橋梁、高層建筑等建筑物在使用過程中，在自然環(huán)境（如風荷載、波浪、地震等）、人的活動及設(shè)備振動等激勵下會產(chǎn)生振動，這是工程界的***個老問題。近年來建筑結(jié)構(gòu)振動問題也頻頻出現(xiàn)，引發(fā)社會關(guān)注。如，2021年深圳華強北賽格大廈因風、地鐵運行及溫度等多種因素耦合，出現(xiàn)劇烈晃動；2020年鸚鵡洲長江大橋雙向橋面因特定風況引起的上下波形晃動，都是結(jié)構(gòu)在使用過程中受到外部荷載的影響出現(xiàn)振動的情況。

建筑結(jié)構(gòu)存在固有頻率，當結(jié)構(gòu)受到外部荷載影響或本身結(jié)構(gòu)受損，會導致其振動頻率發(fā)生變化。當振動頻率與結(jié)構(gòu)物的固有頻率相近，會發(fā)生共振。振動輕者會影響人們正常生活、工作的舒適度，重者會影響生產(chǎn)的正常運行，更嚴重者會影響結(jié)構(gòu)主體安全，導致結(jié)構(gòu)物損壞。因此，對結(jié)構(gòu)物尤其是高層建筑、橋梁、大壩等重點結(jié)構(gòu)物進行實時監(jiān)測并形成城市建筑物安全監(jiān)測網(wǎng)，即時捕捉建筑物的振動狀態(tài)非常重要。特別是在遭受地震、工業(yè)振動等情況后，可以為專***快速分析提供判斷依據(jù)，縮短政府決策時間和形成快速處置方案。

依托于加速度儀、地震儀等高靈敏度檢測設(shè)備組成的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（SHM），相比于傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法能夠捕獲更高的共振頻率，同時通過傳感器陣列能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)損傷進行檢測和定位，提供高精度的實時速度擾動結(jié)果。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測·監(jiān)測方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)物情況的不同（如大壩結(jié)構(gòu)，建筑高度），在傳感器陣列布設(shè)的過程中，為解決供電和信號傳輸?shù)男枨?，需要布置大量線纜，給系統(tǒng)造價和現(xiàn)場實施帶來***定的難度。

目前普遍使用的地震儀***般都具有多種通信接口，主要包括RS-232串口、Modem、RJ-45以太網(wǎng)口等接口，可直接用RS-232電纜現(xiàn)場連接，或使用調(diào)制解調(diào)器通過***個電信網(wǎng)絡(luò)連接，或通過互聯(lián)網(wǎng)訪問強震儀的IP地址來建立計算機與記錄儀之間的遠程聯(lián)系，并應(yīng)用通信軟件在記錄儀和計算機之間傳送文件，查看記錄儀的狀態(tài)和信息、改變記錄儀參數(shù)等。在以太網(wǎng)電纜無法覆蓋的偏遠地方，沒有公用通信網(wǎng)絡(luò)，使用光纖來延長傳輸距離是目前***好的選擇。

用金屬銅線作為傳輸介質(zhì)，標準的RS-232通信距離只有15m，而雙絞線在以太網(wǎng)接口間的傳輸距離也只有100m，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，這個距離遠遠不夠。如果采用光纖通訊方案，通信距離可以達到20km以上，但在單***結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)使用存在性能過剩，且成本較高的問題。而無線傳感技術(shù)，在實際工程中，需要更多考慮其穩(wěn)定性、時間同步、傳輸速度及實時性的問題。

在需要局部通信的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，***新的IEEE 802.3cg 10BASE-T1L規(guī)范實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信在遠距離通信上的應(yīng)用。

該標準支持通過***對雙絞線在1,000米的距離內(nèi)進行10Mbps全雙工通信，實現(xiàn)了利用以太網(wǎng)進行兩線制遠距離通信的可能。隨著電纜長度更長，設(shè)計人員可以擴展工業(yè)通信的范圍，而無需增加系統(tǒng)重量或布線成本。支持的電纜長度更長，還會提高短距離電纜的壽命，在電纜老化時不會影響傳輸質(zhì)量。

IEEE 802.3cg-2019標準用于規(guī)范管理10BASE-T1L連接。這個單對以太網(wǎng)（SPE）媒介標準可實現(xiàn)10Mbps的通信速度，并支持通過長達1km的單條雙絞線提供電源和傳輸數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)交換機ETH-T1L模塊

基于10BASE-T1L新標準的創(chuàng)新以太網(wǎng)交換機ETH-T1L模塊，可以連接加速度計、記錄儀和其他數(shù)據(jù)集中型設(shè)備，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)記錄儀組網(wǎng)，并提供1200米以上距離的10MBps數(shù)據(jù)傳輸及供電。

• 以太網(wǎng)供電（PoE），無需單獨為 任何設(shè)備供電

• 模塊間***長可達1200m 電纜

• 高性價比電纜

• 減少安裝時間

• 無限擴展的網(wǎng)絡(luò)提供了覆蓋任何 距離的可能性

在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，可以利用新型的10BASE-T1L連接實現(xiàn)系統(tǒng)的快速部署，從而利用安裝在結(jié)構(gòu)上的若干類型傳感器來檢測超過允許范圍的性能參數(shù)，以及識別和驗證結(jié)構(gòu)行為。對于“盒狀”建筑結(jié)構(gòu)，其運動方向主要為X軸平移、Y軸平移和X-Y扭轉(zhuǎn)。

在監(jiān)測過程中，主要采用單軸/雙軸/三軸加速度儀，對建筑結(jié)構(gòu)的平移、扭轉(zhuǎn)、層間位移及響應(yīng)譜等參數(shù)進行監(jiān)測。

高層建筑方案

GeoSMART是***款創(chuàng)新的圖形應(yīng)用程序，它為土木工程結(jié)構(gòu)提供實時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。具有“智能”特性的GeoSMART可以監(jiān)測和顯示結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

• 任何結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)的3D顯示。

• 交互式縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、可見性和投影。

• 實時交互式地圖上的多個結(jié)構(gòu)。

• 實時連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理。

• 基于滑動窗口的連續(xù)頻率分析：振幅、頻譜圖和反應(yīng)譜。

• 平移和旋轉(zhuǎn)中的剛體運動。

• 非儀器區(qū)域的插值。

• 層間漂移比和扭轉(zhuǎn)。

• 超出預(yù)定義的閾值水平或曲線。

面對日益強烈的安全性需求，建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的研究與實踐愈發(fā)重要。