CN102980553B - 一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测方法和装置。该方法首先确定在不同雪荷载作用下产生最大变形的构件和变形位置，然后在所述位置处安装传感器监测变形情况，该方法只对破坏点位置处构件的变形量进行监测，减少了传感器的使用数量，简化了传感器的布置方式；该装置包括传感器、数据处理模块、数据传输模块、电源模块，能够将监测到的构件变形量数据和对比获得的温室骨架结构安全等级，实时传送到温室管理人员的远程数据接收终端上。

Description

一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种温室结构变形监测方法及装置，尤其涉及一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测方法及装置。

背景技术

圆拱型连栋温室在我国南方地区被广泛应用，圆拱型连栋温室主要依靠拱架、立柱、横梁、纵梁、天沟和拉杆等构件承受外部载荷，钢构件变形超过材料许可限度将无法回复，导致温室结构失效。目前温室在设计建造时基于经济性和安全性两方面的要求，希望在保证温室安全的同时尽量减少用钢量，以节约成本，因此通常以温室建设地点的一定年限内统计气象条件为设计依据。由于在考虑温室承受载荷方面具有局限性，在突发极端天气情况下，这种方式设计建造的温室常因局部结构变形过大会引起整个骨架结构受力分布的不平衡，严重情况下会直接导致整个温室骨架结构的倾斜或倒塌，导致造成重大的经济损失，影响到设施作物的正常种收。

极端气候具有随即突发性，为了提高温室结构安全性，在结构骨架发生不可逆转的结构性破坏之前采取补救措施，有必要对温室骨架结构的变形进行实时监测。中国发明专利[CN 101520381A]公开了一种基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，该专利主要针对大型工业建筑钢结构的检测，这些工业建筑骨架采用的结构型式、钢材的选用标准和在设计时所考虑的作用载荷类型、取值与温室结构有很大的区别，难以直接引用。目前现有技术中还未有专门针对温室骨架结构尤其是圆拱型温室骨架结构变形监测的方法和装置。因此为了能够对圆拱型连栋温室骨架结构的变形进行实时监测，有必要依据温室结构自身的特性和使用要求设计一种监测方法和监测装置，以提高温室结构在使用过程中的安全性。

发明内容

本发明的目的是针对提供一种计算圆拱型连栋温室骨架结构最易发生破坏性的构件及对应的破坏点位置，并对其进行检测的方法。

本发明的另一目的是提供一种能够实时监测圆拱型连栋温室骨架结构变形情况的装置，并及时对可能存在的危险进行报警。

一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测方法的技术方案是，首先确定在不同雪荷载作用下产生最大变形的构件和变形位置，然后在所述位置处安装传感器监测变形情况，所述确定在不同雪荷载作用下产生最大变形的构件和变形位置的具体步骤为：

1)确定温室骨架钢结构的整体几何参数，包括跨度L、跨数n、开间宽度D、开间数m、温室屋脊高度H₁、屋顶高度H₂、拱架的曲率半径R；

2)确定温室骨架钢结构各个构件的截面尺寸参数和材料属性参数；

3)确定温室建设地点的最大雪载荷标准值S₀；

4)建立三维简化计算模型；

5)对建立的简化计算模型施加载荷S₁＝S₀×u_i，其中：S₁为实际作用在温室屋顶的计算雪载荷，KN/m²；u_i为屋顶积雪分布系数，i＝1，i＝2；

6)将计算雪荷载S₁向天沟、纵梁、和拱架上等效转化，将面荷载转化为作用在各个公共端点的等效力和等效力矩；将等效力和等效力矩构成一个空间力系，计算各个线段和圆弧的内应力和产生的变形；

7)确定在相同荷载作用下，产生变形最大的构件和最大变形所在的位置和对应的变形量。

所述步骤4)三维简化计算模型的构建步骤为：

4-1)建立空间直角坐标系，坐标系三个不同轴线方向分别互相垂直于另外两个轴线构成的平面，三个坐标轴分别设定为X轴、Y轴和Z轴；

4-2)在建立的空间直角坐标系中按照1:1的比例建立温室骨架钢结构的简化计算模型，不同几何形状的构件简化为三维空间直角坐标系中的线段或者圆弧；

4-3)将各个构件用计算获得的等效线段或者等效圆弧替代，在建立的空间直角坐标系中各个等效线段和圆弧的位置关系按照温室骨架的实际情况排列。

所述步骤4-2)中构件的简化方式为：立柱等效为一条线段其高度等效为温室屋脊的高度H₁，横梁等效为一条线段其长度等效为温室的跨度L，纵梁等效为一条线段其长度等效为温室的开间宽度D，天沟等效为一条线段其长度等效为温室的开间宽度D与开间数m的乘积即L₁＝D×m，拉杆等效为一条线段其长度等效为温室屋顶高度H₂与屋脊高度H₁的差即H₃＝H₂-H₁，温室拱杆等效为一段圆弧其弧长L₂的等效长度由下面的公式计算得到:

$L_2=\frac{\mathrm{\π}}{90}\·R\·\arcsin \frac{L}{2R}$

式中：R为拱架的曲率半径，L为温室的跨度。

一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测装置的技术方案是，该装置包括传感器、数据处理模块、数据传输模块、电源模块；其特征在于：所述传感器为应变传感器，传感器安装在骨架结构的最大变形位置上，所述传感器与所述数据处理模块连接；数据处理模块和数据传输模块连接；所述电源模块分别与传感器、数据处理模块和数据传输模块连接；所述数据处理模块将传感器监测到的变化的电信号转化为对应的数字信号；所述数据传输模块实时传输变形量的数字信号。

所述数据处理模块将处理获得的构件变形量与构件自身能够承受的最大变形量进行对比，确定整个温室骨架结构的工作安全等级。

所述数据传输模块利用无线传输网络将各个监测点位置处构件的安全等级和温室骨架结构的综合安全等级实时传送到温室管理人员的远程接收装置上。

所述电源模块包括太阳能电池板、蓄电池、变压器及220V交流电源

所述太阳能电池板和220V交流电源分别与蓄电池连接，蓄电池和220V交流电源分别与变压器连接，变压器的输出为电源模块的输出端。

本发明的有益效果是，该监测方法通过计算获得，在气象数据提供的一定年限最大标准雪载荷作用下，温室骨架结构最易发生破坏性的构件及对应的破坏点位置。对整个温室骨架结构变形的监测过程中，只需对破坏点位置处构件的变形量进行监测，即可确定整个温室骨架结构的工作安全等级。减少了传感器的使用数量，简化了传感器的布置方式，并且有效的提高了监测系统的工作效率。在满足监测数据准确性的前提下，尽可能的减少了整个监测装置的资金投入，具有较高的性价比。

该监测系统可以通过现有网络，将监测到的构件变形量数据和对比获得的温室骨架结构安全等级，实时传送到温室管理人员的远程数据接收终端上，如手机、电脑等装置。

附图说明：

图1圆拱型连栋温室骨架结构示意图

图2圆拱型连栋温室骨架结构几何关系示意图

图3圆拱型连栋温室骨架顶部雪载荷分布示意图

图4圆拱型连栋温室骨架结构监测点位置示意图

图5圆拱型连栋温室骨架结构监测装置组成示意图

其中：

1.立柱，2.天沟，3.纵梁，4拱杆，5.竖撑，6.横梁，7.应变传感器，8.数据处理模块，9.数据传输模块，10.电源模块，11.计算机，12.太阳能电池板，13.蓄电池，14.变压器，15.220V通用交流电源。

具体实施案例：

下面几何附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施案例选取一圆拱型连栋温室骨架结构为说明对象。圆拱型连栋温室骨架结构的组成构件包括：立柱1、天沟2、纵梁3、拱杆4、竖撑5和横梁6。该圆拱型连栋温室骨架结构的组成构件，选用的材料均为表面经过热浸镀锌处理的钢材。温室骨架结构的组成构建中，立柱1、纵梁3、拱杆4、竖撑5和横梁6为中空的圆钢或者矩形钢。

根据温室骨架各个组成构件选用的钢材型号确定钢材截面尺寸参数和材料属性。对于中空的矩形钢截面尺寸参数和材料属性参数包括：截面宽度d、截面高度h、截面厚度t、截面惯性矩I、弹性模量E和泊松比μ。对于中空的圆钢截面尺寸参数和材料属性参数包括：截面直径D、截面厚度t、截面惯性矩I、弹性模量E和泊松比μ。

温室骨架结构在建立计算模型的时候采取的是简化建模的方式。首先建立空间直角坐标系，坐标系三个不同轴线方向分别互相垂直于另外两个轴线构成的平面，三个坐标轴分别设定为X轴、Y轴和Z轴。选取由X轴和Y轴确定的XY平面作为等效地面，对于组成温室骨架的各个钢构件截面简化为三维空间直角坐标系中的一点，根据实际构件的不同几何形状简化为三维空间直角坐标系中的线段或者圆弧。

其次在建立的空间直角坐标系中按照1:1的比例建立温室骨架钢结构的简化计算模型，其中立柱等效为一条线段其高度等效为温室屋脊的高度H₁，横梁等效为一条线段其长度等效为温室的跨度L，纵梁等效为一条线段其长度等效为温室的开间宽度D，天沟等效为一条线段其长度等效为温室的开间宽度D与开间数m的乘积即L₁＝D×m，拉杆等效为一条线段其长度等效为温室屋顶高度H₂与屋脊高度H₁的差即H₃＝H₂-H₁，温室拱杆等效为一段圆弧其弧长L₂的等效长度由下面的公式计算得到:

$L_2=\frac{\mathrm{\π}}{90}\·R\·\arcsin \frac{L}{2R}$

式中：R——为拱架的曲率半径

L——为温室的跨度

最后根据温室骨架结构的实际建设情况，将骨架钢结构中的各个构件用计算获得的等效线段或者等效圆弧替代，在建立的空间直角坐标系中各个等效线段和圆弧的位置关系按照温室骨架的实际情况排列。各个构件在实际建设中相互之间的连接方式可以等效看作是固结的方式，即相互之间在连接点处无相对位移。在模型中采用的等效方式为将相互之间存在连接关系的线段和圆弧采用相同的端点，即各个相互连接的线段或者圆弧都连接到一个公共的端点。本方法通过将实际骨架钢结构中的各个构件利用线段或者圆弧进行等效替换的方式，建立温室骨架钢结构的三维简化计算模型。，各个等效的线段和圆弧在空间直角坐标系中保持与实际温室骨架钢结构相同的形状和位置关系。

如图2所示，本实施案例选取的圆拱型连栋温室骨架结构，将组成构件用三维几何模型进行简化处理，各构件被简化成线段或者圆弧段。该圆拱型连栋温室的跨度为L，跨数为n＝4，沿跨度方向温室宽度为B1，其中B1＝L×n。该圆拱型温室的开间宽度为D，开间数为m＝3，沿开间方向温室宽度为L1，其中L1＝D×m。该圆拱型温室屋檐高度为H，屋脊高度为H1，温室拱顶圆弧段半径为R。

如图3所示，作用在圆拱型连栋温室屋顶的雪载荷，其分布方式为间隔式分布。根据温室建设所在地的经纬度信息，通过查阅该地区的气象统计资料，可以确定该地区在不同年限内的最大雪载荷标准值S₀。圆拱型连栋温室屋顶沿跨度方向积雪分布系数分别为：u₁＝0.6、u₂＝1.4，在垂直于天沟的平面中，距离中间天沟左右两端1/4跨度L的范围内积雪分布系数μ₂取值为1.4，即μ2＝1.4；其余位置处积雪分布系数μ₁取值为0.6，即μ₁＝0.6。。实际垂直作用在温室屋顶截面上雪荷载计算值为S₁，其计算公式为：

S₁＝S₀×u_i，

式中：S₀——某一年限内的最大雪载荷标准值，KN/m²；

S₁——实际作用在温室屋顶的计算雪载荷，KN/m²；

u_i——屋顶积雪分布系数，i＝1，i＝2。

根据图1-3所示，以简化的圆拱型连栋温室三维几何模型和雪荷载计算值为基础计算模型和参数，依据力学计算公式计算温室骨架结构的变形。

根据理论力学基本原理，将经过计算获得的计算雪荷载S₁向天沟、纵梁、和拱架上等效转化。通过对外部作用荷载的转化，将面荷载转化为作用在各个公共端点的等效力和等效力矩，其计算公式为：

其中：F——等效集中力

A——荷载作用平面的水平投影面面积

M——等效力矩

L——作用力到等效点之间的垂直距离

各个构件自身的重力荷载等效作用在各个线段或者圆弧的中点位置处的集中作用力。

作用在各个线段和圆弧上的等效力和等效力矩构成一个空间力系，根据理论力学基本原理和材料力学基本原理，计算各个线段和圆弧的内应力和产生的变形，其计算公式为：

$\mathrm{\ω}=-\frac{M-y}{I}$

$\mathrm{EI}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}=M$

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A}=E-\mathrm{\ϵ}$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δl}}{l}$

其中：F_x、F_y、F_z——分别为X、Y和Z轴方向的分力

M——为等效力矩总和

σ——为结构受荷载作用产生的内应力

F——垂直于截面的作用力

E——材料的弹性模量

A——构件的实际截面面积

I——惯性矩

υ——挠度

ε——结构产生的变形

l——线段原始长度

Δl——线段长度的改变值

为简化计算，可以利用ANSYS有限元分析软件进行自动计算。计算获得温室骨架结构组成构件在学载荷作用下的变形，确定最易发生破坏性变形的构件及破坏点位置。

如图4所示，经过计算后圆拱型连栋温室连栋温室最易发生破坏性变形的构件为拱杆4和立柱1，其中拱杆4的破坏点为边侧拱杆靠近天沟位置处，立柱1的破坏点为四个边角立柱与横梁和纵梁连接位置处。

拱杆4的破坏点在空间直角坐标系中的位置坐标(X，Y，Z)分别为：

A $(\frac{3}{4}B,L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

B $(\frac{3}{4}B,2L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

C $(3B+\frac{B}{4},L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

D $(3B+\frac{B}{4},2L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}).$

立柱1的破坏点在空间直角坐标系中的位置坐标(X，Y，Z)分别为：

E(0，0，H)，

F(0，3L，H)，

G(4B，3L，H)，

H(4B，0，H)。

对于一跨数为m，开间数为n的该圆拱型连栋温室，其拱杆4和立柱1的破坏点在相同的空间直角坐标系中的位置坐标(X，Y，Z)分别为：

A $(\frac{3}{4}B,L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

B $(\frac{3}{4}B,(n-1)L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

C $((m-1)B+\frac{B}{4},L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

D $((m-1)B+\frac{B}{4},(n-1)L,H+\sqrt{R^2+{\left(\frac{B}{4}\right)}^2}-\sqrt{R^2-{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}),$

E(0，0，H)，

F(0，nL，H)，

G(mB，nL，H)，

H(mB，0，H)。

为监测温室骨架结构变形的应变传感器7，安装在计算获得的温室组成构件破坏点位置处，即拱杆4上的A、B、C、D点和立柱1上的E、F、G、H点。

如图5所示，圆拱型连栋温室骨架结构变形监测装置包括：应变传感器7，数据处理模块8，数据传输模块9，电源模块10，计算机11，太阳能电池板12，蓄电池13，变压器14，220V通用交流电源15。其中应变传感器7将实时监测到的构件变形量传送到计算机11上，计算机11可以采用台式电脑或者笔记本。传送到计算机11上的监测数据为变化的电信号，集成在计算机11上的数据处理模块8将电信号转化为数字信号，并通过计算机11的显示器实时显示。数据传输模块9可以将通过网络发送到温室管理人员的远程数据接收终端上，如手机或笔记本等。

为整个装置提供能源支持的电源模块10包括两个部分，一个是太阳能电池板12和220V通用交流电源15，太阳能电池板12和220V通用交流电源15都可以为蓄电池13充电。蓄电池13可以保证在温室断电的情况下，监测系统仍能正常工作一段时间。蓄电池13和220V通用交流电源15经变压器14变压之后为应变传感器7和计算机11供电。

根据被监测构件在监测位置处能够承受的最大变形量，将温室骨架结构的工作状态分为三个安全等级。三个安全等级由高到底分别设置为：安全，监测位置处构件的变形量小于该构件最大变形量的60％；警告，监测位置处构件的变形量大于或等于该构件最大变形量的60％小于该处最大变形量的80％；危险，监测位置处构件的变形量大于或等于该构件最大变形量的80％。

数据处理模块8将8个监测点获得数据，分别与存储在计算机11中的对应的最大变形量数据进行对比，判断温室骨架结构的工作安全等级。温室骨架结构的工作安全等级和监测到得构件变形量，实时显示在计算机11的显示器上，并通过数据传输模块9，通过网络传送到温室管理人员的远程数据接收终端上。

Claims (4)

1.一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测方法，首先确定在不同雪荷载作用下产生最大变形的构件和变形位置，然后在所述位置处安装传感器监测变形情况，其特征在于，所述确定在不同雪荷载作用下产生最大变形的构件和变形位置的具体步骤为：

1)确定温室骨架钢结构的整体几何参数，包括跨度L、跨数n、开间宽度D、开间数m、温室屋脊高度H₁、屋顶高度H₂、拱架的曲率半径R；

2)确定温室骨架钢结构各个构件的截面尺寸参数和材料属性参数；

3)确定温室建设地点的最大雪载荷标准值S₀；

4)建立三维简化计算模型；所述步骤4)三维简化计算模型的构建步骤为：

4-1)建立空间直角坐标系，坐标系三个不同轴线方向分别互相垂直于另外两个轴线构成的平面，三个坐标轴分别设定为X轴、Y轴和Z轴；

4-2)在建立的空间直角坐标系中按照1:1的比例建立温室骨架钢结构的简化计算模型，不同几何形状的构件简化为三维空间直角坐标系中的线段或者圆弧；所述步骤4-2)中构件的简化方式为：

立柱等效为一条线段其高度等效为温室屋脊的高度H₁，横梁等效为一条线段其长度等效为温室的跨度L，纵梁等效为一条线段其长度等效为温室的开间宽度D，天沟等效为一条线段其长度等效为温室的开间宽度D与开间数m的乘积即L₁＝D×m，拉杆等效为一条线段其长度等效为温室屋顶高度H₂与屋脊高度H₁的差即H₃＝H₂-H₁，温室拱杆等效为一段圆弧其弧长L₂的等效长度由下面的公式计算得到:

式中：R为拱架的曲率半径，L为温室的跨度；

4-3)将各个构件用计算获得的等效线段或者等效圆弧替代，在建立的空间直角坐标系中各个等效线段和圆弧的位置关系按照温室骨架的实际情况排列；

5)对建立的简化计算模型施加载荷S₁＝S₀×u_i，其中：S₁为实际作用在温室屋顶的计算雪载荷，KN/m²；u_i为屋顶积雪分布系数，i＝1，i＝2；

6)将计算雪荷载S₁向天沟、纵梁、和拱架上等效转化，将面荷载转化为作用在各个公共端点的等效力和等效力矩；将等效力和等效力矩构成一个空间力系，计算各个线段和圆弧的内应力和产生的变形；

7)确定在相同荷载作用下，产生变形最大的构件和最大变形所在的位置和对应的变形量。

2.一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测装置，该装置包括传感器、数据处理模块、数据 传输模块、电源模块；其特征在于：所述传感器为应变传感器，传感器安装在骨架结构的最大变形位置上，所述传感器与所述数据处理模块连接；数据处理模块和数据传输模块连接；所述电源模块分别与传感器、数据处理模块和数据传输模块连接；所述数据处理模块将传感器监测到的变化的电信号转化为对应的数字信号；所述数据传输模块实时传输变形量的数字信号，所述数据处理模块将处理获得的构件变形量与构件自身能够承受的最大变形量进行对比，确定整个温室骨架结构的工作安全等级。

3.根据权利要求2所述一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测装置，其特征在于：所述数据传输模块利用无线传输网络将各个监测点位置处构件的安全等级和温室骨架结构的综合安全等级实时传送到温室管理人员的远程接收装置上。

4.根据权利要求2所述的一种圆拱型连栋温室骨架结构变形监测装置，其特征在于：所述电源模块包括太阳能电池板、蓄电池、变压器及220V交流电源，所述太阳能电池板和220V交流电源分别与蓄电池连接，蓄电池和220V交流电源分别与变压器连接，变压器的输出为电源模块的输出端。