CN104111133B - 大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统及监测方法，监控系统包括监控主机和多组应力采集器，应力采集器与监控主机无线连接，每组应力采集器由若干上径向索应力采集器、下径向索应力采集器、环索应力采集器、环梁应力采集器和钢柱应力采集器组成，各应力采集器外接应变传感器，本发明在大跨度的空间索桁结构体系中布设多组应力采集器来实时连续监测主要受力结构的应力变化，并通过无线方式将监测数据传递给监控主机记录、分析、计算和管理，大大降低了现场维护难度和成本，也提高了系统稳定性和便捷性。

Description

大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及到一种测量装置，尤其涉及到一种无线组网、远程监控且数据精确的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统及监测方法。

背景技术

大型土木工程结构的施工监测技术研究，早期以公路桥梁、大坝、海洋平台等为主要对象，大跨钢结构的施工监测起步相对较晚，发达国家如美国、日本、加拿大、德国等均在竞相开展这一技术的理论和应用研究，各种先进的测试手段如光电、超声、电磁等被应用其中，在国内，目前以了解结构安全性态为目的的现代监控技术的研究和应用出现了不断发展趋势，同样在桥梁工程中应用最为普遍，例如对江苏通榆河工程总渠公路大桥的预应力索的张拉过程进行了应力监测等等。

大跨钢结构建筑作为一类新型的建筑结构体系，本身发展历史相对较短，其结构安全监测理论与技术的开展也较晚，而预应力拉索钢结构的发展历史则更短，目前，国内外对于预应力拉索钢结构的监测技术及应用的综合性研究相对较少。

大跨预应力拉索钢结构中的拉索构件作为结构的关键构件，其施工张拉步骤直接影响结构的受力及最终形态，其结构的施工过程通常具有明显的阶段性，结构在施工过程中经历了一系列准结构，各阶段的几何形态、刚度、材料性能及其荷载和边界条件发生变化，在施工过程中的受力状态与各施工工序对应的时间表现出非线性，因此，对受力结构的实时监测就显得非常必要。

授权公告号为CN201429485Y的、名称为一种斜拉桥的索力实时预测装置，公开了一种斜拉桥的索力实时预测装置，包括索力测量装置和索力计算装置，索力测量装置安装在需要实时监测的部分斜拉桥拉索上，通过通信电缆连接至索力计算装置，可以在少量已知斜拉桥索力的基础上，利用人工神经网络模型快速预测出其它未知索力的大小；同时，瞿伟廉等对深圳市民中心屋顶钢结构施工过程进行了关键构件与牛腿的应力跟踪监测，并采用神经网络法进行了瞬时应力场的识别，同时还监测了风荷载作用效应；以上几种施工监测的监测设备能实时监测拉索等结构件的索力变化，节省了测量索力的时间与成本，但由于监测装置与计算装置主要采用有线布设、受外界影响大、布设较为困难，而且测量与传递过程误差较大，造成索力数值的精确度不高。

发明内容

本发明主要解决现有监测装置采用有线布设、受外界影响大、线缆布设困难的技术问题，同时解决数据测量与传递过程误差较大、影响测量精度的问题；提供了一种无线组网、远程监控且数据精确的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统及监测方法。

为了解决上述存在的技术问题，本发明主要是采用下述技术方案：

本发明的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统，用于空间索桁结构体系中的大跨度索桁架主要受力结构的索力监测，所述索桁架结构包括钢柱、钢环梁、上径向索、下径向索、环索及膜面，所述监测系统包括监控主机和多组应力采集器，每组应力采集器对应监测单个索桁架结构，每组应力采集器由若干上径向索应力采集器、下径向索应力采集器、环索应力采集器、环梁应力采集器和钢柱应力采集器组成，应力采集器与监控主机无线连接，应力采集器由封闭于密封箱内并集成在电路板上的传感模块、中央处理模块、供电模块和无线通讯模块组成，应力采集器通过无线通讯模块与监控主机无线连接，在大跨度的空间索桁结构体系中布设多组无线应力采集器来实时连续监测主要受力结构的应力变化，并通过无线方式传递给监控主机记录、分析、计算和管理，使得采集器布设方便、数据传递可靠、耐恶劣环境和气候的能力较高，大大降低了现场维护难度和成本，也提高了系统的稳定性和便捷性。

作为优选，所述应力采集器外接应变传感器，所述应变传感器为振弦式表面应变计，应变传感器的底部设有安装座，所述安装座与待测结构件表面相吻合且固置于待测结构件表面，采用振弦式表面应变计，通过元件内部张紧的弦的自振频率变化作为测量结构件变形的手段，灵敏度高、测量精度较高、安装简单、耐恶劣环境和气候的能力强。

作为优选，所述振弦式表面应变计还设有温度检测部件，在测量结构件应力应变参数时，将结构件处的温度一并测量和计算，使环境和气候变化对应力应变的影响减少到最小，提高了应变值的测量精度。

作为优选，所述上径向索应力采集器外接两台上径向索应变传感器，上径向索应力采集器固设于上径向索的可调节端索头位置处，所述上径向索应变传感器的安装座粘接于所述索头的左右耳板外侧表面上；所述下径向索应力采集器外接两台下径向索应变传感器，下径向索应斩力采集器固设于下径向索的可调节端索头位置处，所述下径向索应变传感器的安装座粘接于所述索头的左右耳板外侧表面上；所述环索应力采集器外接两台环索应变传感器，环索应力采集器固设于环索两端的分叉点处，所述环索应变传感器的安装座粘接于所述分叉点的浇铸接头的上下表面；所述环梁应力采集器外接四台钢环梁应变传感器，环梁应力采集器固设于钢环梁上，所述钢环梁应变传感器的安装座粘接于钢环梁表面且沿钢环梁中部的圆周间隔90°均匀分布；所述钢柱应力采集器外接四台钢柱应变传感器，钢柱应力采集器固设于钢柱柱脚上，所述钢柱应变传感器的安装座粘接于钢柱柱脚底部表面且沿钢柱圆周每隔90°均匀分布，通过对主要受力结构件的采样数量和位置的精确选择，能更好地反映待测结构件的应力变化情况，使结构件的施工过程安全性更高。

大跨度预应力拉索钢结构索力监测装置的监测方法，其监测步骤如下：

(1)监控主机启动多组布置在索桁架结构体系中的上、下径向索、环索和钢环梁、钢柱表面的应力采集器，各应力采集器通过外接的振弦式应变传感器采集振弦频率和温度作为结构件的应变值与温度值，其中的应变传感器的采样频率在施工过程的预应力张拉阶段设置为每分钟1次，其他阶段设置为每半小时1次；

(2)应力采集器定时采样后，应变值和温度值通过采集器无线传递至监控主机并以列表的形式存贮于监控主机的数据库内，同时，对应变值进行误差修正以消除数据的测量误差；

(3)通过数据库技术对监测到的海量数据进行筛选、管理与分析；

(4)通过内力计算方式获得上、下径向索的索头位置和环索的分叉点位置处的内力值，以及钢环梁中部和钢柱柱脚的内力值和弯矩值；

(5)由此，根据索力值与相应结构的内力值对应并相等的状况，则可间接获得各结构件的索力值，

作为优选，以上监测步骤(2)提及的测量误差包括测量系统误差和随机误差，其中测量系统误差的消除采用修正或校准方法，而随机误差可按误差理论进行传递和综合：

设y为结构件的内力参数，x_i为直接测量的结构件应力应变参数，则

y＝f(x₁,x₂,…,x_n)，

设y的标准误差为S_y，xi的标准误差为S_r，则

$S_y=\sqrt{{\left(\frac{\∂f}{\∂x_1}\right)}^2{S}_1^2+{\left(\frac{\∂f}{\∂x_2}\right)}^2{S}_2^2+...+{\left(\frac{\∂f}{\∂x_n}\right)}^2{S}_n^2}$

对于y＝x₁，x₂，...，x_n的情况，各物理量相对标准误差为S_y/y＝e_y，S₁/x₁＝e₁，S₂/x₂＝e₂，S_r/x_r＝e_r，则可以推导出随机误差系数为

$e_y=\sqrt{e_1^2+e_2^2+...+e_n^2}.$

作为优选，以上监测步骤(3)中的内力计算方法的计算公式为：

(1)拉索结构件的内力：N＝εEA。

其中，N——拉索结构件测试部位内力；

ε——拉索结构件测试部位应变值；

A——拉索结构件截面积；

E——拉索结构件弹性模量；

(2)钢环梁或钢柱的内力与弯矩：

$\left\{\begin{array}{c}N=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\mathrm{EA}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\mathrm{EA}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4}{4}\mathrm{EA}\\ M=\frac{\mathrm{EI}}{R+h}\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\right)}^2}\end{array}\right.$

其中：N——钢构件测试部位轴力；

M——钢构件测试部位弯矩；

E——钢构件弹性模量；

I——钢构件截面惯性矩；

A——钢构件截面积；

R——钢构件截面中心与外表面距离；

h——钢构件外表面至传感器中心高度；

ε₁,ε₂,ε₃,ε₄——钢构件测试部位应变值。

通过对相关数据的测量误差修正处理和内力计算，可以精确地获得索桁架主要受力结构的内力值，相应间接得到了结构件的索力值，通过与设计值的对比，就可及时跟踪施工过程中结构件的应力变化，更好地满足大跨度钢结构件施工和膜面结构的张拉过程的安全要求，准确作出判断和决策。

本发明的有益效果是：在大跨度的空间索桁结构体系中布设多组应力采集器来实时连续监测主要受力结构的应力变化，并通过无线方式将监测数据传递给监控主机记录、分析、计算和管理，采集器布设灵活方便、数据传递可靠、耐恶劣环境和气候的能力较高，大大降低了现场维护难度和成本，也提高了系统的稳定性和便捷性。

附图说明

图1是本发明中的索桁架结构示意图

图2是本发明的监测系统示意图

图3是本发明的监测软件系统框架示意图。

图中1.索桁架结构，11.钢柱，12.钢环梁，13.上径向索，14.下径向索，15.环索，16.膜面，2.监测系统，21.监控主机，22.应力采集器，23.应变传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统，用于空间索桁结构体系中的大跨度索桁架主要受力结构的索力监测，如图1所示，索桁架结构1包括支撑和张拉膜面结构的钢柱11、钢环梁12、上径向索13、下径向索14及环索15，如图2所示，监测系统2包括监控主机21和多组应力采集器22，每组应力采集器对应监测单个索桁架结构，每组应力采集器由若干上径向索应力采集器、下径向索应力采集器、环索应力采集器、环梁应力采集器和钢柱应力采集器组成，应力采集器由封闭于密封箱内并集成在电路板上的传感模块、中央处理模块、供电模块和无线通讯模块组成，应力采集器通过无线通讯模块与监控主机无线连接，应力采集器通过传感模块外接应变传感器23来实时监测结构件的应变，本实施例的应变传感器采用振弦式表面应变计，在应变传感器的底部设计有安装座，安装座与待测结构件表面相吻合且粘接于待测结构件表面，振弦式表面应变计还设有温度检测部件，可用来检测待测结构件表面的温度；其中的上径向索应力采集器外接两台上径向索应变传感器，上径向索应力采集器固设于上径向索的可调节端索头位置处，上径向索应变传感器的安装座粘接于索头的左右耳板外侧表面上；其中的下径向索应力采集器外接两台下径向索应变传感器，下径向索应力采集器固设于下径向索的可调节端索头位置处，下径向索应变传感器的安装座粘接于索头的左右耳板外侧表面上；其中的环索应力采集器外接两台环索应变传感器，环索应力采集器固设于环索两端的分叉点处，环索应变传感器的安装座粘接于分叉点的浇铸接头的上下表面；其中的环梁应力采集器外接四台环梁应变传感器，环梁应力采集器固设于钢环梁上，环梁应变传感器的安装座粘接于钢环梁表面且沿钢环梁中部的圆周间隔90°均匀分布；其中的钢柱应力采集器外接四台钢柱应变传感器，钢柱应力采集器固定在钢柱的柱脚上，钢柱应变传感器的安装座粘接于钢柱柱脚底部表面且沿钢柱圆周每隔90°均匀分布，通过对结构件采样数量和位置的精确选择，能更好地反映待测结构件的应力变化情况，使结构件的施工过程安全性更高。

以上大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统的监测方法，其监测步骤如下：

(1)监控主机启动多组布置在索桁架结构体系中的上、下径向索、环索和钢环梁、钢柱表面的应力采集器，各应力采集器通过外接的振弦式应变传感器采集振弦频率和温度作为结构件的应变值与温度值，其中的应变传感器的采样频率在施工过程的预应力张拉阶段设置为每分钟1次，其他阶段设置为每半小时1次；

(2)应力采集器定时采样后，应变值和温度值通过采集器无线传递至监控主机并以列表的形式存贮于监控主机的数据库内，同时，对应变值进行误差修正以消除数据的测量误差；

(3)通过数据库技术对监测到的海量数据进行筛选、管理与分析；

(4)通过内力计算方式获得上、下径向索的索头位置和环索的分叉点位置处的内力值，以及钢环梁中部和钢柱柱脚的内力值和弯矩值；

(5)由此，根据索力值与相应结构的内力值对应并相等的状况，则可间接获得各结构件的索力值，

以上检测步骤(2)提及的测量误差包括测量系统误差和随机误差，其中测量系统误差消除采用修正或校准方法，随机误差可按误差理论进行传递和综合：

设y为结构件的内力参数，x_i为直接测量的结构件应力应变参数，则

y＝f(x₁,x₂,…,x_n)，

设y的标准误差为S_y，xi的标准误差为S_r，则

$S_y=\sqrt{{\left(\frac{\∂f}{\∂x_1}\right)}^2{S}_1^2+{\left(\frac{\∂f}{\∂x_2}\right)}^2{S}_2^2+...+{\left(\frac{\∂f}{\∂x_n}\right)}^2{S}_n^2}$

对于y＝x₁，x₂，...，x_n的情况，各物理量相对标准误差为S_y/y＝e_y，S₁/x₁＝e₁，S₂/x₂＝e₂，S_r/x_r＝e_r，则可以推导出随机误差系数为

$e_y=\sqrt{e_1^2+e_2^2+...+e_n^2};$

以上监测步骤(4)中的内力计算方法的计算公式为：

(1)拉索结构件的内力：N＝εEA。

其中，N——拉索结构件测试部位内力；

ε——拉索结构件测试部位应变值；

A——拉索结构件截面积；

E——拉索结构件弹性模量；

(2)钢环梁或钢柱的内力与弯矩：

$\left\{\begin{array}{c}N=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\mathrm{EA}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\mathrm{EA}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4}{4}\mathrm{EA}\\ M=\frac{\mathrm{EI}}{R+h}\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\right)}^2}\end{array}\right.$

其中：N——钢构件测试部位轴力；

M——钢构件测试部位弯矩；

E——钢构件弹性模量；

I——钢构件截面惯性矩；

A——钢构件截面积；

R——钢构件截面中心与外表面距离；

h——钢构件外表面至传感器中心高度；

ε₁,ε₂,ε₃,ε₄——钢构件测试部位应变值。

通过对相关数据的消噪处理和内力计算，可以精确获得索桁架主要受力结构的内力值，也间接得到了结构件的索力值，通过与设计值的对比，就可及时跟踪施工过程中结构件的应力变化，更好地满足大跨度钢结构件施工过程和膜面结构张拉过程的安全要求，准确作出判断和决策。

应力监测系统的软件系统框架如图3所示，软件具有直观、友好的人机交互监控界面；模型、测点布置的形象显示；数据曲线显示功能，并可实现历史曲线数据查询的功能，监控人员可以在任何地方、任何时间通过互联网来查看实时数据情况并对数据进行分析和管理。

在本发明的描述中，技术术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明的技术方案，以上说明并非对本发明作了限制，本发明也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统，用于空间索桁结构体系中的大跨度索桁架主要受力结构的索力监测，所述索桁架结构（1）包括钢柱（11）、钢环梁（12）、上径向索（13）、下径向索（14）、环索（15）及膜面（16），其特征在于：所述监测系统（2）包括监控主机（21）和多组应力采集器（22），每组应力采集器对应监测单个索桁架结构，每组应力采集器由若干上、下径向索应力采集器、环索应力采集器、环梁应力采集器和钢柱应力采集器组成，应力采集器与监控主机无线连接。

2.根据权利要求1所述的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统，其特征在于：所述应力采集器（22）外接应变传感器（23），所述应变传感器为振弦式表面应变计，应变传感器的底部设有安装座，所述安装座与待测结构件表面相吻合且固置于待测结构件表面。

3.根据权利要求2所述的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统，其特征在于：所述振弦式表面应变计还设有温度检测部件。

4.根据权利要求2或3所述的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统，其特征在于：所述上径向索应力采集器外接两台上径向索应变传感器，上径向索应力采集器固设于上径向索的可调节端索头位置处，所述上径向索应变传感器的安装座粘接于所述索头的左右耳板外侧表面上；所述下径向索应力采集器外接两台下径向索应变传感器，下径向索应力采集器固设于下径向索的可调节端索头位置处，所述下径向索应变传感器的安装座粘接于所述索头的左右耳板外侧表面上；所述环索应力采集器外接两台环索应变传感器，环索应力采集器固设于环索两端的分叉点处，所述环索应变传感器的安装座粘接于所述分叉点的浇铸接头的上下表面；所述环梁应力采集器外接四台钢环梁应变传感器，环梁应力采集器固设于钢环梁上，所述钢环梁应变传感器的安装座粘接于钢环梁表面且沿钢环梁中部的圆周间隔90°均匀分布；所述钢柱应力采集器外接四台钢柱应变传感器，钢柱应力采集器固设于钢柱柱脚上，所述钢柱应变传感器的安装座粘接于钢柱柱脚底部表面且沿钢柱圆周每隔90°均匀分布。

5.基于权利要求1所述的大跨度预应力拉索钢结构索力监测系统的监测方法，其监测步骤如下：

（1）监控主机启动多组布置在索桁架结构体系中的上、下径向索、环索和钢环梁、钢柱表面的应力采集器，各应力采集器通过外接的振弦式应变传感器采集振弦频率和温度作为结构件的应变值与温度值，其中的应变传感器的采样频率在施工过程的预应力张拉阶段设置为每分钟1次，其他阶段设置为每半小时1次；

（2）应力采集器定时采样后，应变值和温度值通过采集器无线传递至监控主机并以列表的形式存贮于监控主机的数据库内，同时，对应变值进行误差修正以消除数据的测量误差；

（3）通过数据库技术对监测到的海量数据进行筛选、管理与分析；

（4）通过内力计算方式获得上、下径向索的索头位置和环索的分叉点位置处的内力值，以及钢环梁中部和钢柱柱脚的内力值和弯矩值；

（5）由此，根据索力值与相应结构的内力值对应并相等的状况，则可间接获得各结构件的索力值。

6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于：所述步骤2中的测量误差包括测量系统误差和随机误差，其中测量系统误差消除采用修正或校准方法，随机误差可按误差理论进行传递和综合：

设y为结构件的内力参数，x_i为直接测量的结构件应力应变参数，则

，

设y的标准误差为S_y，xi的标准误差为S_r，则

对于y=x₁，x₂，...，x_n的情况，各物理量相对标准误差为S_y/y=e_y，S₁/x₁=e₁，S₂/x₂=e₂，S_r/x_r=e_r，则可以推导出随机误差系数为

。

7.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于：所述步骤4中的内力计算方法的计算公式为：

（1）拉索结构件的内力：；

其中，——拉索结构件测试部件的内力；

——拉索结构件测试部位应变值；

——拉索结构件截面积；

——拉索结构件弹性模量；

（2）钢环梁或钢柱的内力与弯矩：

其中：——钢构件测试部位轴力；

——钢构件测试部位弯矩；

——钢构件弹性模量；

——钢构件截面惯性矩；

——钢构件截面积；

——钢构件截面中心与外表面距离；

——钢构件外表面至传感器中心高度；

——钢构件测试部位应变值。