绿地中心主塔楼结构健康监测结构性能评估系统

绿地中心主塔楼结构健康监测结构性能评估系统结构实测分析结构模态分析结构动力特性不仅与结构当前的工作状态有着密切的直接联系，而且也是进行结构模型修正的重要参考因素。结构自振频率、振型和阻尼比可以针对动力响应实测数据（加速度、速度以及位移传感器实测得到的振动信号）进行频谱分析获得。由于传感器测试的数据往往包含了周边环境噪声的成分，同时结构属于频率密集型结构，在此背景下，直接针对动力响应实测数据进行频谱分析，确保由此方法获得的结构模态特征参数的准确性就显得比较困难。为此，除了采用FFT变换和功率谱法分析结构的频谱特性之外，还采用小波变换和Hilbert－Huang变换来分析结构的时频特征，小波变换和Hilbert－Huang变换可以从结构的振动信号中分离出较密集的结构自振频率。此外，由于噪声的影响，使每一次测试得到的结构频率和振型均存在一定的差别，为此，我们采用统计分析的方法确定结构的频率和振型的概率分布。另外，由于安装过程在结构内部引起的自平衡的初始安装应力，温度变化在超静定结构内部引起的温度应力等都会导致结构动力特性的变化。考虑初始安装应力的实际影响，通过施工过程的跟踪监测可以获知竣工结构内部的安装应力分布特征及规律，在此基础上基于动力响应实测数据的结构模态分析结果很可能与结构理论计算得到的结果不一致，由此进行的有限元模型修正可以保证计算模型能更真实的反映结构的实际工作状态。考虑温度变化的实际影响，在不同温度场下测试分析获得结构的自振频率，找到温度对结构频率影响的规律，从而在对有限元模型进行修正时，剔除温度的影响。风荷载分析武汉绿地中心主塔楼属于高柔风敏感结构，结构风效应十分显著。将依据风速和风压的同步观测数据，并与结构风洞试验进行对比，调整实际风压分布。根据测试得到的风压分布和结构的修正有限元模型，计算结构的风振反应，与加速度传感器记录的结果进行对比，验证结构设计。根据测试得到的风压和风速，建立结构风压和风速关系，进一步研究风荷载计算模型。结构理论分析结构有限元分析将结构现场实测数据与理论计算的结构响应进行对比分析，是评判结构工作状态的重要途径。目前，针对结构进行理论计算的主要手段就是有限单元法。利用大型非线性有限元计算软件ANSYS不仅可以进行施工过程的模拟分析，获知竣工结构内力、几何形态形成以及发展演变的过程，从而确保施工过程的安全可控；同时在继承上述施工过程模拟分析结果的基础上，还可以针对结构使用阶段的的各种工况进行分析计算，形成了与现场实测数据进行比较的对象，从而为结构性能的评估以及特殊危险状况的预警提供依据。结构模型修正一般我们在建立有限元模型时，需要做很多简化，这些简化使有限元模型不能完全反映结构的实际受力状态，因此，根据监测的数据，对结构的有限元模型进行修正，获得与结构实际受力状态较符合的有限元模型是进行结构分析和结构安全评定的基础。目前一般采用基于结构整体性态变量的有限元模型修正方法，也就是以结构的计算频率和振型与实测的频率和振型之间的误差最小为目标函数，优化结构的物理参数或有限元模型的刚度矩阵元素。但这样修正后的有限元模型计算的应力和结构的实际应力状态不一定吻合，有时甚至具有较大的差别。但考虑到结构的安全评定主要是依据结构构件的应力状态做出判断的，因此，将以整体性态变量和局部性态变量（杆件应力）误差最小为目标函数，通过灵敏度分析，得到结构的修正有限元模型。正如上述所述，由于得到的频率和振型是随机的，因此，获得的修正有限元模型也是具有概率分布含义的。结构性能评估在上述结构实测分析和结构理论分析的基础上，将不同时期（或不同工况下）的实测结果进行对比，以及将实测分析与理论分析的结果进行对比，可以明确结构工作状态的改变趋势以及当前的结构工作状态。武汉绿地中心主塔楼结构工作状态的评估可以分为构件和结构两个层次。就构件层次而言，重点关注结构主要受力构件关键部位应变传感器测试的数据，将监测的数据输入的数据库之后，还需要根据结构设计分析结果，找到构件在设计荷载作用下的应力水平，或者构件达到极限承载力时的应力水平，以此可以直观实时显示结构的实际状况。由于单根构件或部分构件的失效往往并不会导致整个结构的破坏，为此还有必要对整体结构的实际工作状态进行评估。就结构层次而言，重点关注结构自振特性的指标，将不同时期实测结果进行对比，明确结构工作状态的变化趋势；将实测结果与更新的