CN109615830A - 大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，包括步骤S1：设定系船柱系缆力反演的标准条件；S3：监测各应力监测点的应变值；S4：反演得到标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角；S5：计算系船柱表面最大应变值；S6：计算系缆力安全性验算指标值；S7：得到系缆力的预警级别；S8：计算系船柱表面应变安全性验算指标值；S9：得到系船柱最大应变的预警级别；S10：将系缆力和系船柱最大应变的预警级别中级别更高的预警级别作为系船柱结构安全状态的预警级别；本发明通过对系船柱表面多点轴向应变的测量，反演系船柱标准系缆力和表面最大应变，计算系缆力安全性验算指标值和系船柱表面应变安全性验算指标值，全面评估系船柱结构安全状态。

Description

大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法

技术领域

本发明涉及港工结构健康状态监测技术领域，具体涉及一种大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法。

背景技术

系船柱用于将船舶停靠时的系缆力传递给码头结构，是码头上不可或缺的附属设施之一。船舶不规范系泊、风浪流等作用引起的船舶摇摆等均会引起系缆力出现异常。过大系缆力超过缆绳的抗拉强度时，会导致断缆事故。另外，系缆力过大产生的拉弯组合作用效应超过系船柱设计抗弯、抗剪强度时，可导致系船柱发生破坏。系船柱结构的破坏模式可分为：系缆力超过缆绳的抗拉强度，或系船柱弯剪组合效应超过设计值。当出现两者或两者之一时，均可视为系船柱结构处于不安全状态，仅以系缆力是否超过设计值来评价系船柱是否安全具有较大的局限性。因此，同时对系船柱自身受力状态及缆绳系缆力进行实时监测，以全面评估系船柱结构安全状态，对于确保码头长期稳定运营具有重大的工程意义。

现有系船柱结构安全监测方法可分为直接法与间接法：1)直接法，是在缆绳上安装测力传感器，该方法仅能测量单根缆绳上的系缆力数值大小，无法测量系缆角度和系缆高度，而且测力装置尺寸大、安装复杂、影响船舶正常系缆工艺流程；2)间接法，是在系船柱表面贴应变片，基于材料力学原理计算系缆力，该方法理论计算公式里面系缆高度与系缆角度是已知量，仅适合于固定缆绳系缆力的监测。现有方法主要存在如下问题：1)侧重于测量系缆力，无法测量系船柱自身的最大应变，无法全面评估系船柱结构的受力状态，且在应用时有诸多限制；2)系船柱正常工作时，可能同时有多股缆绳以不同高度、不同角度对其施加作用力，系缆力是一个空间矢量，对系船柱作用的大小与系缆力数值大小、系缆角度、系缆高度有关，仅知道系缆力数值大小，无法评估其对系船柱的不利影响。

因此，需要提出一种新的大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法。基于各应力监测点的应变值，将多股缆绳、不同作用角度、不同作用高度的系缆力反演到统一的标准条件上，一方面便于在同一标准条件下监测系船柱系缆力变化过程；另一方面可据此判断当前系船柱的安全状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，通过对系船柱表面多点轴向应变的测量，反演系船柱标准系缆力和表面最大应变，在此基础上，计算系缆力安全性验算指标值和系船柱表面应变安全性验算指标值，通过分级预警策略分别对缆绳系缆力及系船柱自身的状态进行判别，以全面评估系船柱结构安全状态，对系船柱的安装状态进行预警。

本发明提供一种大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，包括步骤：

S1：设定系船柱系缆力反演的标准条件；

S2：在系船柱表面的关键部位选取N个应力监测点，并获取各应力监测点到中性面的距离y₁、……、y_N，其中，y₁、……、y_N分别表示第1个、第2个、……、第N个应力监测点到中性面的距离，N≥2；其中，所述系船柱表面的关键部位为系船柱根部靠岸侧50°的周向范围部分；所述中性面是指经过系船柱轴心线，且与标准条件下的系缆力水平投影垂直的平面；

S3：在各应力监测点上分别设置应力监测装置，用于监测各应力监测点的应变值；

S4：根据各应力监测点到中性面的距离y₁、……、y_N和各应力监测点的应变值，反演得到标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角；

S5：根据标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角，计算系船柱表面最大应变值；

S6：根据标准条件下系船柱的系缆力，计算系缆力安全性验算指标值；

S7：根据系缆力安全性验算指标值，得到系缆力的预警级别；

S8：根据系船柱表面最大应变值，计算系船柱表面应变安全性验算指标值；

S9：根据系船柱表面应变安全性验算指标值，得到系船柱最大应变的预警级别；

S10：将系缆力的预警级别与系船柱最大应变的预警级别进行比对，将两者中级别更高的预警级别作为系船柱结构安全状态的预警级别。

进一步，所述标准条件为：系缆垂直角为15°、系缆高度为系船柱最大允许系缆高度；其中，所述系缆垂直角为系船柱上所系缆绳与所述缆绳水平面投影之间的夹角。

进一步，所述步骤S5中，所述标准条件下系船柱的系缆力的计算公式如下：

所述标准条件下的系缆水平角的计算公式如下：

α＝arcsinx[1] (1-2)

其中，F为标准条件下系船柱的系缆力，α为标准条件下的系缆水平角，x[0]和x[1]分别为向量x的第一行和第二行元素，x为2×1的矩阵，x的计算公式如下：

x＝(Γ^TΓ)^-1Γ^TK (1-3)

其中，Γ与K均为常数矩阵， 且Γx＝K；

其中，ε₁、ε₂、…、ε_i、…、ε_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点监测到的应变值，B₁、B₂、…、B_i、…、B_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数I，C₁、C₂、…、C_i、…、C_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数II，K₂为常数II，K₃为常数III；所述

y_i＝C_i+B_isinα (1-3-1)

其中，C_i表示第i个应力监测点布置的位置常数II；B_i表示第i个应力监测点布置的位置常数I；yi表示第i个应力监测点到中性面的的距离，α表示标准条件下的系缆水平角，所述水平角为系缆力水平投影与码头前沿的夹角。

4.根据权利要求3所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述步骤S5中系船柱表面最大应变值ε_max的计算公式如下：

ε_max＝K₂F+K₃F·y_max (2-1)

其中，ε_max表示系船柱表面最大应变值，K₂为常数II，K₃为常数III；y_max为应变值最大的应力监测点到中性面的距离，F为标准条件下系船柱的系缆力。

进一步，所述常数IIK₂的计算公式如下：

其中，β为标准条件下的系缆垂直角，K₁为常数I。

所述常数IIIK₃的计算公式如下：

其中，β为标准条件下的系缆垂直角，h为系船柱的最大系缆高度，K₁为常数I，R为系船柱半径；

其中，所述常数I K₁的计算公式如下：

K₁＝E₁A₁+E₂A₂ (1-6)

其中，A₁为系船柱柱壳截面圆环面积，A₂为系船柱柱芯截面面积，E₁为系船柱柱壳弹性模量，E₂为系船柱柱芯弹性模量。

进一步，所述y_max的计算公式为：

y_max＝R sin(α+γ_max-90°) (2-2)

其中，R为系船柱半径；α为标准条件下的系缆水平角；γ_max为应变值最大的应力监测点的方位角，所述应力监测点的方位角是指应力监测点与应力监测点所在径向截面圆心连线与Z轴的夹角，将应力监测点所在径向截面内与码头前沿线平行的直径所在直线确定为Z轴；所述γ_max的计算公式为：

γ_max＝180°-α (2-2-1)

其中，α为标准条件下的系缆水平角。

进一步，所述系缆力安全性验算指标值的计算公式为：

其中，[F]为系缆力设计值，[σ]为缆绳抗拉强度，A为缆绳公称面积，F为标准条件下系船柱的系缆力，μ为系缆力安全性验算指标值。

进一步，所述系船柱表面应变安全性验算指标值的计算公式为：

其中，ε_max表示系船柱表面最大应变值，σ_b为系船柱外壳的屈服强度，E₁为系船柱柱壳弹性模量；λ为系船柱表面应变安全性验算指标值。

进一步，所述步骤S7具体为：将系缆力安全性验算指标值μ与各级系缆力预警分级标准进行对比，得到系缆力的预警级别；

所述各级系缆力预警分级标准为：

当μ＞80％时，系缆力的预警级别为I级；

当70％＜μ≤80％时，系缆力的预警级别为II级；

当60％＜μ≤70％时，系缆力的预警级别为III级；

当μ≤60％时，系缆力的预警级别为IV级；

其中，I级、II级、III级和IV级的预警级别由高到低逐级递减。

进一步，所述步骤S9具体为：将系船柱表面应变安全性验算指标值λ与各级系船柱表面应变预警分级标准进行对比，得到系船柱最大应力的预警级别；

所述各级系船柱表面应变预警分级标准为：

当λ＞80％时，系船柱最大应变的预警级别为I级；

当70％＜λ≤80％时，系船柱最大应变的预警级别为II级；

当60％＜λ≤70％时，系船柱最大应变的预警级别为III级；

当λ≤60％时，系船柱最大应变的预警级别为IV级；

其中，I级、II级、III级和IV级的预警级别由高到低逐级递减。

本发明的有益效果：本发明通过对系船柱表面多点轴向应变的测量，反演系船柱标准系缆力和表面最大应变，在此基础上，计算系缆力安全性验算指标值和系船柱表面应变安全性验算指标值，通过分级预警策略分别对缆绳系缆力及系船柱自身的状态进行判别，以全面评估系船柱结构安全状态，对系船柱的安装状态进行预警。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程图；

图2为系船柱俯视示意图I

图3为系船柱俯视示意图II

图4为系船柱俯视示意图III

图5为系船柱的剖面图；

图6为表示了γ角的系船柱俯视示意图；

图7为表示了γ_max角的系船柱俯视示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，包括步骤：包括步骤：

S1：设定系船柱系缆力反演的标准条件；

S2：在系船柱表面的关键部位选取N个应力监测点，并获取各应力监测点到中性面的距离y₁、……、y_N，其中，y₁、……、y_N分别表示第1个、第2个、……、第N个应力监测点到中性面的距离，N≥2；其中，所述系船柱表面的关键部位为系船柱根部靠岸侧50°的周向范围部分；所述中性面是指经过系船柱轴心线，且与系缆力水平投影垂直的平面；所述中性面是指经过系船柱轴心线，且与标准条件下的系缆力水平投影垂直的平面；

S3：在各应力监测点上分别设置应力监测装置，用于监测各应力监测点的应变值；本实施例中，所述应力监测装置可选用应变片或光纤应变传感器，优选光纤应变传感器；光纤应变传感器监测到监测点的应变值后，将应变数据信号发送给服务器终端，进行后续的反演预警计算步骤；

S4：根据各应力监测点到中性面的距离y₁、……、y_N和各应力监测点的应变值，反演得到标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角；其中，y₁、……、y_N分别表示第1个、第2个、……、第N个应力监测点到中性面的距离；

S5：根据标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角，计算系船柱表面最大应变值；

S6：根据标准条件下系船柱的系缆力，计算系缆力安全性验算指标值；

S7：根据系缆力安全性验算指标值，得到系缆力的预警级别；

S8：根据系船柱表面最大应变值，计算系船柱表面应变安全性验算指标值；

S9：根据系船柱表面应变安全性验算指标值，得到系船柱最大应变的预警级别；

S10：将系缆力的预警级别与系船柱最大应变的预警级别进行比对，将两者中级别更高的预警级别作为系船柱结构安全状态的预警级别。通过上述方法，对系船柱表面多点轴向应变的测量，反演系船柱标准系缆力和表面最大应变，在此基础上，计算系缆力安全性验算指标值和系船柱表面应变安全性验算指标值，通过分级预警策略分别对缆绳系缆力及系船柱自身的状态进行判别，以全面评估系船柱结构安全状态，对系船柱的安装状态进行预警。

所述标准条件为：系缆垂直角为15°、系缆高度为系船柱最大允许系缆高度；其中，所述系缆垂直角为系船柱上所系缆绳与所述缆绳水平面投影之间的夹角。

所述步骤S5中，所述标准条件下系船柱的系缆力的计算公式如下：

所述标准条件下的系缆水平角的计算公式如下：

α＝arcsinx[1] (1-2)

其中，F为标准条件下系船柱的系缆力，α为标准条件下的系缆水平角，x[0]和x[1]分别为向量x的第一行和第二行元素，x为2×1的矩阵，x的计算公式如下：

x＝(Γ^TΓ)^-1Γ^TK (1-3)

其中，Γ与K均为常数矩阵， 且Γx＝K；

其中，ε₁、ε₂、…、ε_i、…、ε_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点监测到的应变值，B₁、B₂、…、B_i、…、B_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数I，C₁、C₂、…、C_i、…、C_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数II，K₂为常数II，K₃为常数III；所述

y_i＝C_i+B_isinα (1-3-1)

其中，C_i表示第i个应力监测点布置的位置常数II；B_i表示第i个应力监测点布置的位置常数I；y_i表示第i个应力监测点到中性面的的距离，α表示标准条件下的系缆水平角，所述水平角为系缆力水平投影与码头前沿的夹角。通过上述方法，基于各应力监测点的应变值，将多股缆绳、不同作用角度、不同作用高度的系缆力反演到标准条件上，通过将对多股缆绳、不同作用角度、不同作用高度的各系缆力的研究分析转换为对标准条件上的合系缆力进行研究；一方面便于在同一标准条件下监测系船柱系缆力变化过程；另一方面可根据系船柱设计规范，直接与设计值进行比较，判断当前系缆力是否超标。

所述步骤S5中系船柱表面最大应变值ε_max的计算公式如下：

ε_max＝K₂F+K₃F·y_max (2-1)

其中，ε_max表示系船柱表面最大应变值，K₂为常数II，K₃为常数III；y_max为应变值最大的应力监测点到中性面的距离，F为标准条件下系船柱的系缆力。

所述常数II K₂的计算公式如下：

其中，β为标准条件下的系缆垂直角，K₁为常数I。

所述常数III K₃的计算公式如下：

其中，β为标准条件下的系缆垂直角，h为系船柱的最大系缆高度，K₁为常数I，R为系船柱半径。

其中，所述常数I K₁的计算公式如下：

K₁＝E₁A₁+E₂A₂ (1-6)

其中，A₁系船柱柱壳截面圆环面积，A₂为系船柱柱芯截面面积，E₁为系船柱柱壳弹性模量，E₂为系船柱柱芯弹性模量。

所述y_max的计算公式为：

y_max＝R sin(α+γ_max-90°) (2-2)

其中，R为系船柱半径；α为标准条件下的系缆水平角；γ_max为应变值最大的应力监测点的方位角，所述应力监测点的方位角是指应力监测点与应力监测点所在径向截面圆心连线与Z轴的夹角，如图3和图4所示，将应力监测点所在径向截面内与码头前沿线平行的直径所在直线确定为Z轴；所述γ_max的计算公式为：

γ_max＝180°-α (2-2-1)

其中，α为标准条件下的系缆水平角。

本实施例中，(1-1)式至(2-2-1)式的推导计算原理如下：

图5为系船柱的剖面图，在系船柱根部设置两个应力监测点A点和B点，F为标准条件下系船柱的系缆力，即表示标准条件下的系船柱受到的系缆力的等效和，F_x为标准条件下系船柱的系缆力F的径向分力，F_y为标准条件下系船柱的系缆力F的轴向分力：

F_x＝F cosβ (1-7)

F_y＝F sinβ (1-8)

其中，β为标准条件下的系缆垂直角；

系船柱在系缆力作用下会发生拉弯组合变形，应力监测点应变为拉伸应变ε_l与弯曲应变ε_w之和。

一、拉伸应变ε_l

轴向分力引起轴向拉伸，设系船柱柱壳与柱芯协同变形，则：

F sinβ＝E₁ε_lA₁+E₂ε_lA₂ (1-9)

上式中为A₁系船柱柱壳截面圆环面积，A₂为系船柱柱芯截面面积，E₁为系船柱柱壳弹性模量，E₂为系船柱柱芯弹性模量。由(1-9)式进一步化简得到：

其中，K₁＝E₁A₁+E₂A₂，K₁为常数I，K₁是一种系船柱结构力学参数，是系船柱固有特性参数，与受力与否无关；β为标准条件下的系缆垂直角。

令K₂为常数II，则：

ε_l＝K₂F (1-11)

二、拉伸应变ε_w

径向分力F_x产生的弯矩M_x为：

M_x＝F cosβ·h (1-12)

其中，h为系船柱的最大系缆高度。

轴向分力F_y引起的弯矩M_y为：

其中，R为系船柱半径，γ为应力监测点的方位角，所述应力监测点的方位角是指应力监测点与应力监测点所在径向截面圆心连线与Z轴的夹角，将应力监测点所在径向截面内与码头前沿线平行的直径所在直线确定为Z轴；γ是已知参数；β为标准条件下的系缆垂直角。

则应力监测点处的弯矩为：

M＝M_x+M_y (1-14)

根据材料力学理论，系船柱在径向分力作用下弯曲变形，其中性面为垂直于系缆力水平投影的面，如图6所示，y为应力监测点到应力监测点所在径向截面的中性面的距离，y可由α与γ进行确定，y与α和γ的函数关系为：

y＝sin(α+γ-90°)(2-2’)

其中，α为标准条件下的系缆水平角，γ为应力监测点的方位角。

则弯曲应变为：

其中，h为系船柱的最大系缆高度，K₃为常数III。

三、总应变

应力监测点应变为拉伸应变ε_l与弯曲应变ε_w之和，根据(1-11)式和(1-15)式，可得应力监测点应变ε为

ε＝ε_l+ε_w＝K₂F+K₃Fy (1-16)

四、标准系缆力反演

标准系缆力的反演至少需要2个应力监测点的应变值，根据式(1-16)可得A、B两点处的应变为：

其中，y_A表示应力监测点A点到中性面的距离；y_B表示应力监测点B点到中性面的距离；y_A＝sin(α+γ_A-90°)，y_B＝sin(α+γ_B-90°)，y_A、γ_B分别为A点、B点的方位角。解方程式(1-17)即可得到标准条件下的系船柱的系缆力F及系船柱的系缆水平角α。

进一步，为提高反演精度，当N＞2时，即应力监测点数量大于2时，将(1-17)式扩展为：

其中，ε₁、ε₂、…、ε_i、…、ε_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点监测到的应变值；y₁、y₂、…、y_i、…、y_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点到中性面的距离。

(1-17)式是超定方程组，即方程数量大于未知数数量，且属于非线性二次方程组，无法直接用线性代数方法求F。首先将其转换成线性超定方程组，然后再基于最小二乘法求解。

将(1-18)式左右两边同时除以F，得到：

进一步，可得：

其中，y_i表示第i个应力监测点到中性面的距离，y_i的计算公式为：

y_i＝C_i+B_isinα (1-3-1)

其中，B₁、B₂、…、B_i、…、B_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数I，C₁、C₂、…、C_i、…、C_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数II，C_i与B_i仅与应力监测点位置有关，α为标准条件下的系缆水平角。

将(1-3-1)式带入(1-18-2)式，得到

将(1-18-3)式用矩阵形式表示为：

Γx＝K (1-19)

其中，Γ与K均为常数矩阵，

则x的最优解为：

x＝(Γ^TΓ)^-1Γ^TK (1-20)

进而得到：

所述标准条件下系船柱的系缆力的计算公式如下：

所述标准条件下的系缆水平角的计算公式如下：

α＝arcsinx[1] (1-2)

其中，F为标准条件下系船柱的系缆力，α为标准条件下的系缆水平角，x[0]和x[1]分别为向量x的第一行和第二行元素，x为2×1的矩阵，

根据《码头附属设施技术规范》(JTS 169-2017)，船舶首、尾缆水平投影与船舶纵轴所成的夹角(水平角)宜为30°～45°，但不得小于25°。由此，可以得到缆绳水平角变化范围为25°～155°，如图2所示。

系缆力水平投影与中性面垂直，中性面将系船柱分为左右两个部分。通过有限元分析发现，系船柱根部靠岸侧为应力集中区域，应变最大，而所述最大应变的值直接反应系船柱的安全状态。如图3所示。系缆力产生的弯矩为由两部分组成，第一项由径向分力产生，径向分力总是向上，即径向分力产生的力矩总是正值；第二项由轴向力产生，当应变测点位于左边时(A点)，轴向力产生负力矩，当应变测点位于右边时(B点)，轴向力产生正力矩。而公式(1-15)和公式(1-18-2)中要求两部分均为正力矩，即测点必须布置在中性面的右边(B点)。考虑到缆绳水平角变化范围为25°～155°，则应变测点必须布置在图4所示的阴影区域内，阴影区域的角度为50°，否则计算结果与实际不符，不能得到正确的结果。

本实施例中，系缆力安全要求同时满足：

所述系缆力安全性验算指标值的计算公式为：

其中，[F]为系缆力设计值，[σ]为缆绳抗拉强度，A为缆绳公称面积，F为标准条件下系船柱的系缆力，μ为系缆力安全性验算指标值。

所述系船柱表面应变安全性验算指标值的计算公式为：

其中，ε_max表示系船柱表面最大应变值，σ_b、为系船柱外壳的屈服强度，E₁为系船柱柱壳弹性模量；λ为系船柱表面应变安全性验算指标值。

所述步骤S7具体为：将系缆力安全性验算指标值μ与各级系缆力预警分级标准进行对比，得到系缆力的预警级别；

所述各级系缆力预警分级标准为：

当μ＞80％时，系缆力的预警级别为I级；

当70％＜μ≤80％时，系缆力的预警级别为Ⅱ级；

当60％＜μ≤70％时，系缆力的预警级别为Ⅲ级；

当μ≤60％时，系缆力的预警级别为Ⅳ级；

其中，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级的预警级别由高到低逐级递减。

所述各级系缆力预警分级标准可如表1所示。

表1各级系缆力预警分级标准

等级	系缆力安全性验算指标值变化范围	紧急程度	颜色标识
				I级	>80％	特别严重	红色
II级	(70％,80％]	严重	橙色
				III级	(60％,70％]	较重	黄色
IV级	≤60％	一般(正常)	蓝色

所述步骤S9具体为：将系船柱表面应变安全性验算指标值λ与各级系船柱表面应变预警分级标准进行对比，得到系船柱最大应变的预警级别；

所述各级系船柱表面应变预警分级标准为：

当λ＞80％时，系船柱最大应变的预警级别为Ⅰ级；

当70％＜λ≤80％时，系船柱最大应变的预警级别为Ⅱ级；

当60％＜λ≤70％时，系船柱最大应变的预警级别为Ⅲ级；

当λ≤60％时，系船柱最大应变的预警级别为Ⅳ级；

其中，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级的预警级别由高到低逐级递减。

所述各级系船柱表面应变预警分级标准可如表2所示。

表2各级系船柱表面应变预警分级标准

其中，系缆力预警分级标准Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级分别的预警级别与系船柱表面应变预警分级标准Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级的预警级别为相同级别。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：包括步骤：

S1：设定系船柱系缆力反演的标准条件；

S2：在系船柱表面的关键部位选取N个应力监测点，并获取各应力监测点到中性面的距离y₁、……、y_N，其中，y₁、……、y_N分别表示第1个、第2个、……、第N个应力监测点到中性面的距离，N≥2；其中，所述系船柱表面的关键部位为系船柱根部靠岸侧50°的周向范围部分；所述中性面是指经过系船柱轴心线，且与标准条件下的系缆力水平投影垂直的平面；

S3：在各应力监测点上分别设置应力监测装置，用于监测各应力监测点的应变值；

S4：根据各应力监测点到中性面的距离y₁、……、y_N和各应力监测点的应变值，反演得到标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角；

S5：根据标准条件下系船柱的系缆力和系缆水平角，计算系船柱表面最大应变值；

S6：根据标准条件下系船柱的系缆力，计算系缆力安全性验算指标值；

S7：根据系缆力安全性验算指标值，得到系缆力的预警级别；

S8：根据系船柱表面最大应变值，计算系船柱表面应变安全性验算指标值；

S9：根据系船柱表面应变安全性验算指标值，得到系船柱最大应变的预警级别；

S10：将系缆力的预警级别与系船柱最大应变的预警级别进行比对，将两者中级别更高的预警级别作为系船柱结构安全状态的预警级别。

2.根据权利要求1所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述标准条件为：系缆垂直角为15°、系缆高度为系船柱最大允许系缆高度；其中，所述系缆垂直角为系船柱上所系缆绳与所述缆绳水平面投影之间的夹角。

3.根据权利要求2所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述标准条件下系船柱的系缆力的计算公式如下：

所述标准条件下的系缆水平角的计算公式如下：

α＝arcsinx[1] (1-2)

其中，F为标准条件下系船柱的系缆力，α为标准条件下的系缆水平角，x[0]和x[1]分别为向量x的第一行和第二行元素，x为2×1的矩阵，x的计算公式如下：

x＝(Γ^TΓ)^-1Γ^TK (1-3)

其中，Γ与K均为常数矩阵， 且Γx＝K；

其中，ε₁、ε₂、…、ε_i、…、ε_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点监测到的应变值，B₁、B₂、…、B_i、…、B_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数I，C₁、C₂、…、C_i、…、C_N分别表示第1个、第2个、…、第i个、…、第N个应力监测点布置的位置常数II，K₂为常数II，K₃为常数III；所述

y_i＝C_i+B_isinα (1-3-1)

其中，C_i表示第i个应力监测点布置的位置常数II；B_i表示第i个应力监测点布置的位置常数I；y_i表示第i个应力监测点到中性面的的距离，α表示标准条件下的系缆水平角，所述水平角为系缆力水平投影与码头前沿的夹角。

4.根据权利要求3所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述步骤S5中系船柱表面最大应变值ε_max的计算公式如下：

ε_max＝K₂F+K₃F·y_max (2-1)

其中，ε_max表示系船柱表面最大应变值，K₂为常数II，K₃为常数III；y_max为应变值最大的应力监测点到中性面的距离，F为标准条件下系船柱的系缆力。

5.根据权利要求4所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述常数IIK₂的计算公式如下：

其中，β为标准条件下的系缆垂直角，K₁为常数I。

所述常数IIIK₃的计算公式如下：

其中，β为标准条件下的系缆垂直角，h为系船柱的最大系缆高度，K₁为常数I，R为系船柱半径；

其中，所述常数I K₁的计算公式如下：

K₁＝E₁A₁+E₂A₂ (1-6)

其中，A₁为系船柱柱壳截面圆环面积，A₂为系船柱柱芯截面面积，E₁为系船柱柱壳弹性模量，E₂为系船柱柱芯弹性模量。

6.根据权利要求4所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述y_max的计算公式为：

y_max＝R sin(α+γ_max-90°) (2-2)

其中，R为系船柱半径；α为标准条件下的系缆水平角；γ_max为应变值最大的应力监测点的方位角，所述应力监测点的方位角是指应力监测点与应力监测点所在径向截面圆心连线与Z轴的夹角，将应力监测点所在径向截面内与码头前沿线平行的直径所在直线确定为Z轴；所述γ_max的计算公式为：

γ_max＝180°-α (2-2-1)

其中，α为标准条件下的系缆水平角。

7.根据权利要求1所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述系缆力安全性验算指标值的计算公式为：

其中，[F]为系缆力设计值，[σ]为缆绳抗拉强度，A为缆绳公称面积，F为标准条件下系船柱的系缆力，μ为系缆力安全性验算指标值。

8.根据权利要求1所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述系船柱表面应变安全性验算指标值的计算公式为：

其中，ε_max表示系船柱表面最大应变值，σ_b为系船柱外壳的屈服强度，E₁为系船柱柱壳弹性模量；λ为系船柱表面应变安全性验算指标值。

9.根据权利要求1所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述步骤S7具体为：将系缆力安全性验算指标值μ与各级系缆力预警分级标准进行对比，得到系缆力的预警级别；

所述各级系缆力预警分级标准为：

当μ＞80％时，系缆力的预警级别为I级；

当70％＜μ≤80％时，系缆力的预警级别为II级；

当60％＜μ≤70％时，系缆力的预警级别为III级；

当μ≤60％时，系缆力的预警级别为IV级；

其中，I级、II级、III级和IV级的预警级别由高到低逐级递减。

10.根据权利要求1所述大型港工设施系船柱结构安全监测与评估方法，其特征在于：所述步骤S9具体为：将系船柱表面应变安全性验算指标值λ与各级系船柱表面应变预警分级标准进行对比，得到系船柱最大应力的预警级别；

所述各级系船柱表面应变预警分级标准为：

当λ＞80％时，系船柱最大应变的预警级别为I级；

当70％＜λ≤80％时，系船柱最大应变的预警级别为II级；

当60％＜λ≤70％时，系船柱最大应变的预警级别为III级；

当λ≤60％时，系船柱最大应变的预警级别为IV级；

其中，I级、II级、III级和IV级的预警级别由高到低逐级递减。