基于树莓派的结构振动评估系统设计与应用

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shuibizi
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近年来随着经济的高速发展为人民的物质生活提供了更多的保障,在追求结构的安全、可靠性的同时也对结构的振动舒适度提出了更高的要求。轻质高强材料的兴起让楼盖跨度越来越大,桥梁趋于纤细,附加上人行荷载之后,结构较低的自振频率易于行人步频较为接近产生共振问题或引发使用者不适的振动。采集结构的加速度响应根据振动舒适度标准进行评估是结构振动舒适度评价的方法之一,而目前加速度响应采集的试验设备大部分都具有体积大,成本高,不易携带,易受电源、使用场地等限制,连接过程耗时耗力,线路繁多不易整理。基于上述背景,因而需要设计一种兼顾成本及使用便利性的结构振动评估的传感系统。查阅了相关文献后发现大多学者使用stm单片机,Arduino开发板等进行传感器的开发,而采用树莓派并应用至土木工程领域的实例较少。因此,为了准确测量结构的振动加速度,为振动是否引起使用者的不适感和影响结构的正常使用性提供科学高效的判断,利用IEPE压电式传感器和微型电脑树莓派(Raspberry Pi)基于Python计算机编程语言设计一款智能惯性评估系统。本文开展的工作与研究内容主要包括以下几个方面:(1)系统的对加速度传感器和树莓派应用的国内外研究现状进行介绍,罗列对比现有的振动舒适度标准,选择以加速度响应控制为标准的《建筑楼盖结构振动舒适度技术规范》(JGJ/T-441)、美国钢结构设计指导(AISC#11)和欧洲规范——人体暴露于建筑物振动的评估指南(BS 6472-1)作为评估模块的理论基础。(2)针对研究背景和现状,对总体需求进行分析,提出了系统设计方案,建立系统框架,对软件、硬件分别选型,使成本和尺寸最小化,通过Python Qt对GUI图形用户界面进行设计实现人机交互,最终实现无线传输、快速处理数据和振动舒适度判断评估的主要功能。(3)基于上述功能目标,以实验室钢——玻璃人行桥为例与传统的传感系统采集的加速度响应进行分析对比,验证传感系统采集精度,以人行天桥、教学楼楼盖、住宅楼楼盖和宿舍楼楼盖为研究对象在人致激励作用下进行振动舒适度测试。对研制的评估系统是否能正常运行且提供具有可靠性的评估结果在现场实际应用中进行测试,同时还进行了斜拉人行桥吊索的加速度采集试验。(4)基于变分模态分解法对结构的响应进行时频分析,以钢——玻璃人行桥为例开展树莓派结构振动评估系统与941B型拾振器的对比试验,随后使用本文设计的评估系统采集的教学楼楼盖和斜拉人行天桥的斜拉吊索加速度响应进行时变模态分析,提取并准确识别频率、阻尼比。
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