CN104899388A - 一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，包括S1、基于已有的监测数据，对结构进行环境荷载分区；S2、确定结构分区上的非均布荷载取值方法；S3、设置结构应力监测数据评估阈值；S4、结合已有的结构分区及分区荷载值，运用有限元软件进行实际环境荷载作用下结构应力场分布的模拟分析；S5、提取结构的应力响应数据进行评估。该方法运用已有的健康监测系统的温度实测数据与风速风压监测数据，对空间钢结构的实际温度荷载和风荷载非均匀分布实现较好的模拟，以此实现对结构环境荷载作用下的整体应力场的识别。通过同时对测点杆件及非测点杆件的应力进行评估，避免仅通过有限应力测点对结构整体的应力安全的评估中可能出现的问题。

Description

一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构健康监测，监测数据信息处理领域，具体涉及一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法。

背景技术

由于目前健康监测系统应用于桥梁结构工程的较为成熟，因此已有的结构状态评估方法大多是针对桥梁结构提出的。所采用的理论主要集中在可靠度理论，层次分析法、模糊理论、神经网络等。同时由于空间结构起步较晚，其结构的安全状态评估技术的研究不完善，而空间结构自身跨度，大面积分布以及材料主要以钢材为主的建筑特征，明显区别与桥梁等以混凝土结构类为主的建筑，使得这些领域的较为成熟的安全评估技术难以套用。

针对空间钢结构在温度作用下的应力场分布，在我国目前的结构设计与施工中，对结构温度作用的定义主要采用《建筑结构荷载规范》第9.3条均匀温度作用：“结构最高平均温度T_s,max和最低平均温度T_s,min宜分别根据基本气温T_max和T_min按热工学原理确定”。由结构最高、最低平均温度确定结构均匀温度作用标准值。其基本气温的取值规定为：“基本气温可采用规范规定的方法确定的50年重现期的月平均最高气温T_max和月平均最低气温T_min”。而随着结构的发展，特别是复杂空间钢结构，日照引起的温度差作用对结构的影响也不容忽视，因此，对于钢结构，其应考虑温度荷载作用的非均布性。

空间结构在运营阶段所受到的外界荷载分布往往呈非均匀分布。在不同的太阳照射情况下，所引起的结构表面非均匀温度场的作用可能导致结构产生不均温温度变形及过大的局部应力值。同时，对于复杂体型的结构，其表面的风场分布也存在差异，不同区域其风荷载作用值的大小不同。因此，有必要运用结构的实测温度数据、风速风压实测数据或风洞实验数据对结构进行分区，区别考虑结构不同区域的温度及风荷载作用，实现对结构应力场分布的获取。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，该方法包括以下步骤：

S1、基于已有的监测数据对结构进行环境荷载分区；

S2、确定结构分区上的非均布荷载取值方法；

S3、设置结构应力监测数据评估阈值；

S4、结合已有的结构分区及分区荷载值，运用有限元软件进行实际环境荷载作用下结构应力场分布的模拟分析；

S5、提取结构的应力响应数据进行评估。

进一步地，所述步骤S1中包括基于温度数据及拟合的初步分区和对太阳引起的非均匀温度场分布进行深化的确定；

所述基于温度数据及拟合的初步分区，具体包括以下步骤：

S11、对结构的实测温度测点在结构上的不同位置，对实测温度数据进行分组，给出其温度数据的时间序列图，并通过时间序列图的变化趋势，观察同一分组内的温度时程曲线变化的波动情况以及温度数值是否一致；不同分组内的温度时程曲线之间的数值是否存在差异；设结构上布置n个温度传感器，T∈R^m×n代表n个测点m个时刻的实测温度矩阵，即：

式中，T_max＝[T_1i,T_2i,...,T_mi]^Tm为第i个温度测点m个时刻的实测温度数据；根据温度传感器在结构上的布置位置不同，可将实测温度数据进行分组对比；

S12、通过复相关系数R-Square对拟合效果进行确定，R-Square复相关系数表达式如下：

$R^2=1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_i^{\′})}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-\stackrel{\‾}{T})}^2}=1-\frac{\mathrm{SSE}}{\mathrm{SST}}---\left(2\right)$

其中T′_i为拟合后的数值，SSE为方差，当R-Square复相关系数越接近于1越好；对比不同拟合方法得到的拟合结果和R-Square复相关系数，通过复相关系数进行拟合优劣的选取；

对太阳引起的非均匀温度场分布进行深化的确定，具体包括以下步骤：

S13、对于多个建筑物的日照与遮挡分析

S131、通过导入建筑图纸并使用Ecotect软件自带的建模工具进行模型建立；

S132、载入地理气候数据文件；

S133、设置地理位置信息；

S134、修改表面法线；

S135、进行日照与遮挡分析；

S14、对于单个建筑物的日照与遮挡分析

其具体的操作过程与步骤S13中多个建筑物的日照与遮挡分析相同，其差别在于对单个建筑进行日照与遮挡分析时其所建立的模型中仅有单个目标建筑物；

S15、基于太阳辐射量的结构深化分区

S151、在步骤S13中之S133的基础上对结构沿高度方向建立分析网格面板；

S152、调用分析网格进行结构的入射辐射分析进行分析；同时需设定结构的累积时间与入射太阳辐射分析的起止时间；

S153、结构的非均匀温度场的分区由太阳辐射量分布云图或者导出的辐射量数据进行划分。

进一步地，所述步骤S2中包括结构初始温度的确定和分区温度荷载值的确定；

S21、所述结构初始温度的确定采用以下方法：

S211、对于有合拢温度的钢结构，初始温度的选择，第一种方式由结构设计时设计院给定的合拢温度确定；第二种方式若在结构上存在温度传感器，则设k为结构合拢的时刻，可测得此时结构上的n个测点的温度矩阵如式3所示

T_k＝[T_k1,T_k2,...,T_kn]      (3)

则由结构上实测温度数据得到合拢温度计算公式如式4所示：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{kn}}---\left(4\right)$

S212、对于无合拢时刻的结构初始温度值的确定，由以下三种方法确定其初始温度值：其一，取结构竣工的当天温度值；其二，由布置在结构上的实测温度值求均值确定；其三，考虑到结构在运营过程中的温度荷载效应，避免出现过大的升温或降温荷载，将结构的初始温度定义为年温度均值；

S22、分区温度荷载值的确定：

$\stackrel{\‾}{T_j^i}=\underset{i=1}{\overset{j_k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{j_k}^i---\left(5\right)$

由各分区上的温度传感器的实测温度值进行确定，为一个时刻的值，则对在线分析，第i个分区的温度荷载取值计算公式如式5所示。

进一步地，所述步骤S3中设置结构应力监测数据评估阈值包括最不利工况的应力阈值选取、基于结构实测统计的动态应力阈值和钢材设计应力阈值。

本发明中的环境荷载作用包括温度作用和风荷载作用两种情况，上述内容是针对温度作用的，下面针对风荷载作用，具体说明如下：

所述步骤S1中当考虑结构的非均布风荷载影响时，主要分为简单体型和复杂体型两种类型的结构；

对于复杂体型的结构，当结构布置有风压传感器，无CFD数值模拟及风洞实验时，其结构分区通过对结构表面风压传感器的实测数据的分组对比得到，其分组对比过程与基于实测温度数据的结构温度场初步分区方法相同；当有结构的CFD数值模拟及风洞实验时，其结构分区按照数值模拟及风洞实验确定的体型系数分区分布确定。

进一步地，所述步骤S2中包括对结构表面的风荷载作用取值大小进行确定，具体分为以下几种方式：

(一)当结构表面存在风压传感器时，结构表面上的分区风荷载取值通过各区域上的风压传感器实测值进行确定；设整体结构非均布风荷载下结构划分为M个分区，每个分区的风压传感器个数为n_M个，则第j个分区的实测风压数据为：

W_j＝(W_1j,W_2j,...,W_njj)          (6)

式中W_ij表示第j分区内第i个测点实测风压值；

则第j个分区的风荷载取值计算公式如下

$\stackrel{\‾}{W_j}=\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ij}}---\left(7\right)$

(二)当所采用的传感器为风速仪时，根据Bernoulli方程，可得风速与风压之间的转换公式如下所示

$W_0=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{U}_0^2=\frac{U_0^2}{1600}---\left(8\right)$

式中U₀表示基本风速；W₀表示基本风压；

则可结合风速仪实测风速数据，通过上述转换公式(8)求得结构的基本风压值；

当结构体型较为简单时，其表面的风荷载值计算公式可以通过规范进行确定，其建筑物表面垂直方向上的风荷载标准值计算公式如(9)所示，系数值由规范确定；

W_i＝μ_s×W₀×μ_z×β_z  (9)

式中β_Z表示结构z高度处的风振系数；μ_Z表示风压高度变化系数；μ_S表示荷载体型系数；

当结构体型特殊、周围地形复杂时，式(9)中的各系数不能由规范得到，宜根据风洞实验确定。由风洞测压试验数据可以得到建筑物上某一局部的等效静态风压W_i计算公式如下

W_i＝W_H×C_pai×β_z＝μ_H×W₀×C_pai×β_z   (10)

式中C_pai表示测点i的风压系数平均值；

各局部区域的风荷载标准值由如下计算公式得到

W_i＝μ_si×W₀×μ_zi×β_z    (11)

则平均风压系数C_pai与局部体型系数μ_si的转换公式如下所示

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{si}}={\mathrm{\μ}}_H\×\frac{C_{\mathrm{pai}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zi}}}---\left(12\right)$

综上，由公式(11)与(12)可得整体结构某一局部的等效静态风压为

W_i＝μ_H×W₀×C_pai×β_z＝W₀×β_z×μ_si×μ_zi      (13)

式中μ_zi表示各测点的风压高度变化系数；

对于A类地貌，其计算公式为

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zi}}={\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{2\×0.12}\×1.379---\left(14\right)$

风振系数β_z由风振计算报告进行确定；

综上所述，当采用风压传感器对结构的风场进行监测时，结构各区的风荷载作用取值大小由公式(7)计算；当传感器为风速仪，且结构体型较为简单，则其结构风荷载作用取值大小由公式(9)结合实测风速数据计算得到；当传感器为风速仪，且结构体型复杂时，其风荷载作用取值大小由公式(13)结合实测风速数据计算得到。

进一步地，所述步骤S4中具体为对结构环境荷载作用进行有限元模拟计算，以此得到结构在环境荷载作用下的杆件应力；操作过程如下：

S41、建立结构的有限元模型；

S42、依据已有的非均布结构分区对整体结构进行区域划分，以便结构环境荷载的施加；

S43、对结构杆件进行环境荷载值的施加，并进行计算；

S44、提取与结构测点杆件对应的应力，以及结构其余非测点杆件应力的提取。

本发明针对非均布温度作用的结构分区，提出首先通过结合实测温度数据，结合实测与拟合方法，确定其结构温度场的初步分区；然后通过运用EcotectAnalysis软件，对结构进行多建筑及单建筑的日照与遮挡分析，确定结构的初步分区的正确性。同时运用EcotectAnalysis进行太阳辐射分析，完成结构的深化分区，从而确定非均匀温度场的结构分区。对风荷载下的结构分区，通过结构的风洞实验或数值模拟，确定其表面的风场分布。

本发明有益效果为：该方法能运用已有的健康监测系统的温度实测数据，对空间钢结构的实际温度荷载和风荷载非均匀分布实现较好的模拟，以此实现对结构环境荷载作用下的整体应力场的识别。通过同时对测点杆件及非测点杆件的应力进行评估，避免仅通过有限应力测点对结构整体的应力安全的评估中可能出现的问题。

附图说明

图1是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法流程图；

图2是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法之日照与遮挡分析流程图；

图3是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法之太阳辐射分析流程图；

图4是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法之风荷载的非均匀分布时的分区流程图；

图5是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法之离线应力分析流程图；

图6是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法之在线应力分析流程图；

图7是本发明空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法之结构整体应力在线评估流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明提供一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，该方法包括以下步骤：

S1、基于已有的监测数据，对结构进行环境荷载分区；

S2、确定结构分区上的非均布荷载取值方法；

S3、设置结构应力监测数据评估阈值；

S4、结合已有的结构分区及分区荷载值，运用有限元软件进行实际环境荷载作用下结构应力场分布的模拟分析；

S5、提取结构的应力响应数据进行评估。

所述步骤S1中包括基于温度数据及拟合的初步分区和对太阳引起的非均匀温度场分布进行深化的确定；

所述基于温度数据及拟合的初步分区，具体包括以下步骤：

S11、对结构的实测温度测点在结构上的不同位置，对实测温度数据进行分组，给出其温度数据的时间序列图，并通过时间序列图的变化趋势，观察同一分组内的温度时程曲线变化的波动情况以及温度数值是否一致；不同分组内的温度时程曲线之间的数值是否存在差异；设结构上布置n个温度传感器，T∈R^m×n代表n个测点m个时刻的实测温度矩阵，即：

式中，T_max＝[T_1i,T_2i,...,T_mi]^Tm为第i个温度测点m个时刻的实测温度数据；根据温度传感器在结构上的布置位置不同，可将实测温度数据进行分组对比；

S12、通过复相关系数R-Square对拟合效果进行确定。常用的拟合方法有：Fourier，Gaussian，Interpolant，Polynomial，Smoothing spline，Weibull等方法，对温度数据进行拟合有利于对分组的测点温度水平进行分析。不同的拟合方法的拟合效果可通过复相关系数R-Square进行确定。R-Square复相关系数表达式如下：

$R^2=1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_i^{\′})}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-\stackrel{\‾}{T})}^2}=1-\frac{\mathrm{SSE}}{\mathrm{SST}}---\left(2\right)$

其中T′_i为拟合后的数值，SSE为方差，当R-Square复相关系数越接近于1越好；对比不同拟合方法得到的拟合结果和R-Square复相关系数，通过复相关系数进行拟合优劣的选取；

下面是基于Ecotect Analysis的深化分区：

由于结构所处的地理位置往往不是正南正北，同时对于南北半球而言，在温度作用较强的夏季以及温度变化较大的冬季，太阳并不是严格的东升西落。因此，需借助于专业的分析软件，对太阳引起的非均匀温度场分布进行深化的确定，对于所要分析的建筑物若是处在一个建筑群中，即周围的建筑物可能对结构产生遮挡情况，应先进行多个建筑物的相互遮挡情况分析。

其Ecotect Analysis分析操作过程如下：

建模过程：对于简单体型建筑的模型，通过导入建筑CAD图纸并使用软件自带的建模工具进行快速的简单模型建立。所指建筑图纸如图2所示的“平，立，剖”主要是结构的平面图、立面图的结构的剖面图，当然建筑图纸还包括场地总图。对于复杂体型建筑的结构，不宜选择在EcotectAnalysis分析软件中建模，宜通过与其他软件间的数据交换方式来建立准确的模型。除了可导入Revit，3D MAX、等软件来建立CAD三维模型之外，EcotectAnalysis可识别DXF格式的文件。

如图2所示，

S13、对于多个建筑物的日照与遮挡分析

S131、通过导入建筑图纸并使用Ecotect软件自带的建模工具进行模型建立；

S132、载入地理气候数据文件；若所安装的版本中不自带相应地区的气象数据，可在网上下载相应格式的文档进行加载；

S133、设置地理位置信息；可通过“模型设置”设置结构的朝向；

S134、修改表面法线；由于结构表面的法线是区分一个面内外的标志，且准确的表面法线是正确计算日照，遮挡，热环境等分析的前提，因此应对表面法线进行调整。特别是对于导入的DXF模型，可能出现结构表面法线不正确的情况，应给予调整。

S135、进行日照与遮挡分析；

S14、对于单个建筑物的日照与遮挡分析：其具体的操作过程与步骤S13中多个建筑物的日照与遮挡分析相同，其差别在于对单个建筑进行日照与遮挡分析时其所建立的模型中仅有单个目标建筑物；

如图3所示，

S15、基于太阳辐射量的结构深化分区，结构表面的太阳辐射分析过程如下所示：

S151、首先导入正确的结构模型是分析的前提条件；具体为在步骤S13中之S133的基础上对结构沿高度方向建立分析网格面板，分析网格的尺寸设置与分析的精度有关；

S152、在设置完结构的分析网格时，调用分析网格进行结构的入射辐射分析进行分析；同时需设定结构的累积时间与入射太阳辐射分析的起止时间；

S153、结构的非均匀温度场的分区由太阳辐射量分布云图或者导出的辐射量数据进行划分。

本实施例中所述步骤S2中确定结构分区上的非均布荷载取值方法；结构的分区温度作用的大小主要是指结构上的温差变化。结构上的温差变化主要是考虑两方面进行确定。其一是结构的初始温度值，即结构在成为一个整体的受力体系时其结构的温度值，为结构后期计算其温度荷载效应时的初始温度值。结构的初始温度值一般考虑为均匀分布的温度场。其二是选定结构分析时刻的温度值。

S21、所述结构初始温度的确定采用以下方法：对于大跨空间钢结构，在考虑结构初始温度场时，可分为有合拢和无合拢时刻的结构。

S211、对于有合拢温度的钢结构，初始温度的选择，第一种方式由结构设计时设计院给定的合拢温度确定；第二种方式若在结构上存在温度传感器，则设k为结构合拢的时刻，可测得此时结构上的n个测点的温度矩阵如式3所示

T_k＝[T_k1,T_k2,...,T_kn]      (3)

则由结构上实测温度数据得到合拢温度计算公式如式4所示：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{kn}}---\left(4\right)$

S212、对于无合拢时刻的结构初始温度值的确定，由以下三种方法确定其初始温度值：其一，取结构竣工的当天温度值；其二，由布置在结构上的实测温度值求均值确定；其三，考虑到结构在运营过程中的温度荷载效应，避免出现过大的升温或降温荷载，将结构的初始温度定义为年温度均值；

S22、关于分区温度荷载值的确定：

对结构在线应力状态进行评估，需考虑结构实时的温度荷载作用大小，因此，结构上各分区的温度值可由各分区上的温度传感器的实测温度值进行确定。为一个时刻的值。则对在线分析，第i个分区的温度荷载取值计算公式如式5所示：

$\stackrel{\‾}{T_j^i}=\underset{i=1}{\overset{j_k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{j_k}^i---\left(5\right)$

本实施例中所述步骤S3中对结构应力场的评估阈值提出了三种阈值的确定方法，主要包括以下三种应力阈值：最不利工况的应力阈值选取、基于结构实测统计的动态应力阈值和钢材设计应力阈值。

(1)最不利工况的应力阈值选取

结构的温度荷载效应的最不利工况为，考虑结构的年实测温度数据，对各个部位上的温度传感器实测值进行统计，得到在一年中的温度最大值与最小值，同时结合结构设定的初始温度值，考虑结构极大升温和极大降温工况。此阈值的优势在于，随着监测过程的推移，实测温度的最大值与最小值存在变化，则该最不利工况的应力阈值具有可更新的功能，更为贴近结构实际的运营环境，可有效的对结构出现新温度极值工况下的应力进行评估。

(2)基于结构实测统计的动态应力阈值

为充分利用结构历史应力监测数据，对已有的监测数据进行统计分析，取各测点的最大值，通过有限元模拟判断该应力取值下结构是否安全，若结构是安全的，则将此应力值取为结构的评估限值，若此时结构为异常状态，则不将该应力最大值取为动态阈值，取下一个最大值进行结构的应力分析，直到确定阈值的取值大小为止。对于此评估阈值，在下一次的评估中，若有超过此阈值且结构是安全的，则可更新此阈值。

(3)钢材设计应力阈值

按照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)3.4.1条规定，钢材的强度设计值，如Q345钢材的强度设计值应根据钢材厚度或直径按表1，表2采用。结合结构实布测点的钢材厚度，可以得出测点及非测点杆件的钢材设计应力取值。

表1 Q345钢材的强度设计值(N/mm²)

表2钢材的组别分类

如图4所示，所述步骤S1中当考虑结构的非均布风荷载影响时，主要分为两种类型的结构，简单体型和复杂体型的结构。现行的《建筑结构荷载规范》[52]30-63第8条风荷载的相关规定，提供了简单体型的结构风荷载计算方法，而对于体型特殊、周围地形复杂的建筑，规范未给出其体型系数，并规定：对于重要且体型复杂的房屋及构筑物，应由风洞试验确定。结合以上规范规定，本文在考虑结构上风荷载的非均匀分布时，其结构的分区方法如图2-5所示。对于复杂体型的结构，当结构布置有风压传感器，无CFD数值模拟及风洞实验时，其结构分区通过对结构表面风压传感器的实测数据的分组对比得到，其分组对比过程与基于实测温度数据的结构温度场初步分区方法相同；当有结构的CFD数值模拟及风洞实验时，其结构分区按照数值模拟及风洞实验确定的体型系数分区分布确定。

本实施例中考虑结构健康监测中采用风压传感器或风速仪对结构进行风场监测，所述步骤S2中还包括对结构表面的风荷载作用取值大小进行确定，具体分为以下几种方式：

(一)当结构表面存在风压传感器时，结构表面上的分区风荷载取值通过各区域上的风压传感器实测值进行确定；设整体结构非均布风荷载下结构划分为M个分区，每个分区的风压传感器个数为n_M个，则第j个分区的实测风压数据为：

W_j＝(W_1j,W_2j,...,W_njj)          (6)

式中W_ij表示第j分区内第i个测点实测风压值；

则第j个分区的风荷载取值计算公式如下

$\stackrel{\‾}{W_j}=\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ij}}---\left(7\right)$

(二)当所采用的传感器为风速仪时，根据Bernoulli方程，可得风速与风压之间的转换公式如下所示

$W_0=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{U}_0^2=\frac{U_0^2}{1600}---\left(8\right)$

式中U₀表示基本风速；W₀表示基本风压；

则可结合风速仪实测风速数据，通过上述转换公式(8)求得结构的基本风压值；

当结构体型较为简单时，其表面的风荷载值计算公式可以通过规范进行确定，其建筑物表面垂直方向上的风荷载标准值计算公式如(9)所示，系数值由规范确定；

W_i＝μ_s×W₀×μ_z×β_z  (9)

式中β_Z表示结构z高度处的风振系数；μ_Z表示风压高度变化系数；μ_S表示荷载体型系数；

当结构体型特殊、周围地形复杂时，式(9)中的各系数不能由规范得到，宜根据风洞实验确定。由风洞测压试验数据可以得到建筑物上某一局部的等效静态风压W_i计算公式如下

W_i＝W_H×C_pai×β_z＝μ_H×W₀×C_pai×β_z    (10)

式中C_pai表示测点i的风压系数平均值；

各局部区域的风荷载标准值由如下计算公式得到

W_i＝μ_si×W₀×μ_zi×β_z      (11)

则平均风压系数C_pai与局部体型系数μ_si的转换公式如下所示

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{si}}={\mathrm{\μ}}_H\×\frac{C_{\mathrm{pai}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zi}}}---\left(12\right)$

综上，由公式(11)与(12)可得整体结构某一局部的等效静态风压为

W_i＝μ_H×W₀×C_pai×β_z＝W₀×β_z×μ_si×μ_zi       (13)

式中μ_zi表示各测点的风压高度变化系数；

对于A类地貌，其计算公式为

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zi}}={\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{2\×0.12}\×1.379---\left(14\right)$

风振系数β_z由风振计算报告进行确定；

综上所述，当采用风压传感器对结构的风场进行监测时，结构各区的风荷载作用取值大小由公式(7)计算；当传感器为风速仪，且结构体型较为简单，则其结构风荷载作用取值大小由公式(9)结合实测风速数据计算得到；当传感器为风速仪，且结构体型复杂时，其风荷载作用取值大小由公式(13)结合实测风速数据计算得到。

本实施例所述步骤S4中主要过程为对结构环境荷载作用进行有限元模拟计算，以此得到结构在环境作用下的杆件应力。通过实时测得的温度数据和风力数据，对不用的分区温度荷载和风载荷取值进行确定并施加，实现对结构应力场的在线模拟，同时，已有的应力测点数据可用来检验有限元模拟计算是否符合结构的应力场分布状况。操作过程如下：

S41、建立结构的有限元模型，可在Midas Gen，ANSYS等可分析结构的软件中建立结构的整体模型；

S42、依据已有的非均布结构分区对整体结构进行区域划分，以便结构环境荷载的施加；

S43、对结构杆件进行环境荷载值的施加，并进行计算；

S44、提取与结构测点杆件对应的温度和/或风力应力，以及结构其余非测点杆件应力的提取。

运用结构健康监测的应力监测数据对结构进行安全评估时，对于复杂空间结构，由于实际布置的应力测点的有限性以及环境荷载的变化，并不能保证应力监测点的位置即为结构最不利的位置。所以，仅对监测点的应力进行评估是不够的。

本实施例中给出结构非均布荷载下的结构分区以及分区上的荷载取值，提出结构的在线及离线应力分析与评估方法。运用有限测点的环境荷载监测量，获得结构整体环境荷载分布情况，通过有限元分析达到对结构整体应力分布的识别，从而实现对结构测点及非测点部位的杆件应力评估。实现由有限测点识别结构整体应力分布，为结构的整体评估提供有效的应力分析方法，得到结构测点及非测点杆件的应力。

如图5或图6所示，所述步骤S5中的评估包括在线应力分析和离线应力分析；在线应力分析主要考虑结构实时环境荷载下的结构应力场分布，离线应力分析则是基于历史监测数据，考虑结构在月环境荷载水平下的结构应力场分布。在线应力分析过程为基于已有的结构分区与荷载计算方法，结合结构实测的温度及风速数据，给出结构的实时环境荷载分布情况，通过有限元分析得到结构实时应力场分布。离线应力分析过程为基于已有的结构分区及荷载计算方法，结合结构历史温度监测数据及所处环境的风向玫瑰图与季风变化基本特征，给出结构在月温度及风作用下的荷载分布情况，通过有限元分析得到结构应力场分布，实现由历史数据对结构应力场分布水平的识别。

对结构整体应力场分布进行安全评估时主要考虑测点杆件应力评估及非测点杆件应力的评估。测点杆件的应力值可由结构健康监测系统的实测应力数据给出，而对非测点杆件应力值分布情况，基于结构有温度实测数据和风速风压数据，通过结构分区及在线的应力计算方法，得到结构实时的非均布荷载分布情况。对实测应力数据及非测点模拟应力数据进行阈值对比时，对比顺序分别为基于结构实测统计的动态应力阈值，最不利工况的应力阈值，钢材设计应力阈值。按此三个等级对结构分布的应力场进行评估。同时，进行非测点杆件的应力阈值对比时，考虑结构的杆件数量较多，可通过对结构杆件的温度、风力应力值进行排序，提取应力绝对值处于前10％的杆件进行最不利阈值对比，提高对非测点杆件应力评估效率。

现结合图7对结构整体应力在线评估做简要说明：

结构安全评估的基本过程如图3-5所示。对结构整体应力场分布进行安全评估时主要分为测点杆件应力及非测点杆件应力的评估。测点杆件的应力值可由结构健康监测系统实测应力数据给出，而对非测点杆件应力值分布情况，主要考虑在线与离线两种情况分析得到。首先是基于结构有温度实测数据与风速风压数据，结合结构分区及在线应力分析方法，得到结构实时的应力场分布情况；其次是考虑结构在无实测温度及风速风压数据，结合结构的历史温度监测数据及结构所处环境的基本风向玫瑰图及季风变化基本特征，通过结构离线应力分析，识别结构的非实测杆件应力分布情况。最后，结合结构实测杆件应力及由应力分析得到的结构非测点杆件应力，通过对比其安全评估阈值，完成对整体结构的安全评估。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1、基于已有的监测数据，对结构进行环境荷载分区；

S2、确定结构分区上的非均布荷载取值方法；

S3、设置结构应力监测数据评估阈值；

S4、结合已有的结构分区及分区荷载值，运用有限元软件进行实际环境荷载作用下结构应力场分布的模拟分析；

S5、提取结构的应力响应数据进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S1中包括基于温度数据及拟合的初步分区和对太阳引起的非均匀温度场分布进行深化的确定；

所述基于温度数据及拟合的初步分区，具体包括以下步骤：

S11、对结构上的不同位置的实测温度数据进行分组，给出其温度数据的时间序列图，并通过时间序列图的变化趋势，观察同一分组内的温度时程曲线变化的波动情况以及温度数值是否一致；不同分组内的温度时程曲线之间的数值是否存在差异；设结构上布置n个温度传感器，T∈R^m×n代表n个测点m个时刻的实测温度矩阵，即：

式中，T_max＝[T_1i,T_2i,...,T_mi]^Tm为第i个温度测点m个时刻的实测温度数据；根据温度传感器在结构上的布置位置不同，可将实测温度数据进行分组对比；

S12、通过复相关系数R-Square对拟合效果进行确定，R-Square复相关系数表达式如下：

$R^2=1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_i^{\′})}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-\stackrel{\‾}{T})}^2}=1-\frac{\mathrm{SSE}}{\mathrm{SST}}---\left(2\right)$

其中T_i′为拟合后的数值，SSE为方差，当R-Square复相关系数越接近于1越好；对比不同拟合方法得到的拟合结果和R-Square复相关系数，通过复相关系数进行拟合优劣的选取；

对太阳引起的非均匀温度场分布进行深化的确定，具体包括以下步骤：

S13、对于多个建筑物的日照与遮挡分析

S131、通过导入建筑图纸并使用Ecotect软件自带的建模工具进行模型建立；

S132、载入地理气候数据文件；

S133、设置地理位置信息；

S134、修改表面法线；

S135、进行日照与遮挡分析；

S14、对于单个建筑物的日照与遮挡分析

其具体的操作过程与步骤S13中多个建筑物的日照与遮挡分析相同，其差别在于对单个建筑进行日照与遮挡分析时其所建立的模型中仅有单个目标建筑物；

S15、基于太阳辐射量的结构深化分区

S151、在步骤S13中之S133的基础上对结构沿高度方向建立分析网格面板；

S152、调用分析网格进行结构的入射辐射分析进行分析；同时需设定结构的累积时间与入射太阳辐射分析的起止时间；

S153、结构的非均匀温度场的分区由太阳辐射量分布云图或者导出的辐射量数据进行划分。

3.根据权利要求1所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S2中包括结构初始温度的确定和分区温度荷载值的确定；

S21、所述结构初始温度的确定采用以下方法：

S211、对于有合拢温度的钢结构，初始温度的选择，第一种方式由结构设计时设计院给定的合拢温度确定；第二种方式若在结构上存在温度传感器，则设k为结构合拢的时刻，可测得此时结构上的n个测点的温度矩阵如式3所示

T_k＝[T_k1,T_k2,...,T_kn]    (3)

则由结构上实测温度数据得到合拢温度计算公式如式4所示：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{kn}}---\left(4\right)$

S212、对于无合拢时刻的结构初始温度值的确定，由以下三种方法确定其初始温度值：其一，取结构竣工的当天温度值；其二，由布置在结构上的实测温度值求均值确定；其三，考虑到结构在运营过程中的温度荷载效应，避免出现过大的升温或降温荷载，将结构的初始温度定义为年温度均值；

S22、分区温度荷载值的确定：

$\stackrel{\‾}{T_j^i}=\underset{i=1}{\overset{j_k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{j_k}^i---\left(5\right)$

由各分区上的温度传感器的实测温度值进行确定，为一个时刻的值，则对在线分析，第i个分区的温度荷载取值计算公式如式5所示。

4.根据权利要求1所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S3中设置结构应力监测数据评估阈值包括最不利工况的应力阈值选取、基于结构实测统计的动态应力阈值和钢材设计应力阈值。

5.根据权利要求1或2所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S1中当考虑结构的非均布风荷载影响时，主要分为简单体型和复杂体型两种类型的结构；

对于复杂体型的结构，当结构布置有风压传感器，无CFD数值模拟及风洞实验时，其结构分区通过对结构表面风压传感器的实测数据的分组对比得到，其分组对比过程与基于实测温度数据的结构温度场初步分区方法相同；当有结构的CFD数值模拟及风洞实验时，其结构分区按照数值模拟及风洞实验确定的体型系数分区分布确定。

6.根据权利要求1所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S2中包括对结构表面的风荷载作用取值大小进行确定，具体分为以下几种方式：

(一)当结构表面存在风压传感器时，结构表面上的分区风荷载取值通过各区域上的风压传感器实测值进行确定；设整体结构非均布风荷载下结构划分为M个分区，每个分区的风压传感器个数为n_M个，则第j个分区的实测风压数据为：

$W_j=(W_{1j},W_{2j},...,W_{n_{j}j})---\left(6\right),(2-13)$

式中W_ij表示第j分区内第i个测点实测风压值；

则第j个分区的风荷载取值计算公式如下

$\stackrel{\‾}{W_j}=\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ij}}---\left(7\right),(2-14)$

(二)当所采用的传感器为风速仪时，根据Bernoulli方程，可得风速与风压之间的转换公式如下所示

$W_0=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{U}_0^2=\frac{U_0^2}{1600}---\left(8\right),(2-15)$

式中U₀表示基本风速；W₀表示基本风压；

则可结合风速仪实测风速数据，通过上述转换公式(8)求得结构的基本风压值；

当结构体型较为简单时，其表面的风荷载值计算公式可以通过规范进行确定，其建筑物表面垂直方向上的风荷载标准值计算公式如(9)所示，系数值由规范确定；

W_i＝μ_s×W₀×μ_z×β_z  (9) (2-16)

式中β_Z表示结构z高度处的风振系数；μ_Z表示风压高度变化系数；μ_S表示荷载体型系数；

当结构体型特殊、周围地形复杂时，式(9)中的各系数不能由规范得到，宜根据风洞实验确定。由风洞测压试验数据可以得到建筑物上某一局部的等效静态风压W_i计算公式如下

W_i＝W_H×C_pai×β_z＝μ_H×W₀×C_pai×β_z     (10) (2-17)

式中C_pai表示测点i的风压系数平均值；

各局部区域的风荷载标准值由如下计算公式得到

W_i＝μ_si×W₀×μ_zi×β_z    (11) (2-18)

则平均风压系数C_pai与局部体型系数μ_si的转换公式如下所示

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{si}}={\mathrm{\μ}}_H\×\frac{C_{\mathrm{pai}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zi}}}---\left(12\right),(2-19)$

综上，由公式(11)与(12)可得整体结构某一局部的等效静态风压为

W_i＝μ_H×W₀×C_pai×β_z＝W₀×β_z×μ_si×μ_zi        (13) (2-20)

式中μ_zi表示各测点的风压高度变化系数；

对于A类地貌，其计算公式为

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zi}}={\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{2\×0.12}\×1.379---\left(14\right),(2-21)$

风振系数β_z由风振计算报告进行确定；

综上所述，当采用风压传感器对结构的风场进行监测时，结构各区的风荷载作用取值大小由公式(7)计算；当传感器为风速仪，且结构体型较为简单，则其结构风荷载作用取值大小由公式(9)结合实测风速数据计算得到；当传感器为风速仪，且结构体型复杂时，其风荷载作用取值大小由公式(13)结合实测风速数据计算得到。

7.根据权利要求1所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S4中具体为对结构环境荷载作用进行有限元模拟计算，以此得到结构在环境荷载作用下的杆件应力；操作过程如下：

S41、建立结构的有限元模型；

S42、依据已有的非均布结构分区对整体结构进行区域划分，以便结构环境荷载的施加；

S43、对结构杆件进行环境荷载值的施加，并进行计算；

S44、提取与结构测点杆件对应的温度和/或风力应力，以及结构其余非测点杆件应力的提取。

8.根据权利要求1所述的一种空间钢结构环境荷载作用下的结构安全评估方法，其特征在于：所述步骤S5中的评估包括在线应力分析和离线应力分析；

在线应力分析主要考虑结构实时环境荷载下的结构应力场分布，离线应力分析则是基于历史监测数据，考虑结构在月环境荷载水平下的结构应力场分布。在线应力分析过程为基于已有的结构分区与荷载计算方法，结合结构实测的温度及风速数据，给出结构的实时环境荷载分布情况，通过有限元分析得到结构实时应力场分布。离线应力分析过程为基于已有的结构分区及荷载计算方法，结合结构历史温度监测数据及所处环境的风向玫瑰图与季风变化基本特征，给出结构在月温度及风作用下的荷载分布情况，通过有限元分析得到结构应力场分布，实现由历史数据对结构应力场分布水平的识别。