环境因素对中国航海博物馆单层索网结构响应的影响

作者：唐晓祥张其林吴杰

单位：同济大学土木工程学院

摘要：为保障中国航海博物馆安全运营，部署完善的结构健康监测系统。该系统采集环境数据及结构响应数据，环境数据包括风速、风向和温度，结构响应数据包括加速度和拉索拉力。对结构响应进行统计分析，并研究环境因素的影响。应用k近邻法，提出利用环境因素预测结构响应的方法。利用预测值和实测结构响应残差作为健康状态指标，基于此提出博物馆单层索网结构异常状态监测方法。

关键词：博物馆玻璃幕墙单层索网统计分析监测

作者简介：唐晓祥，博士研究生，E-mail:1410224@tongji.edu.cn。
基金：上海市科技创新行动计划项目 (16DZ1200103)。 -页码-：118-121，125

0 引言

　　结构健康监测系统一般包括传感器系统、数据采集和传输系统、数据存储系统、结构健康状态评价系统 ^[1]，其中结构健康状态评价系统最为重要。结构健康监测方法中一般选择结构模态参数作为健康状态指标 ^[2,3]，模态参数能反映结构的整体特性，但对于局部损伤的反映不敏感 ^[4]，且模态参数会受环境因素的影响，需采用一定方法避免 ^[5,6]，因此计算量较大且计算过程较复杂。

　　进行中国航海博物馆健康状态评价时，利用采集系统得到的数据计算10min索力平均值和10min加速度标准差，并利用k近邻法 (k-nearest neighbors, k NN) ^[7]避免环境因素的影响，获得结构健康状态指标，由此提出航海博物馆单层索网玻璃幕墙损伤识别和预警方案。

1 工程概况

　　中国航海博物馆位于上海市浦东新区临港新城，包括2层基座、大型壳体结构及2个侧翼建筑 (见图1a) 。壳体结构包括2片帆体铝板双曲面屋面、帆体间南北面双曲面单层索网玻璃幕墙及边侧弧线玻璃幕墙 (见图1b) ，帆体结构高度约58m。

　　图1 中国航海博物馆

　　 Fig.1 China Maritime Museum

2 传感器类型及测点布置

　　将2台R.M.Young 81000型超声风速仪布置于博物馆东西两侧裙房楼顶，用来测试风环境，风速测试范围为0～40m/s，精度为0.01m/s，风向测试范围为0°～359.9°，精度为0.1°。在南北侧索网结点上各布置5个KD12000L型加速度传感器 (见图2a) ，编号为A01～A05，加速度测试范围为0～0.2g，采样频率范围为0.1～400Hz。在南北侧索网各布置10台磁通量索力测试仪 (见图2b) ，横索测点编号为HS-1～HS-6，竖索测点编号为SS-1～SS-4。

　　图2 测点布置

　　 Fig.2 Layout of monitoring points

3 环境因素统计情况

　　对航海博物馆2016年2—9月监测数据进行统计，10min平均温度、平均风速分别如图3, 4所示。由图3, 4可知，温度变化范围为0～40℃，平均风速最大值为12m/s左右。

　　图3 10min平均温度变化曲线

　　 Fig.3 Curve of 10min average temperature

　　图4 10min平均风速变化曲线

　　 Fig.4 Curve of 10min average wind speed

4 索力及加速度标准差统计分析

4.1 索力统计分布情况

　　竖索测点SS-1和横索测点HS-3 10min平均索力统计分布如图5所示，由图5可知索力分布基本符合正态分布。

　　图5 索力统计分布

　　 Fig.5 Statistical distribution of cable force

4.2 环境因素对索力的影响

4.2.1 温度的影响

　　测点SS-1, HS-3 10min平均索力随温度变化如图6所示，由图6可知，随着温度的升高索力有明显的下降趋势，测点SS-1线性拟合索力由181.0kN下降至176.3kN，测点HS-3线性拟合索力由55.6kN下降至53.3kN。

　　图6 温度对索力的影响

　　 Fig.6 Temperature influence to cable force

4.2.2 风速的影响

　　风速对测点SS-1, HS-3 10min平均索力的影响如图7所示，由图7可知，由于风向角不同，相同风速下索力值存在一定程度的离散，但由线性拟合可知索力随着风速的增大而增大。

　　图7 风速对索力的影响

　　 Fig.7 Wind speed influence to cable force

4.3 加速度标准差统计分布情况

　　南侧索网测点A01, A02加速度标准差统计分布如图8所示，可知其较符合对数正态分布。

　　图8 加速度标准差统计分布

　　 Fig.8 Statistical distribution of standard deviation of acceleration

4.4 环境因素对加速度标准差的影响

4.4.1 温度的影响

　　温度对测点A01, A02加速度标准差的影响如图9所示，由图9可知，受风速和风向的影响，同一温度下测点加速度标准差存在一定离散性，但由线性拟合可知，加速度标准差随着温度的增加而增大。

　　图9 温度对加速度标准差的影响

　　 Fig.9 Temperature influence to standard deviation of acceleration

4.4.2 风速的影响

　　风速对测点A01, A02加速度标准差的影响如图10所示，由图10可知，受温度和风向的影响，同一风速下测点加速度标准差存在一定离散性，但由线性拟合可知，加速度标准差随着风速的增大而增大。

　　图1 0 风速对加速度标准差的影响

　　 Fig.10 Wind speed influence to standard deviation of acceleration

5 结构响应预测及损伤识别

　　在航海博物馆健康监测系统中，对环境因素和结构响应进行采集。将每10min采集到的环境因素和结构响应作为1个样本，可根据环境因素相似程度定义样本相似程度。结构响应预测基于以下假设，正常使用情况下，如果结构状态不发生变化，在相同的外界输入下结构会产生相同的响应。为此，将结构状态评价系统的运行分为初始阶段和运行阶段。在初始阶段主要获取各环境因素条件下的结构响应;在运行阶段获取由环境因素和结构响应组成的样本，根据环境因素从数据库历史数据中找到最相似的k个样本，利用k个样本的结构响应均值作为结构响应预测值。

　　比较结构响应预测值和实测值，如果结构状态没有发生大的变化，残差应接近于0，残差分布应服从均值为0的正态分布。

5.1 相似度定义

　　本研究中采用欧氏距离作为相似度的度量，对于向量X= (x₁, x₂，…，x_n) 和Y= (y₁, y₂，…，y_n) , X, Y的距离可用下式进行计算。

　　上述距离的定义存在一定问题，结构环境因素输入可表示为e_i= (e_i1, e_i2，…，e_in) ，但各因素通常有不同的量纲，且各因素对结构响应的影响程度不同，所以需对环境输入各分量乘以一定的权重。为获得合适的权重，将采集到的数据分成训练集和测试集2个子集，利用训练集中的数据对测试集进行预测，运用优化方法调整环境因素的权值，使预测误差足够小，这样便可获得合适的环境因素权重。

5.2 结构响应预测

　　基于上述相似度的定义，在环境输入为e_n的情况下，如果想获得结构响应预测值，需从输入和响应的历史数据中获取环境输入最为接近的k个样本，利用k个样本的结构响应均值作为预测值。

5.3 异常检测

　　预测值和实测值的误差绝对值记为err，利用控制图方法对err进行追踪，下控制线为0，上控制线需根据统计分析获得，将初始阶段积累得到的数据分为训练集和测试集，通过训练集数据对测试集数据进行预测，对获得的err进行统计，获得95%累积分布概率所对应的值作为上控制线。超过上控制线的点为异常点，固定时间间隔，对异常点比例进行统计，如果异常点比例长期>95%，则说明结构可能出现了一定问题，需进一步排查。测点SS-1索力预测误差上控制线为1.822kN，测点A01加速度预测误差上控制线为0.001 8m/s²，如图11所示。

　　图1 1 结构响应预测误差控制

　　 Fig.11 Control chart of prediction error of structure response

6 结语

　　 1) 基于对采集数据的分析，航海博物馆单层索网索力统计分布符合正态分布，10min加速度标准差统计分布符合对数正态分布。

　　 2) 航海博物馆玻璃幕墙单层索网索力随着温度的增加而减小、随着风速的增大而增大。

　　 3) 航海博物馆单层索网环境作用下的加速度标准差随着温度的增加而增大、随着风速的增大而增大。

　　 4) k近邻法可用于预测航海博物馆单层索网在环境因素作用下的结构响应。

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The Influence of Environmental Factors on the Structural Response of the Single-layer Cable Net of China Maritime Museum

TANG Xiaoxiang ZHANG Qilin WU Jie

(College of Civil Engineering, Tongji University)

Abstract: In order to ensure the operation safety of China Maritime Museum, a comprehensive structural health monitoring system is deployed. Environmental data and structure response data has been collected by the system, the environmental data including wind speed, wind direction and temperature, the structural response data including acceleration and cable force. Statistical properties of structure response have been studied, environmental influence on structure response also been studied. Based on the k-nearest neighbours method, this paper presents a structure response prediction method. This paper proposes that the error between the predicted response and the measured response can be used as the structural health indicators. Based on the structural health indicator, an abnormal state monitoring scheme for the single-layer cable net of the museum has been proposed.

Keywords: museums; glass curtain walls; single-layer cable net; statistical analysis; monitoring

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