CN112763104B - 一种基于物联网的结构构件疲劳寿命管理系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于物联网的结构构件疲劳寿命管理系统及应用，基于物联网手段，通过结构构件刻印立体二维码对应结构构件出厂信息数据库，实现塔吊构件基础信息的不受时空查询；通过结构构件埋设应力应变传感器，实时感知当前疲劳损伤，通过数据库当前寿命减去疲劳损伤寿命获得结构构件实时剩余寿命，当剩余寿命不足时实时预警，防范事故发生，同时将数据发送服务器数据库。实现结构构件寿命的全时管控，防范结构构件安全事故。解决了当前结构构件疲劳寿命不足造成的近年来建筑施工事故高发的问题。

Description

一种基于物联网的结构构件疲劳寿命管理系统及应用

技术领域

本发明专利涉及建筑物联网设备领域，具体涉及一种基于物联网 的结构构件疲劳寿命管理系统及应用。

背景技术

塔吊是一种广泛应用于建筑施工中吊运器材物资的垂直运输机 械设备，起到减能增效，提高工程质量的重要作用；据2018年中国 工程机械设备年鉴统计，截至2018年，中国现有塔吊保有量在40-45 万左右，并将随着建筑工业化的推广进一步扩大；而随着塔吊的广泛 使用，安全事故不断发生，提高塔吊安全管理技术水平具有重大的现 实意义。

塔吊构件为钢材质构件，在长时间的交变应力工作状态下容易出 现疲劳损伤，在超过某个应力界限的应力循环下服役时具有一定的安 全使用期限，称为疲劳寿命。如“630kN.m以下、出厂年限超过10年 的塔机由有资质评估机构评估合格后方可继续使用”；同时在《塔式 起重机安全规程》(GB5144-2006)中对于塔吊结构构件的报废及工 作年限也做出了相关规定：塔机主要承载结构件的正常工作年限按使 用说明书要求或使用说明书中规定的结构工作级别、应力循环等级、 结构应力状态计算、若使用说明书未对正常工作年限、结构工作级别 做出规定，且不能得到塔机制造商确定的，则塔机主要承载结构件的正 常使用不应超过1.25×10⁶次应力循环。

当前的塔吊设备管理中，主要依赖人工巡检排除塔吊结构件外观 使用损伤带来的安全风险，而受限于当前人工手段的缺陷，几乎不能 掌握较为可靠的塔吊结构件的剩余疲劳寿命，因此通常在设备报废处 理中只能依赖在规定的使用年限后的相关机构检测结论来做出决定； 另一方面建筑项目的施工周期少则几个月，多则数年，而塔吊结构件 在报废处理之前的实际服役年限一般在10年左右，这意味着在塔吊 结构件整个服役期之间，将经历多次不同项目之间的交接，办理手续、 使用记录和维修记录的保存不善也给塔吊构件的报废处理工作带来 了一定的困难。

总之，当前对于塔吊构件的安全管理工作主要依赖于人工巡检， 存在把控不足、管理不便、不够信息化等缺陷，尤其是塔吊构件的疲 劳寿命得不到可靠的掌握，是长期服役的塔吊构件存在重大安全风险 的重要致因。

发明内容

针对当前塔吊安全管理中结构件报废处理环节、结构构件监控环 节、项目施工选材环节的安全管理手段缺陷，本专利提出一种基于物 联网的结构构件疲劳寿命管理系统及应用。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于物联网的结构构件疲劳寿命管理系统，包括物理层、边 缘层、传输层、应用层；

物理层：包括结构构件、振弦式传感器，所述振弦式传感器预安 装在结构构件主肢内侧，所述结构构件烙印有立体二维码，该立体二 维码是所述结构构件在出厂时基于该结构构件的规格型号信息、安全 寿命信息及对应预安装的振弦式传感器的ID信息生成的唯一编码， 该立体二维码对应的规格型号信息、安全寿命信息、振弦式传感器的 ID信息被存储在云平台中；

边缘层：包括通信模块，每个振弦式传感器信号连接一个通信模 块，各通信模块通过传输层向应用层传输各振弦式传感器实时采集的 应变量ε；

应用层：包括云平台、本地服务器，所述结构构件在第g次项目 使用时通过扫描立体二维码，使本地服务器从云平台导入立体二维码 对应的信息并编制k个序号，本地服务器根据应变量ε、规格型号信 息、安全寿命信息计算结构构件的以下信息：

应力循环的实时值σ＝ε×v，应力循环的峰值σ_max，应力循环的 谷值σ_min，应力幅

平均应力

荷载效应S＝ε×v×E；

各级荷载效应下结构构件破坏需要的疲劳循环次数N_i，i为本地 服务器给各结构构件编制的序号，当应力幅σ_n小于界限应力σ₁时，为 高周疲劳，该荷载效应下结构构件的疲劳循环次数N_i采用名义应力 法进行计算，依赖结构构件所对应的应力-寿命曲线，当应力幅σ_n大 于界限应力σ₁时，为低周转疲劳，该荷载效应下结构构件的疲劳循环 次数Ni采用局部应力-应变法进行计算，依赖结构构件所对应的应变-寿命曲线；

结构构件在各级荷载效应下经历应力循环的次数n′_i：应力幅σ_n小 于能够产生疲劳损伤的应力阈值σ_t时，不对应力循环次数n′_i进行累加， 当应力幅σ_n大于应力阈值σ_t时，对应力循环次数n′_i进行累加；

疲劳损伤

i＝1，2，3...k；

所述云平台根据本地服务器计算得到的疲劳损伤D_j更新剩余疲 劳寿命

j表示结构构件在第g次项目使用之前的使 用次数的编号；

所述规格型号信息包括结构构件的生产厂家、使用等级型号、截 面积v、弹性模量E，所述安全寿命信息包括结构构件对应的标准件 的应力循环极限次数、应力-寿命曲线、应变-寿命曲线、疲劳损伤的 应力阈值σ_t、界限应力σ₁、剩余疲劳寿命P。

进一步地，所述传输层包括以太网、中继站点，所述通信模块包 括4G传输模块、WiFi传输模块，所述4G传输模块通过以太网与云 平台通信连接，WIFI传输模块通过中继站点通信连接本地服务器， 所述本地服务器与以太网、中继站点、云平台通信连接。

由上地，所述的疲劳寿命管理系统在查询结构构件疲劳损伤中的 应用，步骤如下：通过扫描结构构件的立体二维码向云平台提出查询 申请，再由云平台将该结构构件的规格型号信息、安全寿命信息、振 弦式传感器的ID信息，以及包括服役项目、服役时间、疲劳损伤D_j、 剩余疲劳寿命P全部发送至本地服务器。

由上地，所述的疲劳寿命管理系统在结构构件管理中的应用，步 骤如下：基于施工周期预估拟施工项目中拟使用的结构构件将产生的 预估疲劳损伤D_B，拟施工项目的本地服务器通过云平台对结构构件 按以下规则进行选用：

结构构件的剩余疲劳寿命P大于预估疲劳损伤D_B时被选用进入 拟施工项目服役。

由上地，所述的疲劳寿命管理系统在结构构件管理中的应用，管 理部门的本地服务器通过云平台查询结构构件的规格型号信息、安全 寿命信息、振弦式传感器的ID信息，以及包括服役项目、服役时间、 疲劳损伤D_i、剩余疲劳寿命P，当结构构件的剩余疲劳寿命P低于安 全标准规定的限值时，管理人员依照程序对该结构构件进行报废处理。

振弦式应变传感器，该类型传感器耐久性好、蠕变小、灵敏度高， 应用场景广泛，如专利号：202022183069.6中记载地感知装置；结构 构件在生产时烙印立体二维码进行编号，利用专利技术《一种立体二 维码的扫描方法》(专利号：CN106326801)识别立体二维码；并将 设有防水保护措施的振弦式应变传感器预安置在结构构件的主肢内 侧。

4G传输模块当前已通过国家光电子信息产品质量监督检验中心 的功能测试认证，隶属《基于物联网的安全监控系列装置》(证书编 号：2018GD03080098)，同时可将前端采集的数据以4G信号的形式 发送至传输层；

WIFI传输模块当前已通过国家光电子信息产品质量监督检验中 心的功能测试认证，隶属《基于物联网的安全监控系列装置》(证书 编号：2018GD03080098)，同时可将前端采集的数据以无线信号的形 式发送至传输层。

通信模块可通过蓄电池、太阳能电池或与塔机电源连通实现长期 供电。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果

(1)本发明能实现对结构构件在如塔吊构件中使用时的疲劳寿 命进行精细化管理，便捷高效，实时可靠，不仅可以降低人员维护成 本，还能最大化结构构件的服役时间；

(2)本发明充分发挥了管理人员的主动性，突出强调结构构件 安全管理在设计生产、安全服役、项目转接、报销处理等重要环节的 科学性、全面性和复杂性，有助提升项目安全管理技术水平；

(3)本发明可长时间保存结构构件相关信息，安全管理责任主 体明确，有助于追究塔吊安全事故责任和确定事故责任的承担人。

(4)本发明应用新兴的物联网技术，在实现结构构件疲劳寿命 管理的基础上，拥有能与其他智能化建筑施工设备联动的潜能，具备 广阔的智慧工地应用前景。

附图说明

图1是本发明的管理系统的体系框架图；

图2是本发明的管理系统的一种应用中结构构件疲劳损伤和剩余疲 劳寿命的计算流程图；

图3是本发明的管理系统的一种应用中评估结构构件能否服役的流 程图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案及优点更加清晰明了地展示，以下结 合附图及实施例，对本发明进一步阐述说明。此处所描述的实施例仅 仅用于该发明的深入解析说明，并不限定本发明的权利要求于此。

如图1，一种基于物联网的结构构件疲劳寿命管理系统，包括物 理层、边缘层、传输层、应用层；

物理层：包括结构构件、振弦式传感器，振弦式传感器预安装在 结构构件主肢内侧，结构构件烙印有立体二维码，该立体二维码是所 述结构构件在出厂时基于该结构构件的规格型号信息、安全寿命信息 及对应预安装的振弦式传感器的ID信息生成的唯一编码，该立体二 维码对应的规格型号信息、安全寿命信息、振弦式传感器的ID信息 被存储在云平台中；

边缘层：包括通信模块，每个振弦式传感器信号连接一个通信模 块，各通信模块通过传输层向应用层传输各振弦式传感器实时采集的 应变量ε；

应用层：包括云平台、本地服务器，结构构件在第g次项目使用 时通过扫描立体二维码，使本地服务器从云平台导入立体二维码对应 的信息并编制k个序号，本地服务器根据应变量ε、规格型号信息、 安全寿命信息计算结构构件的以下信息：

应力循环的实时值σ＝ε×v，应力循环的峰值σ_max，应力循环的 谷值σ_min，应力幅

平均应力

荷载效应S＝ε×v×E；

各级荷载效应下结构构件破坏需要的疲劳循环次数Ni，i为本地 服务器给各结构构件编制的序号，当应力幅σ_n小于界限应力σ₁时，为 高周疲劳，该荷载效应下结构构件的疲劳循环次数Ni采用名义应力 法进行计算，依赖结构构件所对应的应力-寿命曲线，当应力幅σ_n大 于界限应力σ₁时，为低周转疲劳，该荷载效应下结构构件的疲劳循环 次数N_i采用局部应力-应变法进行计算，依赖结构构件所对应的应变 -寿命曲线；

结构构件在各级荷载效应下经历应力循环的次数n′_i：应力幅σ_n小 于能够产生疲劳损伤的应力阈值σ_t时，不对应力循环次数n′_i进行累加， 当应力幅σ_n大于应力阈值σ_t时，对应力循环次数n′_i进行累加；

疲劳损伤

i＝1，2，3...k；

云平台根据本地服务器计算得到的疲劳损伤D_j更新剩余疲劳寿 命

j表示结构构件在第g次项目使用之前的使用次 数的编号；

规格型号信息包括结构构件的生产厂家、使用等级型号、截面积 v、弹性模量E，安全寿命信息包括结构构件对应的标准件的应力循 环极限次数、应力一寿命曲线、应变-寿命曲线、疲劳损伤的应力阈值 σ_t、界限应力σ₁、剩余疲劳寿命P。

传输层包括以太网、中继站点，通信模块包括4G传输模块、WiFi 传输模块，4G传输模块通过以太网与云平台通信连接，WIFI传输模 块通过中继站点通信连接本地服务器，本地服务器与以太网、中继站 点、云平台通信连接。

实施例1：

(1)如附图1所示，在厂家生产结构构件时(以塔吊构件的标 准节A为例)，烙印立体二维码A，将振弦式应力传感器A预安装 在标准节A的主肢内侧，并将标准节A的相关信息(具体包括有规 格信号信息：生产厂家、塔吊型号、构件编号，安全寿命信息、振弦 式应力传感器A编号)与立体二维码A信息绑定上传至云平台；

(2)塔吊标准节A经交接出厂后于项目A服役，项目A的管 理人员通过本地服务器A与云端平台进行数据交互：首先通过扫描 立体二维码A获知塔吊标准节A的编号A，然后向云平台提出查询 编号A对应的塔吊标准节A信息的申请，再由云平台将编号A对应 的塔吊标准节A的规格信号信息：生产厂家、塔吊型号、构件编号， 安全寿命信息、振弦式应力传感器A编号等基本信息，以及包括服役 项目、服役时间、疲劳寿命损伤等在内的各类历史信息，全部发送至 项目A的本地服务器A；

(3)项目A施工期间，塔吊标准节A受力状态不断发生变化， 其主肢内侧的振弦式应力传感器A测得所在部位的应变ε并通过有线 形式将数据传送至4G传输模块A和WIFI模块A；

(4)4G传输模块A预处理数据后将数据通过以太网发送至指 定IP地址的云平台；同时WIFI传输模块A预处理数据后，将数据 以无线电信号的形式向外发送，经由项目A现场多个中继站点的放 大后，传输至项目A本地服务器；

(5)项目A本地服务器通过与电脑终端直接相连的无线接收模 块接受来自中端WIFI传输模块发送的数据，项目A的管理人员通过 电脑终端即可掌握服役塔吊标准节A的实时应变量ε和疲劳损伤D_j；

(6)云平台A接收来自4G传输模块A发送的数据后，与记录 在档的塔吊标准节A进行匹配，依次按照塔吊标准节A的规格信号 信息：生产厂家、塔吊型号、构件编号进行归档，并同步更新塔吊标 准节A的剩余疲劳寿命P、疲劳损伤D_i；如果塔吊标准节A的剩余 疲劳寿命P低于安全阈值时，4G传输模块和WFII传输模块将进行 蜂鸣和红灯示警；

(7)当塔吊标准节A在项目A服役结束时，本地服务器的安全 监控软件将统计项目A服役过程中总的疲劳损伤D_i，云平台根据本 次服役全过程的周期、疲劳损伤D_j统计剩余疲劳寿命并归档。其中疲 劳损伤D_j及剩余疲劳寿命P计算过程如下：

a.计算应力循环的实时值σ＝ε×v，解析数据得到各次应力循 环的峰值σ_max和谷值σ_min，按下式计算得到应力幅和平均应力：

应力幅为

平均应力为

荷载效应S＝ε×v×E； (3)

b.根据塔吊构件生产厂家提供的塔吊标准节A材料的S-N曲线 判断该次应力循环是否损伤构件的疲劳寿命，塔吊标准节A在各级 荷载效应下经历应力循环的次数n′_i：应力幅σ_n小于能够产生疲劳损伤 的应力阈值σ_t时，认为该次应力循环不足以产生疲劳损伤，不对应力 循环次数n′_i进行累加，当应力幅σ_n大于应力阈值σ_t时，认为该次应力 循环已经对塔吊构件疲劳寿命造成损伤，对应力循环次数n′_i进行累加；

c.判断该次应力循环产生的疲劳类型，当应力幅σ_n小于界限应力 σ₁时，为高周疲劳，该荷载效应下塔吊标准节A材料的疲劳循环次数 Ni采用名义应力法进行计算，依赖塔吊标准节A材料所对应的应力- 寿命曲线，当应力幅σ_n大于界限应力σ₁时，为低周转疲劳，该荷载效 应下塔吊标准节A材料的疲劳循环次数Ni采用局部应力-应变法进行 计算，依赖塔吊标准节A材料所对应的应变-寿命曲线；

d.根据Miner线性法则计算结构的疲劳寿命，设疲劳寿命为单位 “1”，如公式(4)-(5)所示，即塔吊标准节A破坏时吸收的净功 为定值W，各级载荷下塔吊标准节A吸收的净功总和不变；而各级 荷载效应S下塔吊标准节A破坏需要的疲劳循环次数分别是N₁， N₂，…，N_k；在该塔吊标准节A破坏的过程中各级荷载效应S所执行 的循环次数分别是n₁，n₂，…，n_k；循环次数也包括应力幅σ_n小于能 够产生疲劳损伤的应力阈值σ_t时的循环次数，满足：

若塔吊标准节A已在各级荷载效应S下经历n′_i次应力循环，则疲劳损 伤D_i为：

剩余疲劳寿命P为：

j表示结构构件在第g次项目使用之前的使用次数的编号，若g＝1， 即初始使用时，P＝1-D_j；

(8)项目B在塔吊租赁前，基于施工周期预估塔吊构件将产生 的大概疲劳损伤D_B，项目B的本地服务器B通过云平台进行塔吊器 材选用，塔吊标准节A的剩余疲劳寿命P大于预估疲劳损伤D_B满足 项目B的需求被选用进入项目B服役；

(9)项目B的本地服务器B根据塔吊标准节A的编号从云平台 获取塔吊标准节A的所有相关信息，此后重复步骤(2)-(8)；

(10)经过项目A和项目B使用后，塔吊标准节A的剩余疲劳 寿命P，P＝1-D₁-D₂最终低于相关规定的限值，器械管理人员通过 云平台的数据获悉所有包括塔吊标准节A在内的剩余疲劳寿命P＝ 1-D₁-D₂不达标的塔吊构件信息，依照程序进行报废处理；

在上述详细的具体实施方式中，尽管已具有一定程度特性的优选 形式对本发明进行了描述，但是，在不背离其宗旨和范围的前提下实 施本发明的各种明显不同实施例，应理解为，在不偏离权利要求的范 围的情况下，发明不限于具体实施例。

Claims (5)

1.一种基于物联网的结构构件疲劳寿命管理系统，包括物理层、边缘层、传输层、应用层；

物理层：包括结构构件、振弦式传感器，所述振弦式传感器预安装在结构构件主肢内侧，所述结构构件烙印有立体二维码，该立体二维码是所述结构构件在出厂时基于该结构构件的规格型号信息、安全寿命信息及对应预安装的振弦式传感器的ID信息生成的唯一编码，该立体二维码对应的规格型号信息、安全寿命信息、振弦式传感器的ID信息被存储在云平台中；

边缘层：包括通信模块，每个振弦式传感器信号连接一个通信模块，各通信模块通过传输层向应用层传输各振弦式传感器实时采集的应变量ε；

应用层：包括云平台、本地服务器，所述结构构件在第g次项目使用时通过扫描立体二维码，使本地服务器从云平台导入立体二维码对应的信息并编制k个序号，本地服务器根据应变量ε、规格型号信息、安全寿命信息计算结构构件的以下信息：

应力循环的实时值σ＝ε×v，应力循环的峰值σ_max，应力循环的谷值σ_min，应力幅

平均应力

荷载效应S＝ε×v×E；

各级荷载效应下结构构件破坏需要的疲劳循环次数N_i，i为本地服务器给各结构构件编制的序号，当应力幅σ_n小于界限应力σ₁时，为高周疲劳，该荷载效应下结构构件的疲劳循环次数N_i采用名义应力法进行计算，依赖结构构件所对应的应力-寿命曲线，当应力幅σ_n大于界限应力σ₁时，为低周转疲劳，该荷载效应下结构构件的疲劳循环次数N_i采用局部应力-应变法进行计算，依赖结构构件所对应的应变-寿命曲线；

结构构件在各级荷载效应下经历应力循环的次数n′_i：应力幅σ_n小于能够产生疲劳损伤的应力阈值σ_t时，不对应力循环次数n′_i进行累加，当应力幅σ_n大于应力阈值σ_t时，对应力循环次数n′_i进行累加；

疲劳损伤

所述云平台根据本地服务器计算得到的疲劳损伤D_j更新剩余疲劳寿命

j表示结构构件在第g次项目使用之前的使用次数的编号；

所述规格型号信息包括结构构件的生产厂家、使用等级型号、截面积v、弹性模量E，所述安全寿命信息包括结构构件对应的标准件的应力循环极限次数、应力－寿命曲线、应变-寿命曲线、疲劳损伤的应力阈值σ_t、界限应力σ₁、剩余疲劳寿命P。

2.根据权利要求1所述的疲劳寿命管理系统，其特征在于，所述传输层包括以太网、中继站点，所述通信模块包括4G传输模块、WiFi传输模块，所述4G传输模块通过以太网与云平台通信连接，WIFI传输模块通过中继站点通信连接本地服务器，所述本地服务器与以太网、中继站点、云平台通信连接。

3.如权利要求1～2任一项所述的疲劳寿命管理系统在查询结构构件疲劳损伤中的应用，其特征在于，步骤如下：通过扫描结构构件的立体二维码向云平台提出查询申请，再由云平台将该结构构件的规格型号信息、安全寿命信息、振弦式传感器的ID信息，以及包括服役项目、服役时间、疲劳损伤D_j、剩余疲劳寿命P全部发送至本地服务器。

4.如权利要求1～2任一项所述的疲劳寿命管理系统在结构构件管理中的应用，其特征在于，步骤如下：基于施工周期预估拟施工项目中拟使用的结构构件将产生的预估疲劳损伤D_B，拟施工项目的本地服务器通过云平台对结构构件按以下规则进行选用：

结构构件的剩余疲劳寿命P大于预估疲劳损伤D_B时被选用进入拟施工项目服役。

5.如权利要求1～2任一项所述的疲劳寿命管理系统在结构构件管理中的应用，其特征在于，管理部门的本地服务器通过云平台查询结构构件的规格型号信息、安全寿命信息、振弦式传感器的ID信息，以及包括服役项目、服役时间、疲劳损伤D_j、剩余疲劳寿命P，当结构构件的剩余疲劳寿命P低于安全标准规定的限值时，管理人员依照程序对该结构构件进行报废处理。

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