基于MEMS倾角仪的建筑结构地震过程转角监测

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地震灾害是全球共同而临的一种巨大的、不可避免的自然灾害,它以突发性强、无法抗拒、持续时间短等特点可以造成重大的人员伤亡及经济损失。建筑结构在地震作用下基础及结构构件的转动过程是影响及表征结构损伤的重要参数。所以监测地震过程中结构转动对了解结构的损伤机制具有重要意义,然而目前现有便捷、可靠、价值适宜的监测手段非常缺乏。针对这一问题,本文提出了一种基于MEMS倾角仪的结构地震过程转动的监测方法,并开展了以下几方面的工作:1)本文根据对MEMS倾角仪的内部结构的研究,得到动态响应的解析解,并通过假定参数,确定倾角仪输出的差值百分比与频率的大体关系。通过倾角仪的静态、动态标定试验,得到了倾角仪的灵敏度系数,并确定MEMS倾角仪的使用条件:在满足一定工程测量误差条件下,外激励超过0.5Hz时,需对倾角仪的数据按照一个四次方程式进行修正。2)本文设计一个单层有机玻璃框架模型,其基础通过与弹簧连接实现设定转动刚度。通过振动台扫频试验测得该模型的基本周期频率;通过正弦位移输入,确定基础转角以及转动约束刚度;通过El Centro波的输入,确定监测方法的可行性。本文建立了该模型的有限元模型,输入底层正弦位移曲线,得到了基础转动大小、柱底弯矩及基础转动约束刚度。通过与试验数据的对比以及基础转动刚度与理论值的比较分析,确定了该角度监测方法的可行性以及基础转动刚度计算的准确性。3)本文设计一个钢筋混凝土圆柱模型,并对其顶部进行往复侧推试验。采用倾角仪测量钢筋混凝土圆柱底端节点塑性铰的转动过程,并通过倾角仪输出的相对转角与位移计输出进行对比,验证了该监测方法在真实结构中应用的可行性及有效性。通过一系列实验室试验,确定了基于MEMS倾角仪测量结构的转角的方法的准确性与可行性,联合其他传感器可以得到结构的不同特性,对结构设计、提高结构的整体稳定性和抗震性能有着一定的指导与参考意义。
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