CN105205255B - 金属屋面损伤评估方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种金属屋面损伤评估方法和系统。其中，金属屋面损伤评估方法包括：获取金属屋面的状态参数，其中，状态参数包括金属屋面的实际形变量；基于实际形变量大于预定形变量，确定与实际形变量对应的损伤；基于与实际形变量对应的损伤确定损伤积累；以及基于损伤状态量确定金属屋面的损伤状态，其中，损伤状态量包括损伤积累。按照本申请的方案，能够对金属屋面的损伤程度给出指标并进行剩余寿命预测，为设计校核阶段的提供数据支撑并且对金属屋面的视情维护提供有力的依据。

Description

金属屋面损伤评估方法和系统

技术领域

本公开一般涉及建筑物强度评估领域，尤其涉及金属屋面损伤评估方法和系统。

背景技术

金属屋面是指采用金属板材作为屋盖材料，用金属板材将结构层和防水层包覆在内的屋盖形式。金属板材的种类很多，例如，锌板、镀铝锌板、铝合金板、铝镁合金板、钛合金板、铜板、不锈钢板等。

建筑物例如金属屋面的损伤评估由于技术的限制现在广泛的应用是依靠维修人员的检修，检测的依据主要靠维修人员的经验和辅以一定的主动检测设备。近些年一些大桥和大坝等大型建筑采用了先进的健康管理的系统，实现了远程实时的监测并依此进行视情维修，具有无线传感器，数据管理，远程遥控的健康管理系统是现阶段建筑物健康管理系统的发展趋势。

然而，现有技术中，金属屋面的设计校核阶段主要考虑的是屋面结构的强度，并没有考虑到实际建筑结构使用过程中的损伤积累。一般的建筑物使用人工进行检修费时费力，并不能取得很好的结果。大部分健康管理系统一般只对一些被监测量(应力、形变)设定预定形变量，当超出预定形变量后进行警报和维修，这样虽然节约了维护成本，只是解决了健康管理的初级问题即损伤的监测，并没有对损伤的发展过程和损伤的程度有直观的认识。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种金属屋面损伤评估方法和系统，旨在解决如上所述的一个或多个技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种金属屋面损伤评估方法，包括：获取金属屋面的状态参数，其中，状态参数包括金属屋面的实际形变量；基于实际形变量大于预定形变量，确定与实际形变量对应的损伤；基于与实际形变量对应的损伤确定损伤积累；以及基于损伤状态量确定金属屋面的损伤状态，其中，损伤状态量包括损伤积累。

第二方面，本申请实施例还提供了一种金属屋面损伤评估系统，包括：获取装置，用于获取金属屋面的状态参数，其中，状态参数包括金属屋面的实际形变量；损伤确定装置，用于基于实际形变量大于预定形变量，确定与实际形变量对应的损伤；损伤积累确定装置，用于基于与实际形变量对应的损伤确定损伤积累；以及损伤状态确定装置，用于基于损伤状态量确定金属屋面的损伤状态，其中，损伤状态量包括损伤积累。

本申请实施例提供的金属屋面损伤评估方法和系统，通过对实时监测数据，历史数据和天气数据等数据库的算法设计，能够对金属屋面的损伤程度给出指标并进行剩余寿命预测，为设计校核阶段的提供数据支撑并且对金属屋面的视情维护提供有力的依据。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了根据本申请一个实施例的金属屋面损伤评估方法的示意性流程图；

图2示出了金属屋面的应力-应变曲线的示意图；

图3示出了根据本申请一个实施例的金属屋面损伤评估系统的示意性结构图；

图4示出了本申请的金属屋面损伤评估系统的一个应用场景的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参见图1所示，为根据本申请一个实施例的金属屋面损伤评估方法的示意性流程图100。

具体而言，在步骤110中，获取金属屋面的状态参数。其中，状态参数包括金属屋面的实际形变量。

在一些可选的实现方式中，例如，可以在金属屋面的一些位置设置传感器，以采集金属屋面的状态参数。在这里，状态参数例如可以包括金属屋面的实际形变量等。

接着，在步骤120中，基于实际形变量大于预定形变量，确定与实际形变量对应的损伤。在这里，“损伤”一词的含义例如可以是金属屋面在复杂的天气载荷下，由细观结构的缺陷造成的材料结构和性能的逐渐劣化。

损伤在微观上最初表现为肉眼不能够观察的裂纹。随着损伤的积累，裂纹扩展，变为外观上能够辨识的裂纹和塑性形变，最终裂纹积累到一定程度材料发生断裂，即破坏。性能上的劣化例如可以表现在屈服强度和杨氏模量的减小。受此影响，金属屋面在载荷下的形变会变大，承载能力相应降低，进而增大发生事故的几率。

在一些可选的实现方式中，可以对损伤进行定量的表示。例如，可以根据金属屋面的形变量的具体数值来获得损伤的具体数值。

或者，在另一些可选的实现方式中，也可以对损伤进行定性的表示。例如，可以根据金属屋面的形变量所处的值域范围，来定性地将损伤分为小损伤、中等损伤和大损伤。

在本步骤中，仅在实际形变量大于预定形变量时，确定与该实际形变量对应的损伤。由于损伤与实际形变量正相关，通过适当选择预定形变量的大小，可以平衡计算代价和计算得到的金属屋面损伤的准确程度。也即是说，在预定型变量选择恰当时，可以较为客观、准确地得到金属屋面的损伤的定量描述，并且计算量在可接受的范围。在实际应用时，例如，可以采用实验的方式来确定预定形变量的具体数值。

接着，在步骤130中，基于与实际形变量对应的损伤确定损伤积累。

由于损伤积累会导致金属屋面性能劣化，因此判断金属屋面失效的条件并不是材料发生疲劳破坏时，而是在金属屋面达到一定的损伤程度，使得金属板的性能难以满足建筑结构的功能需求时。

一般工程上金属材料的塑性形变达到工件使用长度的一定比例就视为失效。在一些实现方式中，例如可以用损伤度D来描述金属屋面的损伤程度。例如，损伤度D可以由如下公式计算：

损伤度的物理意义是表示由于损伤而丧失承载能力的面积与初始无损伤面积之比，其中为材料的有效承载面积，A表示原面积。因此，基于公式(1)，损伤度是一个0～1的值，0表示完全没有损伤，1表示发生疲劳破坏。损伤度的定义是从细观上进行定义的，而实际情况下我们几乎不可能直接监测到金属面的损伤程度，需要通过损伤积累的模型进行计算或者找到表征损伤程度的宏观上的特征变量例如塑性形变量。

接着，在步骤140中，基于损伤状态量确定金属屋面的损伤状态，其中，损伤状态量包括损伤积累。

在一些可选的实现方式中，例如可以将预定形变量设定为与金属屋面不产生塑性形变的最大形变对应的形变量。

参见图2所示，为金属屋面的应力-应变曲线，该曲线可以材料的固有力学性能，在弹性形变范围内，如图2所示，应力-应变曲线往返的路径是一致的。例如，当应力小于门限值σ_s时(对应曲线上的A点)，随着应力σ的增大，应变ε增大，而当应力减少至零时，应变量随之减小至零。

然而当应力σ超过σ_s后，去掉应力作用时，金属屋面不能恢复原形，有一部分形变会保存下来。在应力去掉以后立即消失的形变(即图2中C、E二点之间的距离)为弹性形变，除此之外被保留下来的部分(即图2中O、C二点之间的距离)为非弹性形变(即塑性形变)。在弹性形变中，有一部分(即图2中D、C二点之间的距离)会随时间增长而消失，最后不能消失的部分(即图2中O、D二点之间的距离)为永久形变，这一部分能量残余造成了金属屋面裂纹的拓展和塑性形变的积累。因此，将预定形变量设定为与金属屋面不产生塑性形变的最大形变对应的形变量，可以只对这些形变量计算金属屋面相应的损伤，从而可以减小计算量，提高计算效率。

在一些可选的实现方式中，步骤120中的基于实际形变量大于预定形变量，确定与实际形变量对应的损伤可以采用如下公式(2)来进行计算：

其中，D_i为第i次损伤，为第i次形变的形变量，为金属屋面所采用的金属材料的极限挠度。金属材料的极限挠度例如可以通过对金属材料进行单项拉伸试验来获得。

在一些可选的实现方式中，步骤130的基于与实际形变量对应的损伤确定损伤积累可以采用如下公式(3)来进行计算：

D＝Σβ_iD_i (3)

其中，D为损伤积累，β_i为与第i次损伤对应的权值，由于形变量越大，对金属屋面造成的损伤越大，因此，在一些可选的实现方式中，权值β_i与第i次形变的形变量正相关。

在一些可选的实现方式中，损伤状态量除了包括损伤积累之外，还可以包括塑性型变量和金属屋面的连接件状态。

在这些可选的实现方式中，步骤140的基于损伤状态量确定金属屋面的损伤状态还可以包括：

基于与损伤积累对应的损伤状态、与塑性型变量对应的损伤状态和与金属屋面的连接件状态对应的损伤状态之和，确定金属屋面的损伤状态。

其中：

与损伤积累对应的损伤状态

在这里，D为损伤积累，D_c为金属屋面达到疲劳极限时的损伤积累临界值。

与塑性型变量对应的损伤状态

在这里，R为塑性形变量的测量值，例如，可以通过传感器获取。R_c为塑性形变量的阈值，例如，一般工程上可以以材料使用长度的5％作为塑性变量的阈值。

与金属屋面的连接件状态对应的损伤状态H₀为

当连接件松动时，H₀＝1，否则，H₀＝0。

在一些可选的实现方式中，例如，连接件可以是螺栓或者是销钉等连接件。在这些可选的实现方式中，例如，可以采用接近开关来采集连接件状态。当连接件和与之连接的被连接件之间的距离超过一预设值时，可认为连接件松动，此时，H₀＝1。当连接件和与之连接的被连接件之间的距离未超过该预设值时，可认为连接件处于正常工作状态，此时，H₀＝0。

这样一来，金属屋面的损伤状态可以用公式(4)来计算：

从公式(4)中可以看出，损伤状态H的取值范围介于0～1之间。且H值越小，可说明当前金属屋面的损伤越小，反之，H值越大，说明当前金属屋面的损伤越大。

此外，在另一些可选的实现方式中，还可以结合同物理特性的金属屋面的历史数据和金属屋面所处空间位置的天气数据来综合评价其损伤状态，从而使得其更加接近金属屋面的真实的损伤状态。

在一些可选的实现方式中，本实施例的金属屋面的损伤评估方法还可以包括：

步骤150，基于金属屋面的损伤状态确定金属屋面的剩余寿命。

例如，在一些可选的实现方式中，可以基于仿真求得金属屋面的预期寿命T_s，并根据预期寿命T_s和金属屋面的损伤状态求取金属屋面的剩余寿命T_l。

在这些实现方式中，例如，可以用公式(5)来计算剩余寿命：

T_l＝(1-H)T_s (5)

或者，在另一些可选的实现方式中，可以假定金属屋面的损伤积累速度是匀速的。在这些可选的实现方式中，例如，金属屋面的实际使用时间为T_u，且当前损伤状态为H，可以用公式(6)来计算剩余寿命：

参见图3所示，为本申请实施例的金属屋面损伤评估系统的示意性结构图300。

如图3所示，本实施例的金属屋面损伤评估系统300可包括获取装置310、损伤确定装置320、损伤积累确定装置330以及损伤状态确定装置340。

具体而言，获取装置310可用于获取金属屋面的状态参数，其中，状态参数可包括金属屋面的实际形变量。

损伤确定装置320可用于基于实际形变量大于预定形变量，确定与实际形变量对应的损伤。

损伤积累确定装置330可用于基于与实际形变量对应的损伤确定损伤积累。

损伤状态确定装置340可用于基于损伤状态量确定金属屋面的损伤状态，其中，损伤状态量包括损伤积累。

在一些可选的实现方式中，预定形变量例如可以为与金属屋面不产生塑性形变的最大形变对应的形变量。

在一些可选的实现方式中，损伤确定装置320可进一步用于确定：

其中，D_i为第i次损伤，为第i次形变的形变量，为金属屋面所采用的金属材料的极限挠度。

在一些可选的实现方式中，损伤积累确定装置330可进一步用于确定：

其中，D为损伤积累，β_i为与第i次损伤对应的权值，且β_i与正相关。

在一些可选的实现方式中，损伤状态量还包括塑性型变量和金属屋面的连接件状态。

在这些可选的实现方式中，损伤状态确定装置340还可进一步用于：

基于与损伤积累对应的损伤状态、与塑性型变量对应的损伤状态和与金属屋面的连接件状态对应的损伤状态之和，确定金属屋面的损伤状态。

其中：

与损伤积累对应的损伤状态

与塑性型变量对应的损伤状态

与金属屋面的连接件状态对应的损伤状态H₀为

当连接件松动时，H₀＝1，否则，H₀＝0；

金属屋面的损伤状态

在一些可选的实现方式中，本申请实施例的金属屋面损伤评估系统300还可以包括剩余寿命确定装置350。剩余寿命确定装置350可用于基于金属屋面的损伤状态确定金属屋面的剩余寿命。

参见图4所示，为本申请实施例的金属屋面损伤评估系统的一种应用场景的示意图400。

在图4所示的应用场景中，例如，金属屋面损伤评估系统430可以基于实时数据410和历史数据420来评估金属屋面的损伤状态和/或剩余寿命，并将评估结果发送至显示装置进行实时显示440。当金属屋面损伤评估系统430的评估结果表示有安全隐患时，还可以将实时显示的显示内容(例如，金属屋面的损伤状态、剩余寿命等信息)发送至相应的报警模块进行报警450。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括获取单元、损伤确定单元、损伤积累确定单元以及损伤状态确定单元。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定，例如，获取单元还可以被描述为“用于获取金属屋面的状态参数的单元”。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中所述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的公式输入方法。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种金属屋面损伤评估方法，其特征在于，包括：

获取金属屋面的状态参数，其中，所述状态参数包括所述金属屋面的实际形变量；

基于所述实际形变量大于预定形变量，确定与所述实际形变量对应的损伤；其中，所述基于所述实际形变量大于预定形变量，确定与所述实际形变量对应的损伤包括：

其中，Di为第i次损伤，为第i次形变的形变量，为所述金属屋面所采用的金属材料的极限挠度；

基于所述与所述实际形变量对应的损伤确定损伤积累；其中，所述基于所述与所述实际形变量对应的损伤确定损伤积累包括：

D＝∑β_iD_i；其中，D为损伤积累，β_i为与第i次损伤对应的权值，且β_i与正相关；

以及

基于损伤状态量确定所述金属屋面的损伤状态，其中，所述损伤状态量包括所述损伤积累；

所述损伤状态量还包括塑性型变量和所述金属屋面的连接件状态，所述基于损伤状态量确定所述金属屋面的损伤状态包括：

基于与所述损伤积累对应的损伤状态、与所述塑性型变量对应的损伤状态和与所述金属屋面的连接件状态对应的损伤状态之和，确定所述金属屋面的损伤状态；

其中：

与所述损伤积累对应的损伤状态

与所述塑性型变量对应的损伤状态

与所述金属屋面的连接件状态对应的损伤状态H₀为

当所述连接件松动时，H₀＝1，否则，H₀＝0；

所述金属屋面的损伤状态

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述预定形变量为与所述金属屋面不产生塑性形变的最大形变对应的形变量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述金属屋面的损伤状态确定所述金属屋面的剩余寿命。

4.一种金属屋面损伤评估系统，其特征在于，包括：

获取装置，用于获取金属屋面的状态参数，其中，所述状态参数包括所述金属屋面的实际形变量；

损伤确定装置，用于基于所述实际形变量大于预定形变量，确定与所述实际形变量对应的损伤；其中，所述损伤确定装置进一步用于确定：

其中，D_i为第i次损伤，为第i次形变的形变量，为所述金属屋面所采用的金属材料的极限挠度；

损伤积累确定装置，用于基于所述与所述实际形变量对应的损伤确定损伤积累；其中，所述损伤积累确定装置进一步用于确定：

D＝∑β_iD_i；

其中，D为损伤积累，β_i为与第i次损伤对应的权值，且β_i与正相关；

以及

损伤状态确定装置，用于基于损伤状态量确定所述金属屋面的损伤状态，其中，所述损伤状态量包括所述损伤积累；

所述损伤状态量还包括塑性型变量和所述金属屋面的连接件状态，所述损伤状态确定装置进一步用于：

基于与所述损伤积累对应的损伤状态、与所述塑性型变量对应的损伤状态和与所述金属屋面的连接件状态对应的损伤状态之和，确定所述金属屋面的损伤状态；

其中：

与所述损伤积累对应的损伤状态

与所述塑性型变量对应的损伤状态

与所述金属屋面的连接件状态对应的损伤状态H₀为

当所述连接件松动时，H₀＝1，否则，H₀＝0；

所述金属屋面的损伤状态

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述预定形变量为与所述金属屋面不产生塑性形变的最大形变对应的形变量。

6.根据权利要求4-5任一所述的系统，其特征在于，还包括：

剩余寿命确定装置，用于基于所述金属屋面的损伤状态确定所述金属屋面的剩余寿命。