用于快速评估建筑物结构的地震响应的基于光学的层间漂移计系统技术方案

传感器系统基于入射在分立二极管传感器阵列上的激光束来提供建筑物层间漂移的测量。二极管传感器阵列确定投射的激光束照射阵列的位置，这提供了对层间漂移的直接测量。二极管传感器阵列是分立二极管的二维阵列，其允许当光束在二极管阵列上来回移动时非常准确地追踪入射激光束的位置。由结构构件的旋转(例如，楼层梁旋转)引起的激光源的局部旋转被适当地校正。这允许在震动的建筑物的两个楼层水平之间的层间漂移的准确、动态测量。

Optical Interlayer Drift Meter System for Rapid Assessment of Seismic Response of Building Structures

The sensor system provides the measurement of building drift based on the laser beam incident on the discrete diode sensor array. Diode sensor arrays determine the position of the projected laser beam irradiation array, which provides a direct measurement of interlayer drift. Diode sensor arrays are two-dimensional arrays of discrete diodes that allow very accurate tracking of incident laser beams as they move up and down the diode array. The local rotation of the laser source caused by the rotation of structural members (e.g., the rotation of floor beams) is corrected appropriately. This allows accurate and dynamic measurements of drift between two floors of a vibrating building.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于快速评估建筑物结构的地震响应的基于光学的层间漂移计系统相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年7月10日提交的标题为“anoptically-basedinterstorydriftmetersystemforrapidassessmentoftheearthquakeresponseofbuildingstructures”的美国临时专利申请第62/190,902号的优先权和权益，其内容通过引用整体并入本文中用于所有目的。对在联邦政府赞助的研究和开发下完成的申请的权利的声明根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(LawrenceLivermoreNationalSecurity，LLC)之间关于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的工作的合同第DE-AC52-07NA27344号，美国政府享有本申请的权利。
技术介绍
努力的领域本申请涉及建筑物结构的地震响应的评估，并且更具体地涉及用于快速评估建筑物结构的地震响应的基于光学的层间漂移计系统。技术的陈述本部分提供了与本公开内容相关的背景信息，其不一定是现有技术。在发生大地震之后，立即有用于开发建筑物被震动的程度的快速评估和用于确定建筑物是否已经发生了严重损坏的强烈动机。鉴于建筑物的外部视觉观察不能可靠地指示在地震震动的持续时间期间建筑物的结构系统是否有严重损坏，因此这尤其重要。除了与人身安全风险有关的不确定因素之外，无法快速评估建筑物的完整性可能对及时重新占用和恢复功能操作具有大的影响。在城市环境中，在大地震中理论上成千上万的建筑物可能被震动，对于了解大量建筑物是否存在居住者安全风险有着直接和巨大的需求。用于工程检查的典型过程是耗时的，并且受到大地震后缺乏足够数量的合格结构工程师可用的限制——在1989年加利福尼亚的洛马普列塔(LomaPrieta)地震中吸取的教训。可以立即有效地产生建筑物的完整性数据的系统对于在密集建设的城市环境中通知适当的震后行为会特别有用。作为基本响应测量的层间漂移在地震期间建筑物响应的基本测量是建筑物层间漂移，其被计算为建筑物的两个相邻楼层之间的相对位移。图1A、图1B和图1C提供了“层间漂移”的图示。图1A示出了总体上由附图标记100表示的“层间漂移”。位于地面106上的多层建筑物102在地震中经历移动，导致建筑物从竖直位置移位，如图1A所示。图1B示出了建筑物102的两个相邻楼层104。图1C示出了层间漂移率(IDR)。层间漂移率“Γ”被定义为两个连续楼层之间的相对平移位移“Δ”除以层高“H”(Γ＝Δ/Η)。层间漂移是建筑物系统上的变形和应力需求的量度，并且表示许多抗震设计规范中的基本设计变量。关于典型钢架建筑物的建筑物响应的构思定义，其中层间漂移率与建筑物损坏水平相关，例如可以包括：屈服点(yieldpoint)＝结构构件非弹性作用开始处的层间漂移率的幅度；塑性铰(hinge)形成＝结构构件形成完整塑性铰(贯穿整个构件截面产生的材料)处的层间漂移率的幅度；极限力矩能力＝达到构件的极限载荷承载能力处的层间漂移率的幅度。在地震之后的层间漂移值的测量和读出允许与由认知结构工程师建立的代表所考虑的建筑物的不同损坏水平的设计规范或建筑物漂移指数进行比较。用强运动加速度计间接测量层间漂移传统建筑物地震仪器基于强运动加速度计，其测量加速度计物理位置处的绝对加速度时间历史。现有的地震仪器系统通常利用分布在建筑物整个高度的相对稀疏的加速度计阵列。这样的系统提供了一些关于建筑物被震动的程度的了解，但是它并没有提供关于建筑物中变形(例如层间漂移)和相关应力的直接的、详细的信息。由于建筑物位移和相关变形是主要关注的，所以加速度计数据必须通过双重数值积分进行后处理，以最终估计层间漂移。这样的处理非常具有挑战性，并且具有相关的误差。另外，加速度计是具有频率带宽限制的动态系统，并且不能准确地再现与建筑物系统的非弹性行为相关的结构中的永久位移。与强运动加速度计相关的整体挑战和问题记录在D.A.Skolnik和J.W.Wallace的期刊论文“CriticalAssessmentofInterstoryDriftMeasurements,”AmericanSocietyofCivilEngineers,JournalofStructuralEngineering,2010.136:1574-1584中。用于直接测量层间漂移的装置/方法许多研究人员已经提出了用于直接测量建筑物层间漂移的测量方案和相关装置。这些涉及物理接触装置例如具有线性可变位移变换器(LVDT)的测量框架分割间(bay)的摇摆变形的示教线(taughtwire)，以及测量建筑物横向位移的基于光学的技术。已经探索的一种光学方法是利用入射点可以追踪建筑物的横向位移和建筑物的相应层间漂移的激光器。但是，还没有一种可行的现有传感器能够基于这种测量技术来实现完整的系统设计。现有的商业生产的位置灵敏检测器或装置(PSD)是可用于准确测量入射激光束位置的基于光电的传感器，其非常昂贵且在物理尺寸上太有限。在典型的建筑物中，大地震期间必须测量的层间漂移的幅度(可能是多英寸的层间漂移)相对于商业可用PSD的尺寸来说只是太大了。
技术实现思路
根据下面的描述，所公开的设备、系统和方法的特征和优点将变得明显。申请人提供了包括具体实施方式的附图和示例的本说明书，以给出设备、系统和方法的宽泛表示。根据本说明书并且通过设备、系统和方法的实践，在本申请的精神和范围内的各种改变和修改对本领域技术人员而言将变得明显。设备、系统和方法的范围不旨在限于所公开的特定形式，并且本申请覆盖落入由权利要求限定的设备、系统和方法的精神和范围内的所有修改、等同物和替选。本文描述的专利技术涉及一种用于直接测量建筑物结构的地震引起的层间漂移的基于光学的层间漂移计系统，以及所述系统的宽频率响应PSD，所述系统包括沿预定的测量方向交错的分立光电二极管传感器的交错阵列。该传感器单元被限定为位置敏感检测器阵列(PDSA)。直接的层间漂移测量在构思上是简单的且数据的处理相对于基于加速度计的系统是直接的，并且可以直接与已知的层间漂移损坏指数相比较，所述层间漂移损坏指数量化被监测的建筑物的损坏水平。因此，本专利技术执行的直接层间漂移测量能够在地震之后立即快速评估和洞察潜在的建筑物损坏和结构状况，而不需要对测量数据进行大量的后处理。与基于加速度计的系统不同，这种基于光学的层间漂移计和建筑物监测系统可以特别有效地测量在地震震动期间由建筑物中的非弹性作用引起的永久层间漂移。在一个实施方式中，本专利技术的系统提供了一种模块化系统，其包括可以安装在建筑物的任意两个可接近点之间(例如，具有清晰视线的两个楼层之间)的低能量(例如20mW)衍射激光束源和宽频率响应PSDA单元，如图2、图3和图4所示。衍射激光束源适合于产生衍射激光束，该衍射激光束在被引导到PSDA单元的表面上时产生横向于预定的测量方向定向的线性光束轨迹(trace)，即入射的照明线，并且衍射激光束在PSDA上的入射位置指示在地震期间的任何时刻处的瞬时层间漂移(或无漂移)。而且，本专利技术的宽频率响应PSDA具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述建筑物具有参考楼层和紧邻所述参考楼层的相邻楼层，所述设备包括：操作地连接至所述参考楼层的激光束源，由所述激光束源产生的激光束，所述激光束指向所述相邻楼层，以及操作地连接至所述相邻楼层的传感器阵列，所述传感器阵列被定位成接收所述激光束以用于测量所述建筑物的层间漂移。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.10 US 62/190,9021.一种用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述建筑物具有参考楼层和紧邻所述参考楼层的相邻楼层，所述设备包括：操作地连接至所述参考楼层的激光束源，由所述激光束源产生的激光束，所述激光束指向所述相邻楼层，以及操作地连接至所述相邻楼层的传感器阵列，所述传感器阵列被定位成接收所述激光束以用于测量所述建筑物的层间漂移。2.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，由所述激光束源产生的所述激光束是衍射激光束。3.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述传感器阵列是二极管传感器阵列。4.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述传感器阵列是包括至少一行二极管传感器的二极管传感器阵列。5.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述传感器阵列是包括多行二极管传感器的二极管传感器阵列。6.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述传感器阵列是包括多行二极管传感器的二极管传感器阵列，以及其中，所述行是交错的。7.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述激光束源是位于每个楼层水平处的分立激光单元。8.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述激光束源是连接至中央激光单元的光纤。9.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，还包括与所述激光束成一定角度定向的第二激光束，所述第二激光束用于检测所述激光束源的旋转。10.根据权利要求9所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述第二激光束源被定位成与所述激光束成直角。11.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，还包括：操作地连接至所述参考楼层的第二激光束源，由所述第二激光束源产生的第二激光束，所述第二激光束指向所述相邻楼层，以及操作地连接至所述相邻楼层的第二传感器阵列，所述第二传感器阵列被定位成接收所述第二激光束以用于测量所述建筑物的层间漂移，其中，所述第二激光束源、所述第二激光束和所述第二传感器阵列被定位成与所述激光束源、所述激光束和所述传感器阵列成一定角度。12.根据权利要求11所述的用于测量建筑物的层间漂移的设备，其中，所述角度是直角。13.根据权利要求1所述的用于测量建筑物的层间...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·B·麦卡伦，詹森·科茨，尼克·雷帕尼奇，威廉·哈维·瓦滕伯格，
申请(专利权)人：劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司，CUS奇科研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US