广州塔科普项目解说[整理]

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1、广州新电视塔结构健康监测系统解说稿 广州新电视塔结构健康监测系统 1.1.1健康监测系统简介 电视塔在建成以后，由于受到气候、 腐蚀、材料性能退化等因素影响，以及长期在静载和活 载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度也会随时间的增加而降低。在结构运营使用 过程中， 地震、 台风等突发灾害对结构的影响和损害都很大，为了保证结构的安全性和使用 功能，同时在灾后对结构进行安全性评估和必要的维护工作，就需要对结构进行健康监测。 健康监测系统的组成部分及运作流程 广州电视塔的结构健康监测系统分为施工阶段监测和运营阶段监测两个阶段，整套系统由六 个部分组成， 传感器系统 (SS) 它用于监测广州新电视

2、塔施工和运营阶段的的结构响应、荷载及工作环境 数据采集与传输系统(DATS) 该系统用于采集传感器信号并传输给数据处理与控制系统 数据处理与控制系统(DPCS) 它的作用在于控制数据的采集，传输，显示，分析及归档 结构健康评估系统(SHES) 结构健康评价系统是一个高性能计算机系统，是整个系统的核心。它主要用于执行监测数据 分析、结构状态评价及诊断与预测分析。 结构健康数据管理系统(DMS) 结构健康数据管理系统由一个高性能计算机系统和一个关系数据系统组成，主要用于存取监 测数据及分析结果。 除了以上五大系统，还有一个为前面五大系统提供服务和支持的检查与养护系统(IMS) 。该 系统具有为前面

3、的五大系统进行检查，标定，维护和升级的作用。 运作流程： 在广州新电视塔上布置了大量的传感器，用于测量结构物理参数及周围环境。传感器采集到 的数据通过数据采集与传输系统传输到数据处理与控制系统，数据处理与控制系统将对采集 到的数据进行预处理和数据筛选。结构健康评价系统对预处理后的数据进行分析，进而对结 构健康状态做出评价，并及时发现结构安全隐患，提出相应的维护方案。 广州新电视塔在0.00 米至 578.00 米之间共选取了16 个高程作为监测层，并在上面布置了 多种传感器，包括： （由于涉及版权问题，传感器型号需在动画中隐去） 22 个加速度传感器 加速度传感器安装于核心筒处，其功能在于通过

4、测量结构加速度进而了解结构的动力特性 144 个光纤应变计 其中 38 个光纤应变计安装于核心筒，96 个安装于外框筒钢结构处。 光纤应变计用于测量结构在不同荷载作用下的应力应变情况 56 个光纤温度计 光纤温度计用于测量关键截面的温度并对测点进行应力修正 148 个埋入式振弦应变计 埋入式振弦应变计埋入到核心筒混凝土结构中，量测结构关键部位的应力。 264 个粘贴式振弦应变计 粘贴式振弦应变计安装于外框筒钢结构，量测钢结构关键部位的应力。 136 个 PT-100 温度传感器 PT-100 温度传感器用于测量测点的温度 3 个腐蚀传感器 腐蚀传感器埋入到核心筒混凝土结构中，通过监测结构的腐蚀

5、数据评估构件的耐久性和承载 力。 1 个 GPS监测站 GPS监测站由位于电视塔塔顶的一个GPS 测量点和地面不动点的一个GPS 参考点组成。用 于监测电视塔结构塔顶的位移，研究电视塔塔顶位移与环境变化的关系 2 个双向倾斜仪 双向倾斜仪分别安装在塔顶和塔顶以上75 m 桅杆处，用于测量结构垂直度。 3 台数码摄像机 数码摄像机用于测量结构相应测点的动位移。 1 个气象站 气象站安装于电视塔顶部，用于了解电视塔所在地理位置的气象信息 2 个双向螺旋式风速仪 风速仪分别位于电视塔塔顶位置及桅杆顶部578 米处，以了解电视塔地理位置的风场特性， 包括平均风特性和脉动风特性 1 台地震仪 地震仪布设

6、于电视塔地下室底板，用于掌握电视塔基础附近的地震动 下面，我们选取277.20 米监测层为大家介绍一下传感器的具体分布及安装 我们在 277.20 米监测层的 1 柱， 7 柱， 13 柱， 19 柱的位置布置了 16 个光纤应变计 8 个光纤温度计 4 个埋入式振弦应变计 8 个 PT-100 温度传感器 20 个粘贴式振弦应变计 在核心筒则布置了 12 个埋入式振弦应变计 2 个加速度传感器 （2）光纤传感器系统 广州新电视塔结构健康监测系统所布设的光纤传感系统是整个健康监测系统的一个重要组 成部分，它应用于广州新电视塔的外筒钢结构及桅杆根部，提供长期实时的应变和温度监测。 主塔光纤传感系

7、统由 80 个光纤应变传感器和40个光纤温度传感器组成， 桅杆光纤传感系统 由 64 个光纤应变传感器和32 个光纤温度传感器组成，分别布置在主塔标高为32.80 米， 121.20 米，277.200 米，334.40 米，438.45 米及桅杆根部 454 米位置处。整个塔身的传感 器系统组成了一张传感网，有效的对塔身进行实时监控。 与传统传感器相比，光纤传感器有如下优点：（同时配图说明） 抗电磁干扰； 通过波长分配进行多路复用； 传输距离可达100 公里； 信号保真度高； 波长既能作为光纤传感器标识，也能作为测量绝对基准。 光纤数据的传输 健康监测系统的光纤传感器在外筒分布为5 个环，每

8、个环有4 个监测节点， 每个节点分别监 测环梁，斜撑和立柱的应变和温度； 每个监测节点数据由铠装光缆传输至各环对应的核心筒弱电房； 我们为光纤传感器在主塔的信号传输专门铺设了一根多芯光缆，从塔顶一直到0 米的控制中 心；当各环的光缆到达对应的弱电房后，与多芯光缆连接，实现 5 个环的数据传输至0米控 制中心。 （3）位移监测系统（先 GPS, 再说新式数码摄像位移监测） GPS 位移监测系统是采用卫星定位系统监测测点位移。系统由 GPS基准站、 GPS 监测站和通信系统组成。 监测站接收卫星信号及GPS 基准站信息， 进行实时差分 后可实时得到测点的三维空间坐标。 摄像测量通过高速连续摄像和影

9、像识别技术对测点动位移进行观测，它是一种非接触获取空 间信息的重要手段，对于难以寻觅固定不动参考点的高耸结构，利用摄像测量技术监测其动 态位移可以取得比传统测量方式更好的效果。 在广州新电视塔上成功应用了数码摄像系统对塔顶动位移进行了观测，测量结果与GPS的测 量结果吻合的很好。 （动画显示比较的曲线） （4）数据采集与传输系统 广州新电视塔结构健康监测系统采用无线系统和有线系统相结合的方式进行数据采集和传 输。 无线数据传输 1. 由于施工现场条件复杂，施工过程的健康监测采用无线数据传输； 2. 各层传感器的采集信号通过信号传输线缆传输至相应层弱电房的数据采集子站，然后再用 网络线将各层弱电

10、房的子站进行串联。该网络线的终端连接至位于第6 层的无线发射器。 利用现场办公室的无线接收器接收采集到的数据。 （5）远程监控可视化 为了提高后方支援对结构状态的掌握度以及提供更好的健康监测系统的专业服务，建立了一 个基于因特网直接与广州新电视塔监测系统数据库进行联机通讯的远程监控系统，实时获取 最新的监测数据并显示于远程可视化系统。 （在多媒体展示中， 将采用图片资料和视频剪辑的方式向观众展示远程监控的实际操作界面 和功能。） （6）数据处理与控制系统与结构健康评价系统 数据处理与控制系统将对采集到的原始数据进行分析，结构健康评价系统将利用有限元模 型分析等方法，检查结构是否出现应力超限、损

11、伤，分析损伤对结构整体性能的不利影响， 以此评估结构健康状态。 健康监测系统的预警机制 结构健康监测系统采用多级预警机制，预警系统包括初级预警和结构性预警，分三个预警级 别。 初级预警设置在数据采集单元内，其功能是超值预警判别并向系统控制中心报告。 结构性预警设置在控制中心内的结构健康评价服务器上，对结构整体性及某些预置参数进行 实时监测和在线评估， 从动态数据库或原始数据库中调入相关数据，进行构件损伤评估分析， 以进一步确定损伤的位置和程度，以便作进一步处理包括对突发事件迅速进行现场检查。 (7) 健康监测系统稳定运行和保护 健康监测系统采用模块化设计，有效的保证了各模块之间的相互独立性。每

12、一模块可进行单 独作业及维护， 不影响其它模块的运作，从而最大化保证各模块功能的正常使用。健康监测 系统的保护总体上可以分为硬件保护与软件保护两大类。 （a）硬件保护 广州新电视塔结构健康监测系统在建成后将运行相当长的时间，而且部分传感器及通讯线缆 都安装在室外， 外界干扰不但会对干扰信号采集，同时也会影响监测系统的使用寿命。因此， 在系统实施过程中必须对所有的传感器、通讯线缆、数据采集及传输系统进行有效的保护， 确保系统能够长时间的稳定运行。（此处显示传感器保护总图） 例如， 光纤传感器及粘贴于结构表面的应变计采用了不锈钢金属盒进行保护。 加速度传感器和数据采集仪则采用了金属箱进行防尘、防潮

13、的保护。 为了采集仪能够连续稳 定地进行数据采集，在外接电源还安装有避雷器，隔离变压器和稳压器。 广州新电视塔数据传输使用的信号线的全部安装有铝合金线槽进行保护。 硬件的稳定运行与维护的多媒体展示内容主要采用视频剪辑的形式介绍各种传感器的保护 （b）软件保护 在系统的使用过程中，我们将定期的对数据采集和处理以及健康评估软件系统进行维护，以 确保健康监测系统的稳定性。 (8) 监测结果演示 广州新电视塔结构健康监测系统自运行以来，成功监测了多次台风和地震期间的结构响应及 外荷载数据。 多媒体展示中将利用实物照片展示安装于结构塔顶的风速仪，同时结合文字解说展示风速仪 在莫拉菲台风期间的实测数据。

14、在莫拉菲台风期间，传感器成功监测了广州新电视塔所受的风荷载和结构响应，同时监测数 据为电视塔的安全评估和研究高耸结构在风荷载作用下的结构响应提供了重要的依据 通过图文资料和文字解说说明在广州新电观塔施工期间，结构健康监测系统成功地监测到了 由汶川大地震（震级8.0 ）引起的结构响应。2008 年 5 月 12 日下午 2 点 28 分，汶川地震发 生在中国四川省的西北部。安装在10 个监测断面上的振弦应变计监测到了持续1 至 2 分钟 的大应变变化。 由地震引起的最大横截面应力变化为3.6 兆帕，是施工阶段自重产生的静应 力的百分之十左右。 结构健康评价系统通过对结构响应突变的数据分析，圆满的

15、完成了结构安全性的评估任务。 广州新电视塔结构振动控制系统展示 广州新电视塔结构振动控制系统 2.3.1广州新电视塔结构振动控制系统简介 在视觉展示中将主要介绍广州新电视塔采用振动控制的目的和意义，振动控制系统的组成及 工作原理，振动控制系统的数据采集和远程监控以及振动控制实际效果的模拟展示这几个部 分。 （1）振动控制的目的和意义： 广州位于珠三角地区，是我国地震重点防御区。同时，由于广州新电视塔高度大、体形纤细、 结构布置独特， 属于风敏感结构，同时由于广州电视塔的新颖结构和结构的复杂性，它在强 风作用下的结构响应就更加难以预测。为了防患于未然，保障结构的安全性和耐用性，在广 州新电视塔上

16、安装有结构振动控制系统对主塔及桅杆进行减震。 振动控制系统组成及工作流程： 通过 3D 功能动画详细介绍振动控制系统的组成及工作流程（图3-14） 。在介绍中突出展示 新电视塔采用的振动控制系统与健康监测系统相结合这一创新点。 位于主塔的HMD 系统由以水箱为质量的TMD系统和坐落在其上的直线电机驱动的AMD 系统 组成。 （备注： 传感器的位置 12 个加速度传感器位于168.0 米，277.2 米，386.4 米，438.4 米，529.0 米， 578.0 米其个数分别为1个， 1个， 1个， 5个， 2个， 2个。 4个速度传感器位于168.0 米， 277.2 米， 386.4 米， 438.4 米，每层各一个。4个位移传感器位于438.4 米。 1个地震仪位于0 米， 1个风速仪位于459米。 ） 广州新电视塔主塔TMD 振动控制系统的采用消防水箱作为质量单元，由于布置时应尽可能减 小与主塔结构的偏心，因此依据工程结构特点和与主体结构空间位置相容的要求，最终选用 了双水箱布置方案。在小震情况下， 水箱沿底部轨道随主结构来回振动，达到被动消能减震 的