基本信息
- 项目名称：
- 基于贝叶氏概率方法探讨环境因素对楼宇结构健康监测之影响
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究以贝叶氏概率方法为框架来处理嵬集所得的实时信息，针对钢筋混凝土楼宇，探讨环境因素对其结构健康监测的影响。文中主要聚焦於兩個结构健康监测的問題上: 第一，结构物在烈风及紊流中的表现。第二，日常环境条件所导致的结构模态参数变化之建模及量化。
- 详细介绍：
- 结构健康监测通过分析系统的可测数据，以达到评估结构完整性及诊断其损伤程度的目的。籍此监测平台，决策者得以了解结构物之强度与耐久性能，并实施及时、恰当的防御保养或加固维修。本研究以贝叶氏概率方法为框架来处理嵬集所得的实时信息，针对钢筋混凝土楼宇，探讨环境因素 (包括风速、风向及温湿度) 对其结构健康监测的影响。其中，贝叶氏概率方法突破惯有的系统识别演算方法，不仅能获取参数的估值，更能进一步量化参数的不确定性，从而反映各估值的优劣。文中以一幢楼高 22 层，钢筋混凝土结构的大学学生宿舍──东亚楼为研究对象，对下列两个问题逐一进行剖析。第一，结构物在烈风及紊流中的表现。特指在热带风暴下，结构响应、固有频率及阻尼比的变化。跟据路径的不同，袭击东亚楼的热带风暴可大致划分为从楼宇北面和南面掠过两大类，而所产生的拖曳力及向升力亦有显注的差别。本文以台风“鹦鹉”及“黑格比”为例，重点对比了这两类强风荷载对东亚楼的影响。第二，日常环境条件所导致的结构模态参数变化之建模及量化。在日常运作下，楼宇的性质不可避免地受外在环境的变化而改变，而当中值得关注的是: 这些变化甚至可能蒙蔽由结构损伤所引致的讯息。因此，要可靠地评估结构物的健康情况，区分外界环境的干扰是不可或缺的一环。本研究对东亚楼每日的观测数据进行了为期一年的收集及分析，以用作追踪外界环境条件对结构健康监测的影响。透过建模及量化，一方面阐释了东亚楼的模态参数与环境条件间的关系，另一方面更为钢筋混凝土楼宇之健康监测提供实用的参考数据。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 要可靠地评估结构物的健康情况，区分并剔除无法避免的环境干扰是不可或缺的一环。本研究以贝叶氏概率方法为框架来处理嵬集所得的实时信息，用以探讨环境因素对钢筋混凝土楼宇结构健康监测的影响。 文中首先扼要地叙述了贝叶氏概率框架在模态参数辨识上的原理,并利用振台实验以测试和展示其操作。接着推广至实地结构健康监测的应用上,以量化强风荷载及日常温湿差对楼宇结构的影响。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究利用高精传感器进行无损结构健康监测，此监测系统的敏感度高达50V/g，能精确地检测楼宇在日常运作下的微量结构响应。不再局限于只受‘强振动’(如地震、海浪波或运用激振器施加外来振动) 所影响的建筑物上。无疑地，此技术拥有成为评估建筑物健康状况的大趋势之潜力。有别于同类课题，这里以不对称的高层建筑物为分析对象，并引入各环境条件作考虑因素，提出了对此类结构在健康监测应用上的新准则。
应用价值和现实意义
- 透过分析和量化模态参数与环境因素间的关系，本研究为钢筋混凝土楼宇在结构健康监测的应用提供了极具参考价值的数据。文中以 Timoshenko 梁理论为基础并引入环境条件作考虑因素，利用贝叶氏概率方法甄选出其最佳模型。此外，更展示了各最佳模型之响应曲面及其对应等高线图，为可靠地评估结构物的健康情况提供了一个更快捷更简便的途径。
学术论文摘要
- 结构健康监测通过分析系统的可测数据，以达到评估结构完整性及诊断其损伤程度的目的。本研究以贝叶氏概率方法为框架来处理嵬集所得的实时信息，针对钢筋混凝土楼宇，探讨环境因素对其结构健康监测的影响。贝叶氏概率方法突破惯有的系统识别演算方法，不仅能获取参数估值，更能进一步量化其不确定性，以反映估算的优劣。文中以一幢钢筋混凝土楼宇作为研究对象，剖析下列两个问题。一)结构物在烈风及紊流中的表现。跟据不同路径，袭击东亚楼的热带风暴可划分为从楼宇北面和南面掠过两类，而所产生的拖曳力及向升力亦有显注差别。本文以两台风为例，重点对比了这两类强风荷载对东亚楼的影响。二)日常环境条件所导致的结构模态参数变化之建模及量化。在日常运作下，楼宇的性质不可避免地受外在环境的变化而改变，而当中值得关注的是:这些变化甚至可能蒙蔽由结构损伤所引致的讯息。因此，要可靠地评估结构物的健康情况，区分外界环境的干扰是不可或缺的一环。本研究对东亚楼每日的观测数据进行了为期一年的收集及分析，以用作追踪外界环境条件对结构健康监测的影响。透过建模及量化，不但阐释了模态参数与环境条件间的关系，更为钢筋混凝土楼宇之健康监测提供实用的参考数据。
获奖情况
- 本项目部份内容获美国出版社 Nova Science Publishers 接纳, 并将于 2010 年刊登: Yuen KV and Kuok SC. “Monitoring a 22-story building under severe typhoons with Bayesian spectral density approach.” Engineering mechanics: analyses，prediction and applications. New York: Nova Science Publishers; 2010. (Accepted for publication.)
鉴定结果
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参考文献
- [1]Beck JL and Yuen KV，2004.Model selection using response measurements:Bayesian probabilistic approach. Journal of engineering mechanics.130(2):192-203. [2]Clinton JF，Bradford C.S，Heaton TH and Favela J，2006.The observed wander of the natural frequencies in a structure. Bulletin of the seismological society of America.96(1):237-57. [3]Cornwell P，Farrar CR，Doebling SW and Sohn H，1999.Environmental variability of modal properties Experimental techniques.23(6):45-8. [4]Li ZX，Chan THT and Ko JM，2002. Evaluation of typhoon induced fatigue damage for Tsing Ma Bridge.Engineering Structures.24(8):1035-47. [5]Xu YL，Chen SW and Zhang RC，2003. Modal identification of Di Wang building un-der typhoon York using the Hilbert-Huang transform method.Structural design tall buildings.12(1):21-47. [6]Yuen KV and Beck JL，2003. Updating properties of nonlinear dynamical systems with uncertain input. Journal of engineering mechanics.129(1):9-20.
同类课题研究水平概述
- 碍于传统的传感器技术所限，以往的结构健康监测只能应用于受 ‘强振动’ (如地震、海浪波或运用激振器施加外来振动) 所影响的建筑物上 (Vandiver, 1975; Coppolino and Rubin, 1980)。近年随着推陈出新的传感器技术，结构健康监测打破旧有的局限并得以推广到实际应用上 (Lin et al., 2000)。 Sohn et al. (2003) 对 1996 至 2001 年期间具代表性的结构健康监测研究项目作出了系统性的整理，发现了往往被忽略的环境因素对结构物的性质有着重大影响，而且甚至可能蒙蔽由结构损伤所引致的讯息。有见及此，本研究着重探讨环境因素 (包括风速、风向及温湿度) 对结构健康监测的影响。 首先讨论的问题为结构物在烈风及紊流中的表现。Li et al. (2002) 和 Xu et al. (2003) 分别对钢板桥及高层楼宇在台风中的表现作分析。以往的这类课题侧重于分析对称的结构，然而，在不稳定的风场中，非对称结构物所引伸的问题却更值得关注。本文以非对称楼宇为监测对象，剖析结构与风荷载间的相互关系。 接着，为本研究的第二重点探讨问题: 如何对日常环境条件所导致的结构模态参数变化加以建模及量化? 长期而频密的监测，如Cornwell et al. (1999) 和 Clinton et al. (2006)，都表明各环境条件或多或少都对结构的性质造成影响。可是，前述的文献都较着重于陈述而并未作深入量化分析。本文以 Timosh-enko 梁理论为基础并引入环境条件作考虑因素，利用贝叶氏概率方法 (Beck and Yuen, 2004) 甄选出其最佳模型。当中，贝叶氏概率方法 (Yuen and Beck, 2003) 突破惯有的系统识别演算方法，不仅能获取参数的估值，更能进一步量化参数的不确定性，从而反映各估值的优劣。此外，更展示了各最佳模型之响应曲面及其对应等高线图，为可靠地评估结构物的健康情况提供了一个更快捷更简便的途径。 透过分析和量化模态参数与环境因素间的关系，本研究为钢筋混凝土楼宇在结构健康监测的领域提供了极具参考价值的数据。
