CN113343344A

CN113343344A - 基于塔吊动态工作的结构响应预测方法、装置及设备

Info

Publication number: CN113343344A
Application number: CN202110843493.5A
Authority: CN
Inventors: 卢伟; 滕军; 王储
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-07-26
Also published as: CN113343344B

Abstract

本申请涉及一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法、装置及设备，基于塔吊动态工作的结构响应预测方法包括：获取应力监测数据；根据塔吊反力计算公式和应力监测数据，确定反力监测数据；根据反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式；根据反力监测数据和反力变化模式，确定反力的预测值；将反力的预测值输入到预先构建的塔吊整体模型中，得到结构响应预测结果。如此，可以实时获取到塔吊的反力信息，保证了塔吊施工方案调整的及时性，同时，提高了施工精度，为有效提高施工质量和效率提供了保障。

Description

基于塔吊动态工作的结构响应预测方法、装置及设备

技术领域

本申请涉及土木工程结构监测技术领域，具体涉及一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法、装置及设备。

背景技术

近年来，超高层结构的建造日趋广泛，施工过程中高层结构会受到较大的塔吊荷载影响，导致结构位形在施工中不断变化，从而导致施工安装过程中结构构件位置发生改变，影响整个施工方案的具体部署。

相关技术中，对结构位移的监测可以实时反映结构在施工过程中的位移变化。然而，塔吊反力的传统计算方法只能获得塔吊工作下的最大位移，不能获得塔吊影响下的实时位移值。受塔吊反力改变导致结构位形实时变化的影响，监测设备无法及时预测塔吊反力的变化趋势，难以及时预测结构的位形变化，从而难以及时调整施工方案，常常影响施工进程。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于克服现有技术中对塔吊动态工作监测信息获取不及时，无法提供及时、有效的结构响应预测方案的不足，提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法、装置及设备。

为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：

本申请的第一方面提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，包括：

获取应力监测数据；

根据塔吊反力计算公式和所述应力监测数据，确定反力监测数据；

根据所述反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式；

根据所述反力监测数据和所述反力变化模式，确定所述反力的预测值；

将所述反力的预测值输入到预先构建的塔吊整体模型中，得到结构响应预测结果。

可选的，所述塔吊反力计算公式为：

P_r(t)＝S_r(t)×F_r

其中，S_r(t)为降噪后t时刻下i号附着监测点的应力值，F_r为匹配实际荷载形式的映射关系矩阵。

可选的，所述反力变化模式库的构建方法包括：

获取训练数据；

利用所述训练数据，基于反力时程和预设时间间隔，确定不同工况下的反力时程向量，构建所述反力变化模式库。

可选的，所述根据所述反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式，包括：

将所述反力监测数据与所述反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配；

将符合预设匹配条件的反力变化模式确定为对应的反力变化模式。

可选的，所述预设匹配条件包括：偏差度最小；

所述将所述反力监测数据与所述反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配，包括：

计算所述反力监测数据与所述反力变化模式库中各个反力变化模式下的元素的偏差度。

可选的，所述塔吊整体模型的构建方法包括：

获取建模数据；

基于MIDAS，利用所述建模数据构建所述塔吊整体模型。

本申请的第二方面提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测装置，包括：

获取模块，用于获取应力监测数据；

计算模块，用于根据塔吊反力计算公式和所述应力监测数据，确定反力监测数据；

第一确定模块，用于根据所述反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式；

第二确定模块，用于根据所述反力监测数据和所述反力变化模式，确定所述反力的预测值；

预测模块，用于将所述反力的预测值输入到预先构建的塔吊整体模型中，得到结构响应预测结果。

可选的，还包括第一构建模块，用于：

获取训练数据；

可选的，还包括第二构建模块，用于：

获取建模数据；

基于MIDAS，利用所述建模数据构建所述塔吊整体模型。

本申请的第三方面提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测设备，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序，以执行如本申请的第一方面所述的方法。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请的方案中，预先构建了反力变化模式库和塔吊整体模型，基于此，在获取到应力监测数据后，可以利用塔吊反力计算公式和应力监测数据来确定反力监测数据，从而根据反力监测数据确定出当前塔吊工作属于反力变化模式库中的哪种反力变化模式，继而可以根据确定的反力变化模式和反力监测数据，确定出反力的预测值，将反力的预测值输入到塔吊整体模型中，就可以得到本次塔吊东台工作的结构响应预测结果。如此，可以实时获取到塔吊的反力信息，保证了塔吊施工方案调整的及时性，同时，提高了施工精度，为有效提高施工质量和效率提供了保障。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法的流程图。

图2是本申请另一个实施例提供的一种基于塔吊动态工作的结构响应预测装置的结构示意图。

图3是本申请另一个实施例提供的一种基于塔吊动态工作的结构响应预测设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。

在高层结构施工中，塔吊动态工作会影响结构响应，其中塔吊反力会导致结构位形发生变化。通过塔吊反力的传统计算方法只能获得塔吊工作下的最大位移，不能获得塔吊影响下的实时位移值。当塔吊反力对结构的安装位置产生影响时，设计位移值难以调整实际施工方案，从而影响施工进度。基于此，本申请的实施例提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，如图1所示，基于塔吊动态工作的结构响应预测方法至少可以包括如下实施步骤：

步骤11、获取应力监测数据。

步骤12、根据塔吊反力计算公式和应力监测数据，确定反力监测数据。

步骤13、根据反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式。

步骤14、根据反力监测数据和反力变化模式，确定反力的预测值。

步骤15、将反力的预测值输入到预先构建的塔吊整体模型中，得到结构响应预测结果。

本实施例中，预先构建了反力变化模式库和塔吊整体模型，基于此，在获取到应力监测数据后，可以利用塔吊反力计算公式和应力监测数据来确定反力监测数据，从而根据反力监测数据确定出当前塔吊工作属于反力变化模式库中的哪种反力变化模式，继而可以根据确定的反力变化模式和反力监测数据，确定出反力的预测值，将反力的预测值输入到塔吊整体模型中，就可以得到本次塔吊东台工作的结构响应预测结果。如此，可以实时获取到塔吊的反力信息，保证了塔吊施工方案调整的及时性，同时，提高了施工精度，为有效提高施工质量和效率提供了保障。

施工过程中，塔吊工作会导致结构位形响应发生变化，构件安装设计值与实际值产生误差，导致施工误差。传统的塔吊反力计算方法基于最不利荷载工况，无法对实时塔吊反力实现精确计算，更难以确定结构实时位形变化。高层钢结构施工过程中，构件安装需要确定结构位形，因此有必要建立监测点应力与塔吊反力映射关系，基于监测数据实现塔吊位形变化计算。

具体实施时，可以对时刻下的附着测点应力监测数据进行组装，得到：

S_pre(t)＝[s_pre1(t)s_pre2(t)…s_prei(t)…s_pren(t)] (1)

其中，S_pre(_it)为t时刻下i号附着监测点的应力值。

由于监测数据受外界环境影响较大，在编入附着点应力矩阵之前需要先对监测数据进行筛选和处理，以减少环境因素带来的塔吊反力识别误差。如此，可以利用小波函数对原始监测点信号S_pre(_it)进行降噪。

式中，ψ(t)为基小波函数，WT(α，τ)为伸缩α位移τ下的附着监测点小波变换信号，C_w为小波系数，S_r(t)为降噪后t时刻下i号附着监测点的应力值。

不同的基小波函数针对不同类型的数据会有不同的处理效果，选择合适的基小波函数是正确进行小波分析的前提，同时段或点位的施工监测数据，若选择不同的基小波函数，最后处理出的数据会有差异，降噪效果也不同。针对施工采集的应力监测数据，可选用的小波函数如Mexican hat小波、Harr小波、Morlet小波和Meyer小波等。

其中，小波去噪的具体实施方式可以参考现有相关技术，此处不再赘述。

将实际结构荷载形式用已有内力模式d_i表示：

D_r＝k₁d₁+k₂d₂+k₃d₃…+k_id_i+…+k_cd_c (5)

K＝[k₁ k₂…k_i…k_c] (6)

式中，D_r为实际附着结构的荷载形式，K为内力模式组合系数向量，K_i为实际荷载形式中内里模式d_i的参与系数。

如此，匹配实际荷载形式的映射关系矩阵F_r可以表示为：

F_r＝k₁F_d1+k₂F_d2+k₃F_d3…+k_iF_di+…+k_cF_dc (7)

式中，F_di为di内力模式下计算出的相应的映射关系矩阵F_dc。

基于此，塔吊反力计算公式可以表示为：

P_r(t)＝S_r(t)×F_r (8)

其中，P_r(t)为塔吊反力的计算值；S_r(t)为降噪后t时刻下i号附着监测点的应力值，F_r为匹配实际荷载形式的映射关系矩阵。

在实际结构监测过程中，由于传感器、网络或其它设备硬件的限制，反力监测数据的时刻精度比较差，有的甚至难以反映反力随工况的逐步变化趋势，只能从趋势和变化程度上模糊表示反力的变化。

为了进行反力预测，首先可以先获取大量不同工况下的训练数据，训练数据可以包括塔吊工作时程数据，利用训练数据，基于反力时程和预设时间间隔可以抽象出各种工况下的塔吊反力变化向量，即确定不同工况下的反力时程向量，从而构建出反力变化模式库。应用时，塔吊反力变化向量是为了预测塔吊反力的抽象向量，不同元素代表不同时刻塔吊反力的变化程度。在获取了不同工况下的反力变化模式库后，可以充分反应塔吊运行工作的反力变化过程，相应的，塔吊反力的变化趋势一定存在于不同的反力变化模式库中。

其中，预设时间间隔可以根据实际需求进行设置，此处不作限定。

一些实施例中，在根据反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式时，可以将反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配；匹配完成后，可以将符合预设匹配条件的反力变化模式确定为对应的反力变化模式。

实施时，预设匹配条件可以包括：偏差度最小。

相应的，在将反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配时，基于塔吊动态工作的结构响应预测方法具体可以包括：计算反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的元素的偏差度。

具体实施时，在将反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配时，匹配方式可以是计算反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下元素的偏差度，通过对反力变化模式库下不同反力变化模式进行计算，可以得到每时间刻度下的实际反力和反力模式库的偏差度，以最小偏差度确定为最匹配的反力变化模式及相应的初始时间和终止时间。若终止时间小于一个塔吊工作循环内的终止时间，则可利用反力监测数据和确定的反力变化模式，计算得到反力的预测值。

在利用反力监测数据和确定的反力变化模式，计算得到反力的预测值时，计算公式可以表示为：

α_k＝P_mi+k/P_mi (9)

式中，α_k表示第k个时刻下的反力放大系数，P_ri+k表示第i工况下第k个时刻后对应的实际反力值。

根据匹配的反力变化模式计算反力放大系数，反力放大系数表示在当前时刻的反力作为基准下，未来的反力将要发生改变的系数。通过对反力监测数据和反力放大系数的计算可以得到反力的未来预测值。如此，可以实现对塔吊东台工作的反力的实时预测，为施工方案的及时调整提供了数据支持。

一些实施例中，为了确保可以利用反力的预测值得到准确的结构响应预测结果，可以预先构建塔吊整体结构模型。塔吊整体模型的构建方法包括：获取建模数据；基于MIDAS，利用建模数据构建塔吊整体模型。

实施时，实际塔吊结构由塔吊塔身结构、塔臂结构和底部支座构成。为分析塔吊结构的不同工况下的反力，可以在获取到建模数据后，用MIDAS有限元软件对塔吊进行建模，以得到塔吊整体模型。

具体的，基于MIDAS软件，利用建模数据进行建模的具体实现方式可以参考现有相关技术，此处不再赘述。

基于同样的技术构思，本申请的实施例还提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测装置，如图2所示，基于塔吊动态工作的结构响应预测装置具体可以包括如下模块：获取模块201，用于获取应力监测数据；计算模块202，用于根据塔吊反力计算公式和应力监测数据，确定反力监测数据；第一确定模块203，用于根据反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式；第二确定模块204，用于根据反力监测数据和反力变化模式，确定反力的预测值；预测模块205，用于将反力的预测值输入到预先构建的塔吊整体模型中，得到结构响应预测结果。

其中，塔吊反力计算公式参见上述公式(8)。

可选的，基于塔吊动态工作的结构响应预测装置还可以包括第一构建模块，第一构建模块可以用于：获取训练数据；利用训练数据，基于反力时程和预设时间间隔，确定不同工况下的反力时程向量，构建反力变化模式库。

可选的，在根据反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式时，第一确定模块203，可以用于：将反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配；将符合预设匹配条件的反力变化模式确定为对应的反力变化模式。

其中，预设匹配条件可以包括：偏差度最小。

相应的，在将反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的数据进行匹配时，第一确定模块203，具体可以用于：计算反力监测数据与反力变化模式库中各个反力变化模式下的元素的偏差度。

可选的，基于塔吊动态工作的结构响应预测装置还可以包括第二构建模块，第二构建模块具体可以用于：获取建模数据；基于MIDAS，利用建模数据构建塔吊整体模型。

本实施例提供的基于塔吊动态工作的结构响应预测装置的具体实施方案可以参考以上任意例所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法的实施方式，此处不再赘述。

本实施例还提供一种基于塔吊动态工作的结构响应预测设备，如图3所示，该设备具体可以包括：处理器301，以及与处理器301相连接的存储器302；存储器302用于存储计算机程序；处理器301用于调用并执行存储器302中的计算机程序，以执行如以上任意实施例所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法。

本申请实施例提供的基于塔吊动态工作的结构响应预测设备的具体实施方案可以参考以上任意例所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法的实施方式，此处不再赘述。

本实施例提供一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如以上任意实施例所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法的各个步骤。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，其特征在于，包括：

获取应力监测数据；

2.根据权利要求1所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，其特征在于，所述塔吊反力计算公式为：

P_r(t)＝S_r(t)×F_r

3.根据权利要求1所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，其特征在于，所述反力变化模式库的构建方法包括：

获取训练数据；

4.根据权利要求1所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，其特征在于，所述根据所述反力监测数据，从预先构建的反力变化模式库中，确定对应的反力变化模式，包括：

5.根据权利要求4所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，其特征在于，所述预设匹配条件包括：偏差度最小；

6.根据权利要求1所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测方法，其特征在于，所述塔吊整体模型的构建方法包括：

获取建模数据；

基于MIDAS，利用所述建模数据构建所述塔吊整体模型。

7.一种基于塔吊动态工作的结构响应预测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取应力监测数据；

8.根据权利要求7所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测装置，其特征在于，还包括第一构建模块，用于：

获取训练数据；

9.根据权利要求7所述的基于塔吊动态工作的结构响应预测装置，其特征在于，还包括第二构建模块，用于：

获取建模数据；

基于MIDAS，利用所述建模数据构建所述塔吊整体模型。

10.一种基于塔吊动态工作的结构响应预测设备，其特征在于，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序，以执行如权利要求1-6任一项所述的方法。