建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測和模態(tài)識別集成軟件

楊暉柱　李晗　胡笳　龐紹華　滿延磊　張其林

摘要：為開發(fā)用于建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測與模態(tài)識別的集成軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測工作和識別計算的主要工作內(nèi)容，設(shè)計集成軟件的架構(gòu)體系和專業(yè)功能，劃分出基于Internet的遠程監(jiān)測客戶端、結(jié)構(gòu)計算、模態(tài)識別和結(jié)果對比/評估等4個主要功能模塊.根據(jù)頻域峰值法和時域隨機子空間法等識別理論，設(shè)計基于實測振動加速度的模態(tài)識別數(shù)值算法.在Microsoft Windows平臺上用C++和FORTRAN程序語言開發(fā)該軟件包，并用數(shù)值測試算例驗證軟件的正確性.該軟件已經(jīng)應(yīng)用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動監(jiān)測和模態(tài)識別.

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 振動監(jiān)測； 模態(tài)識別； 軟件設(shè)計； 數(shù)值算法

中圖分類號： TU392；TP317.4

文獻標志碼：B

0 引 言

對于大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，振動監(jiān)測以及基于實測數(shù)據(jù)的逆向模態(tài)識別是健康監(jiān)測和性態(tài)分析的重要內(nèi)容.[1]振動監(jiān)測的硬件設(shè)備目前已相當先進，模態(tài)識別的相關(guān)理論研究也已很多，但長期以來在土木行業(yè)內(nèi)一直缺乏綜合性的專業(yè)工具軟件.監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)通常只存放在現(xiàn)場的監(jiān)控中心服務(wù)器上，而且數(shù)據(jù)格式往往因設(shè)備生產(chǎn)廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數(shù)據(jù)的交接管理、使用和實時觀測都非常地不方便.在后期的數(shù)據(jù)分析工作中，長期以來只能采用大量人工作業(yè)再輔以多個通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測和模態(tài)識別工作的自動化程度，開發(fā)集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關(guān)的主要工作.

1 軟件功能設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)測換熱性態(tài)分析主要包括4方面的工作內(nèi)容：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、截取和整理；計算當前實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理論值；基于實測數(shù)據(jù)的識別計算分析；對比識別值/推算值與理論計算值以得到相應(yīng)的判斷和評估結(jié)論.

根據(jù)這些工作內(nèi)容，集成軟件應(yīng)具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠程方式瀏覽功能，實時查看位于現(xiàn)場監(jiān)控中心服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，截取指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接脩羲诘墓ぷ鞯攸c.

（2）軟件應(yīng)能進行結(jié)構(gòu)有限元計算和模型測點定義的功能，即：在原結(jié)構(gòu)設(shè)計模型上計算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對照現(xiàn)場加速度傳感器的實際布設(shè)點，輸出在設(shè)計模型上對應(yīng)測點位置處的振型數(shù)據(jù).

（3）模態(tài)識別是軟件系統(tǒng)的核心功能.輸入多個監(jiān)測點的振動加速度數(shù)據(jù)，用一種或多種識別算法計算出這些監(jiān)測點的振型和頻率.

（4）具體建筑結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)測點數(shù)量可能會從幾十個到幾百個，稱之為“樣本點”，而完整結(jié)構(gòu)的有限元模型通常會有成千上萬個節(jié)點，因此需要從相對少量的“樣本點”振型推算出整體結(jié)構(gòu)全部節(jié)點的振型位移.通過基于實測的識別值與理論計算值的對比，可直觀地判斷實際結(jié)構(gòu)的動力特性是否與理論設(shè)計值相符，實際結(jié)構(gòu)是否有損傷導(dǎo)致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對整體的推算振型與從設(shè)計模型得到的理論計算振型進行振幅拼合，以便進行整體性的對比和觀察.

（6）實現(xiàn)所有過程和計算結(jié)果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構(gòu)

根據(jù)實際監(jiān)測和識別工作的流程與先后順序以及上述功能設(shè)計，軟件應(yīng)由4大主要功能模塊組成，總體架構(gòu)為串聯(lián)單向流水模式

摘要：為開發(fā)用于建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測與模態(tài)識別的集成軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測工作和識別計算的主要工作內(nèi)容，設(shè)計集成軟件的架構(gòu)體系和專業(yè)功能，劃分出基于Internet的遠程監(jiān)測客戶端、結(jié)構(gòu)計算、模態(tài)識別和結(jié)果對比/評估等4個主要功能模塊.根據(jù)頻域峰值法和時域隨機子空間法等識別理論，設(shè)計基于實測振動加速度的模態(tài)識別數(shù)值算法.在Microsoft Windows平臺上用C++和FORTRAN程序語言開發(fā)該軟件包，并用數(shù)值測試算例驗證軟件的正確性.該軟件已經(jīng)應(yīng)用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動監(jiān)測和模態(tài)識別.

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 振動監(jiān)測； 模態(tài)識別； 軟件設(shè)計； 數(shù)值算法

中圖分類號： TU392；TP317.4

文獻標志碼：B

0 引 言

對于大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，振動監(jiān)測以及基于實測數(shù)據(jù)的逆向模態(tài)識別是健康監(jiān)測和性態(tài)分析的重要內(nèi)容.[1]振動監(jiān)測的硬件設(shè)備目前已相當先進，模態(tài)識別的相關(guān)理論研究也已很多，但長期以來在土木行業(yè)內(nèi)一直缺乏綜合性的專業(yè)工具軟件.監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)通常只存放在現(xiàn)場的監(jiān)控中心服務(wù)器上，而且數(shù)據(jù)格式往往因設(shè)備生產(chǎn)廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數(shù)據(jù)的交接管理、使用和實時觀測都非常地不方便.在后期的數(shù)據(jù)分析工作中，長期以來只能采用大量人工作業(yè)再輔以多個通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測和模態(tài)識別工作的自動化程度，開發(fā)集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關(guān)的主要工作.

1 軟件功能設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)測換熱性態(tài)分析主要包括4方面的工作內(nèi)容：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、截取和整理；計算當前實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理論值；基于實測數(shù)據(jù)的識別計算分析；對比識別值/推算值與理論計算值以得到相應(yīng)的判斷和評估結(jié)論.

根據(jù)這些工作內(nèi)容，集成軟件應(yīng)具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠程方式瀏覽功能，實時查看位于現(xiàn)場監(jiān)控中心服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，截取指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接脩羲诘墓ぷ鞯攸c.

（2）軟件應(yīng)能進行結(jié)構(gòu)有限元計算和模型測點定義的功能，即：在原結(jié)構(gòu)設(shè)計模型上計算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對照現(xiàn)場加速度傳感器的實際布設(shè)點，輸出在設(shè)計模型上對應(yīng)測點位置處的振型數(shù)據(jù).

（3）模態(tài)識別是軟件系統(tǒng)的核心功能.輸入多個監(jiān)測點的振動加速度數(shù)據(jù)，用一種或多種識別算法計算出這些監(jiān)測點的振型和頻率.

（4）具體建筑結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)測點數(shù)量可能會從幾十個到幾百個，稱之為“樣本點”，而完整結(jié)構(gòu)的有限元模型通常會有成千上萬個節(jié)點，因此需要從相對少量的“樣本點”振型推算出整體結(jié)構(gòu)全部節(jié)點的振型位移.通過基于實測的識別值與理論計算值的對比，可直觀地判斷實際結(jié)構(gòu)的動力特性是否與理論設(shè)計值相符，實際結(jié)構(gòu)是否有損傷導(dǎo)致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對整體的推算振型與從設(shè)計模型得到的理論計算振型進行振幅拼合，以便進行整體性的對比和觀察.

（6）實現(xiàn)所有過程和計算結(jié)果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構(gòu)

根據(jù)實際監(jiān)測和識別工作的流程與先后順序以及上述功能設(shè)計，軟件應(yīng)由4大主要功能模塊組成，總體架構(gòu)為串聯(lián)單向流水模式

摘要：為開發(fā)用于建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測與模態(tài)識別的集成軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測工作和識別計算的主要工作內(nèi)容，設(shè)計集成軟件的架構(gòu)體系和專業(yè)功能，劃分出基于Internet的遠程監(jiān)測客戶端、結(jié)構(gòu)計算、模態(tài)識別和結(jié)果對比/評估等4個主要功能模塊.根據(jù)頻域峰值法和時域隨機子空間法等識別理論，設(shè)計基于實測振動加速度的模態(tài)識別數(shù)值算法.在Microsoft Windows平臺上用C++和FORTRAN程序語言開發(fā)該軟件包，并用數(shù)值測試算例驗證軟件的正確性.該軟件已經(jīng)應(yīng)用于“上海中心”大廈在施工過程中的振動監(jiān)測和模態(tài)識別.

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 振動監(jiān)測； 模態(tài)識別； 軟件設(shè)計； 數(shù)值算法

中圖分類號： TU392；TP317.4

文獻標志碼：B

0 引 言

對于大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，振動監(jiān)測以及基于實測數(shù)據(jù)的逆向模態(tài)識別是健康監(jiān)測和性態(tài)分析的重要內(nèi)容.[1]振動監(jiān)測的硬件設(shè)備目前已相當先進，模態(tài)識別的相關(guān)理論研究也已很多，但長期以來在土木行業(yè)內(nèi)一直缺乏綜合性的專業(yè)工具軟件.監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)通常只存放在現(xiàn)場的監(jiān)控中心服務(wù)器上，而且數(shù)據(jù)格式往往因設(shè)備生產(chǎn)廠家不同而相異.由于缺乏專門軟件，所以數(shù)據(jù)的交接管理、使用和實時觀測都非常地不方便.在后期的數(shù)據(jù)分析工作中，長期以來只能采用大量人工作業(yè)再輔以多個通用分析軟件（如MatLab和ANSYS等）的工作方式.

為提高建筑結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測和模態(tài)識別工作的自動化程度，開發(fā)集成的專用工具軟件，以集中化的方式完成相關(guān)的主要工作.

1 軟件功能設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)測換熱性態(tài)分析主要包括4方面的工作內(nèi)容：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、截取和整理；計算當前實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理論值；基于實測數(shù)據(jù)的識別計算分析；對比識別值/推算值與理論計算值以得到相應(yīng)的判斷和評估結(jié)論.

根據(jù)這些工作內(nèi)容，集成軟件應(yīng)具備以下主要功能.

（1）軟件需提供基于Internet的遠程方式瀏覽功能，實時查看位于現(xiàn)場監(jiān)控中心服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，截取指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接脩羲诘墓ぷ鞯攸c.

（2）軟件應(yīng)能進行結(jié)構(gòu)有限元計算和模型測點定義的功能，即：在原結(jié)構(gòu)設(shè)計模型上計算并輸出模型信息、振型和頻率信息，并對照現(xiàn)場加速度傳感器的實際布設(shè)點，輸出在設(shè)計模型上對應(yīng)測點位置處的振型數(shù)據(jù).

（3）模態(tài)識別是軟件系統(tǒng)的核心功能.輸入多個監(jiān)測點的振動加速度數(shù)據(jù)，用一種或多種識別算法計算出這些監(jiān)測點的振型和頻率.

（4）具體建筑結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)測點數(shù)量可能會從幾十個到幾百個，稱之為“樣本點”，而完整結(jié)構(gòu)的有限元模型通常會有成千上萬個節(jié)點，因此需要從相對少量的“樣本點”振型推算出整體結(jié)構(gòu)全部節(jié)點的振型位移.通過基于實測的識別值與理論計算值的對比，可直觀地判斷實際結(jié)構(gòu)的動力特性是否與理論設(shè)計值相符，實際結(jié)構(gòu)是否有損傷導(dǎo)致的剛度退化及其退化程度.

（5）用最小二乘法等擬合算法對整體的推算振型與從設(shè)計模型得到的理論計算振型進行振幅拼合，以便進行整體性的對比和觀察.

（6）實現(xiàn)所有過程和計算結(jié)果的二維/三維可視化.

2 軟件組織架構(gòu)

根據(jù)實際監(jiān)測和識別工作的流程與先后順序以及上述功能設(shè)計，軟件應(yīng)由4大主要功能模塊組成，總體架構(gòu)為串聯(lián)單向流水模式