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众所周知,对于古建筑及遗址保护来说,地面震动是一项影响古建和遗址寿命的重要因素,因此对古建筑遗址的震动监测一直是一项遗址保护的常规监测手段,也是“监测-检查-诊断-维修”这个保护措施的第一个环节。遗址监测一般分三个方面来进行:

1、遗址附近震源监测

遗址保护,首先需要确定附近有那些震源。震源包括常规震源和非常规震源,常规震源指日常比较确定的震动源,例如地铁、高速公路等,非常规震源包括地震、矿震及人工爆破等。一般来说,常规震源位置和震动时间比较清楚,但非常规的震源就需要通过地震观测来确定了。

根据地震学原理,为了监测遗址附近的震源信息,需要在遗址附近的基岩或者井下安装两台以上地震仪(速度计),这样才能通过交切精确确定附近天然地震及人工地震震源位置及发震规律。

目前用两台BBVS地震仪,在遗址附近三百公里范围内,监测三四级地震的精度约为一公里左右。例如这次龙门石窟地震监测台观测的2014年8月15日河南范县地震资料,通过地震波形分析,这是一个双震型地震(见图1)。第一次为2014年8月15日河南范县ML3.1级地震,震中位置(35.70N   115.42E)、深度H6km,发震时刻(2014-08-05  17:25:22.8),震级ML3.4。第二次为ML2.2级地震,震中位置(35.71N115.43E)、深度H8km,发震时刻(2014-08-05  17:24:09.6),震级ML2.2。两次都属天然地震,震中距龙门石窟地震台站分别为293和294km。

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图1 2014年8月15日河南范县地震波形分析

门石窟地震台位于北纬34.70o,东经112.44o,台站采用短周期FSS-3M型地震计,记录时间从2013.11.16到2014.10.18,在这是一次成功的地震观测。通过长达十一个月的连续地震观测,成功记录到遗址附近三百公里范围内的震源信息。

为了有效监测遗址附近的震动源需要连续监测,并且及时分析汇总监测结果。

2、场地地震动强度监测

但是,仅仅依靠地震仪(速度计)还不能满足对遗址所在场地的地震动强度监测,就是不能确定附近地震及常规震源对古建或遗址场地震动的强度。因为根据《古建筑防工业震动技术规范》中,评价古建筑震动的标准是通过水平向峰值位移PGV判断的(见表1)。

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3、遗址健康监测

古建筑或者遗址经过日久年深的风化侵蚀,结构已经不够坚固,如果附近有较大震源,或者不远处有较大地震发生,这些古建筑就有可能发生结构损坏,甚至产生致命的坍塌,使珍贵文物消失。为了及时发现结构内部的损坏,通过对结构物进行震动监测是最常用的有效手段。

“结构健康监测”是指对工程结构实施损伤检测和识别。从19世纪初开始,列车员借助小锤通过听锤击铁轨的声音来确定是否存在损伤。我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变,以及边界条件和体系的连续性,体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化,损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测,通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。

健康监测是综合了现代传感器技术、信号测试分析与处理技术、数据传输通讯技术及结构分析预测理论等多个领域知识, 经过大量现场应用实践的积累研制而成的系统产品,可以测试、存储、分析并提供运营中桥梁及建筑结构状态的多种信息,对整个结构状态进行连续的、实时的、在线的健康状态监测和评估,对结构的安全性作出实时、准确的评价,极大地延拓传统人工检测内容,实现预测维修,提高养护维修的管理水平,保障大型遗址及建筑结构的可靠性、安全性和耐久性,避免潜在的灾难性事件发生。

加速度计依然是监测建筑物的最简单有效方式。美国加州大学伯克利分校在Cross-bow的协助下对旧金山金门大桥部署过建筑健康监测系统。其本意是用来检测桥体在风力作用下的各个关键受力点的震动状况,整体数据建模后就可以分析出桥体受损老化严重的部分,从而进行有针对性的修补。 平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况,为建筑物维护提供辅助决策信息。

结构健康监测领域中最受关注的莫过于通过数据特征如何辨别出损伤结构与完好结构。现场测得的震动谱或频率是最常用的特征之一。

3.1验伤机理

经过20年的发展,可以说本领域已经成熟到一个阶段,很多基本的理论和原理已经成型[5] 。这些原理如下:

公理1:所有的材料都有内在损伤;

公理2:损伤的评估需要体系两种状态的对比;

公理3:可通过无参照研究来判定损伤是否存在和定位损伤,但是判定损伤类型和损伤程度需要有参照研究模式;

公理4a:单靠传感器不能测定损伤,数据处理的特征提取和统计分类才能将传感器获取数据转换为损伤信息;

公理4b:在缺乏智能特征提取手段时,测试方法对损伤越敏感,则操作和环境因素对测试结果影响越大;

公理5:损伤的开始和发展的长度和时间尺度提供结构健康监测传感系统需要的特征;

公理6:在算法对损伤的敏感度和抗噪声干扰的能力有一个平衡点;

公理7:可通过体系动力响应变化测得的损伤尺寸与可激励的频率范围大小成反比;

3.2 结构健康监测系统包括:

1)结构

2)传感器系统

3)数据采集系统

4)数据传输和存储系统

5)数据管理系统

6)数据解析和诊断

a)系统识别

b)结构模型更新

c)结构状况评估

d)预测服役年限

3.3解决方案:

1)脉动测试

2)天然人工地震测试

4、经典案例

圆明园、龙门石窟、周口店遗址、正阳门层楼等。

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4.1圆明园仪器安装现场

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4.2龙门石窟的定点设计