识别的集成软件系统，分析监测工作和识别计算的主要工作内容，设计集成软件的架构体系和专业功能，划分出基于Internet的远程监测客户端、结构计算、模态识别和结果对比/评估等4个主要功能模块.根据频域峰值法和时域随机子空间法等识别理论，设计基于实测振动加速度的模态识别数值算法.在Microsoft Windows平台上用C++和FORTRAN程序语言开发该软件包，并用数值测试算例验证软件的正确性.该软件已经应用于“上海中心”大厦在施工过程中的振动监测和模态识别.

关键词：建筑结构； 振动监测； 模态识别； 软件设计； 数值算法

中图分类号： TU392；TP317.4

文献标志码：B

0 引 言

对于大型复杂建筑结构，振动监测以及基于实测数据的逆向模态识别是健康监测和性态分析的重要内容.[1]振动监测的硬件设备目前已相当先进，模态识别的相关理论研究也已很多，但长期以来在土木行业内一直缺乏综合性的专业工具软件.监测设备产生的海量监测数据通常只存放在现场的监控中心服务器上，而且数据格式往往因设备生产厂家不同而相异.由于缺乏专门软件，所以数据的交接管理、使用和实时观测都非常地不方便.在后期的数据分析工作中，长期以来只能采用大量人工作业再辅以多个通用分析软件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

为提高建筑结构振动监测和模态识别工作的自动化程度，开发集成的专用工具软件，以集中化的方式完成相关的主要工作.

1 软件功能设计

建筑结构的振动监测换热性态分析主要包括4方面的工作内容：实时监测数据采集、截取和整理；计算当前实际结构状态的理论值；基于实测数据的识别计算分析；对比识别值/推算值与理论计算值以得到相应的判断和评估结论.

根据这些工作内容，集成软件应具备以下主要功能.

（1）软件需提供基于Internet的远程方式浏览功能，实时查看位于现场监控中心服务器上的监测数据，截取指定时间段内的数据并传输到用户所在的工作地点.

（2）软件应能进行结构有限元计算和模型测点定义的功能，即：在原结构设计模型上计算并输出模型信息、振型和频率信息，并对照现场加速度传感器的实际布设点，输出在设计模型上对应测点位置处的振型数据.

（3）模态识别是软件系统的核心功能.输入多个监测点的振动加速度数据，用一种或多种识别算法计算出这些监测点的振型和频率.

（4）具体建筑结构工程的监测点数量可能会从几十个到几百个，称之为“样本点”，而完整结构的有限元模型通常会有成千上万个节点，因此需要从相对少量的“样本点”振型推算出整体结构全部节点的振型位移.通过基于实测的识别值与理论计算值的对比，可直观地判断实际结构的动力特性是否与理论设计值相符，实际结构是否有损伤导致的刚度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等拟合算法对整体的推算振型与从设计模型得到的理论计算振型进行振幅拼合，以便进行整体性的对比和观察.

（6）实现所有过程和计算结果的二维/三维可视化.

2 软件组织架构

根据实际监测和识别工作的流程与先后顺序以及上述功能设计，软件应由4大主要功能模块组成，总体架构为串联单向流水模式

摘要：为开发用于建筑结构振动监测与模态识别的集成软件系统，分析监测工作和识别计算的主要工作内容，设计集成软件的架构体系和专业功能，划分出基于Internet的远程监测客户端、结构计算、模态识别和结果对比/评估等4个主要功能模块.根据频域峰值法和时域随机子空间法等识别理论，设计基于实测振动加速度的模态识别数值算法.在Microsoft Windows平台上用C++和FORTRAN程序语言开发该软件包，并用数值测试算例验证软件的正确性.该软件已经应用于“上海中心”大厦在施工过程中的振动监测和模态识别.

关键词：建筑结构； 振动监测； 模态识别； 软件设计； 数值算法

中图分类号： TU392；TP317.4

文献标志码：B

0 引 言

对于大型复杂建筑结构，振动监测以及基于实测数据的逆向模态识别是健康监测和性态分析的重要内容.[1]振动监测的硬件设备目前已相当先进，模态识别的相关理论研究也已很多，但长期以来在土木行业内一直缺乏综合性的专业工具软件.监测设备产生的海量监测数据通常只存放在现场的监控中心服务器上，而且数据格式往往因设备生产厂家不同而相异.由于缺乏专门软件，所以数据的交接管理、使用和实时观测都非常地不方便.在后期的数据分析工作中，长期以来只能采用大量人工作业再辅以多个通用分析软件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

为提高建筑结构振动监测和模态识别工作的自动化程度，开发集成的专用工具软件，以集中化的方式完成相关的主要工作.

1 软件功能设计

建筑结构的振动监测换热性态分析主要包括4方面的工作内容：实时监测数据采集、截取和整理；计算当前实际结构状态的理论值；基于实测数据的识别计算分析；对比识别值/推算值与理论计算值以得到相应的判断和评估结论.

根据这些工作内容，集成软件应具备以下主要功能.

（1）软件需提供基于Internet的远程方式浏览功能，实时查看位于现场监控中心服务器上的监测数据，截取指定时间段内的数据并传输到用户所在的工作地点.

（2）软件应能进行结构有限元计算和模型测点定义的功能，即：在原结构设计模型上计算并输出模型信息、振型和频率信息，并对照现场加速度传感器的实际布设点，输出在设计模型上对应测点位置处的振型数据.

（3）模态识别是软件系统的核心功能.输入多个监测点的振动加速度数据，用一种或多种识别算法计算出这些监测点的振型和频率.

（4）具体建筑结构工程的监测点数量可能会从几十个到几百个，称之为“样本点”，而完整结构的有限元模型通常会有成千上万个节点，因此需要从相对少量的“样本点”振型推算出整体结构全部节点的振型位移.通过基于实测的识别值与理论计算值的对比，可直观地判断实际结构的动力特性是否与理论设计值相符，实际结构是否有损伤导致的刚度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等拟合算法对整体的推算振型与从设计模型得到的理论计算振型进行振幅拼合，以便进行整体性的对比和观察.

（6）实现所有过程和计算结果的二维/三维可视化.

2 软件组织架构

根据实际监测和识别工作的流程与先后顺序以及上述功能设计，软件应由4大主要功能模块组成，总体架构为串联单向流水模式