基于无线传感技术的多层砌体结构抗震自动化监测

王 群，严心娥

（1.西安思源学院 城市建设学院，西安 710038；2.西安交通工程学院 土木工程学院，西安 710300）

结构工程是土木工程专业的重要学科，因为其研究领域的复杂性和不确定性面临着许多勘测困难。由于各种自然灾害造成的建筑物损伤及坍塌所产生的影响不断增加，建筑构件在自然灾害影响下稳定性的研究日益受到重视。

对此，一些学者进行了相关研究。文献[1]提出罕遇的设防烈度地动因素规则多层砌块设计修改设计实用技术，以砌块抗剪强度方程的合理弹塑性模型为依据，确立了砌块全楼面屈服强度关系的计算结果方法，并充分考虑到防震措施的作用，从而完成了由单块墙肢的厚度计算向全楼面屈服强度计算结果的过渡，按照以Takeda 滞回模式为基准的有效阻尼器计算公式，并考虑砌体构造的基本周期和延性特征对其加以相应简化，但此方法的计算量巨大，耗费时间长；文献[2]提出规则多层砌体结构基于位移和伸缩性的抗震性能评价方法，在非迭代等效线性化法的基础上，确立其等效单自由度结构的最大屈服位移以及弹塑性位移要求，最大互层弹塑性位移以及伸缩性要求的计算公式，将最大互层弹塑性位移以及伸缩性要求与相应的限值加以对比，判断结构能否满足某抗震性能指标的需要，并由此形成了规范多层砌体结构基于位移和伸缩性的抗震性能评价体系，但此方法在评定过程中的精确率不足，容易发生失误。

为了提升多层砌体结构抗震自动监测效果，本文设计了一种基于无线传感技术的多层砌体结构抗震自动监测模型。

1 多层砌体结构抗震信息获取

本文通过等效体积单元技术获得多层砌块单元抗震数据，采用均质技术将所有砌体与砂浆结构材料都视为一个连续的介质结构。通过建立可以等效于所有砌体组成材料的砌块等效体积单元，以实现连续单元结构，二维状态的砌块等效体积单元的应力-应变关系如式（1）所示：

式中：v 为砌体等效结构单元的泊松比；E 为弹性模量；σ 为剪切模量。

利用均质化原理分别将加固前、后砌体结构中的砌体和砂浆等效为砌体等效体积单元，采用ANSYS无线传感软件对其进行时程分析[3-4]。根据对称性选取一半结构进行有限元分析，得到的砌体受压应力-应变关系[5-6]如式（2）所示：

式中：f 为砌体平均受压强度；c 为竖向压应力；ε 为竖向压应变。

由于加固前后砌体的振型模态相同，因此当加固后的结构质量和墙体刚度增加时，加固后的各阶周期减小，通过上述2 个公式可计算出砌体结构的开裂临界值以及抗压强度，完成多层砌体结构抗震信息获取。

2 无线传感技术下抗震自动监测模型

本文利用无线传输分析软件ANSYS 选取砌体抗震自动监测点。监测点选取基本流程如图1 所示。

图1 监测点选取基本流程Fig.1 Basic flow chart of monitoring point selection

观察图1 可知，监测点选取包含解析对象的离散式化、有限元计算、对监测点选取的后处理过程等3 个组成部分[7-8]。首先定义多层砌块结构单元的单位移动、节点力向量，然后选取相应的位移函数，以求得结构单位中任意某个点的移动和节点移动的关联，进而给出单位应力-单元移动-节点移动相互关联的函数，找出单位应力-应变-节点移动间距、节点位置与节点移动、节点移动与内部应力相互之间的关联等。对多层砌块结构单位进行分类时，本文将钢结构建筑单位看成持续、完全弹性、均匀分布、各向同性、微小变化和无初应力的单位加以对待[9-10]。利用分析多层砌体结构的权重原则可以得出应力监测点及区域，而这些点的承载力状况又能切实反应安全工作状况，由此可以看出，它是保障安全工作质量的主要数据参数[11]。

得到监测点后，再建立监测数学模型，由于墙体在复合应力影响下并非直接沿最大应力的作用面破裂，而是出现在应力变化较小的薄弱断面，随着复合应力状况的改变也可以产生不同的剪切损伤形式，因此本文根据正交的各向异性增量型应力应变关系，在平面应力状态采用主应力轴的情形下建立的监测数学模型，如式（3）所示：

式中：λ 为建立的数学模型；v 为主应力；s 为在a 的等效单轴应变或多层砌体的各主应力中的切面模量；e则为平面剪切模量[12]。

因为单轴应力应变曲线的形式不同，因此本文选取E 作为砌体单轴受压应力-应变曲线的切线模量。多层砌体结构的损坏原因包括受压、受拉或受剪切等，当拉伸应力达到破碎边界的破裂界限，决定破碎的性质薄弱的灰缝强度并影响砌筑强度的方向性，而组合应力则将损坏灰缝较厚的砌筑上，所以，砌体损伤准则应充分考虑各项损坏原因，监测数学模型便可很好地完成对破坏因素的统计分析。

3 实验分析

3.1 实验准备

在验证设计方法的性能之前，需要做好实验准备。实验所用系统由端机、基站和传感器节点组成。基站是由无线网关、个人计算机及基于虚拟仪器平台的应用软件、微型打印机等组成；端机即用户终端，其与基站之间可通过有线或无线网络实现信息交换；传感器节点由英特尔第五代集成显卡（intel iris graphics，IRIS）模块、数据采集板、处理电路构成。该检测网络系统在各节点采用了基于无线传输技术的无线检测网络系统，采用的具体协议为TCP/IP 协议。在多层砌体结构抗震信息获取方面利用串行接口设备和插入式信息收集模块等实现信息收集。实验环境在LabVIEW 上实现，设计的监测系统具备开始监测、开始记录数据等功能。

具体功能如下：在监测项中选择需要监测的选型，点击“开始监测”，图形曲线开始显示，显示值为所测节点对应的应力值；点击“开始记录数据”，弹出记录数据保存对话框，输入要保存数据的文件名，并选择要保存的格式及文件位置，即完成数据保存；点击“停止记录”即停止对监测数据的保存，但后台继续监测，图形曲线继续显示；点击“暂停监测”，图形曲线停止显示；点击“退出”，即程序停止运行，点击“历史数据回放”可实现对记录数据的查看。

3.2 结果与分析

为了验证本文提出的基于无线传感技术的多层砌体结构抗震自动监测模型的实际应用效果，设定实验，选用基于抗震分析的多层砌体结构抗震自动监测模型和基于规则多层砌体结构抗震自动监测模型进行实验对比。分别在不同等级的地震下监测多层砌体结构抗震能力，分析砌体结构承受负荷和沉降值。地震监测等级如表1 所示，地震监测过程如图2 所示。

表1 地震监测等级Tab.1 Seismic monitoring levels

图2 地震监测过程Fig.2 Seismic monitoring process

本文监测的部分砌体结构示意图如图3 所示。

图3 砌体结构示意图Fig.3 Schematic diagram of masonry structure

得到的砌体承受负荷实验结果如图4 和图5所示。

图4 砌体承受负荷模拟结果Fig.4 Simulation results of masonry bearing load

图5 砌体承受负荷实验结果Fig.5 Load bearing test results of masonry

根据砌体承受荷载进一步分析沉降值，得到的沉降值实验结果如表2 所示。根据表2 可知，本文提出的监测方法与实际地震沉降量基本一致，尤其是在强震模式下，传统的监测方法受强震影响已经无法准确判断多层砌体结构的沉降量。详细分析可知，本文方法的误差均为正误差，而误差最高值发生在3.5 h 时，其误差值为0.09 m，而两种对比方法的误差随着实际沉降量的增加，误差逐渐增大，误差均为负向误差，并且误差值较高，其中抗震分析监测模型监测沉降量的最高误差达到了0.98 m，规则多层砌体结构抗震监测模型监测沉降量最高误差达到了0.74 m，3 种方法相比可知，本文方法的误差降低了0.89 m 和0.65 m，该结果验证了本文设计的无线传感技术监测模型具备更高的监测准确性，监测误差较小，实际应用价值更高。

表2 沉降值实验结果Tab.2 Settlement value test results

4 结语

我国现在存有大量多层砌体机构建筑，其中有很大比例的建筑因建造时未进行抗震设计而产生安全隐患，因此对多层砌体结构的抗震自动检测至关重要。本文基于无线传感技术，提出了一种多层砌体结构抗震自动检测模型.首先对多层砌体结构抗震信息进行获取，进而确定监测点位置，由此建立监测数学模型，通过模型实现多层砌体结构的抗震自动检测。经实验表明，本文设计的监测模型在精确度、成功率、运算速度方面都具有良好数据，适合实际采用，但本文对于模型的鲁棒性方面仍有不足，后续研究将围绕此方面进行。