CN114781115B - 一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及边坡防护技术领域，涉及一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，包括：a、建立基于系统受力分析的网片损伤度预测方法；b、获取落石冲击作用时所有设备的瞬时响应数据；c、计算支撑绳耗能器伸长量，获得冲击位置支撑绳变形量；d、计算拉锚绳耗能器伸长量，获得冲击变形最大时刻支撑钢柱的倾角变化值；e、计算拉力带的伸长量，从而计算拉力带区域单个网环的变形量；f、对网环损伤度建立Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级分级判断标准，对网片损伤度形成分级反馈；g、编写智能化评价程序。本发明解决了现行柔性防护结构监测系统难以对系统损伤进行智能快速评价的难题，为柔性网系统维养决策提供依据。

Description

一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法

技术领域

本发明涉及边坡防护技术领域，具体地说，涉及一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法。

背景技术

中国是多山国家，其中山区面积占全国总面积的69％。崩塌落石是常见的地质灾害，灾害的发生常导致基础设施破坏、交通阻断等。

柔性网系统是最有效的落石防护措施之一，目前已经普遍用于山区落石防护。柔性网片是柔性防护系统的主要拦截部件，用于承受落石直接碰撞冲击。柔性网片的损伤度直接影响柔性网系统的剩余承载能力，然而当前未见该系统的损伤度评价技术的报道。此外，现有的柔性防护系统监测技术，仅能解决数据采集，但无法快速智能化评价系统损伤度，导致无法为应急维养决策提供依据。

综上所述，目前亟需一种灾后柔性网系统拦截网片损伤度的评价方法，可量化处理宏观的系统响应数据，并能结合硬件系统编写相应计算程序，快速判别防护系统部件的损伤度，解决当前柔性防护网系统灾后维养决策问题，为系统检修人员提供信息。

发明内容

本发明的内容是提供一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，该评价模型可量化处理宏观的系统响应数据，基于计算机设备编写相应计算程序，实现快速判别防护网片的损伤度。

根据本发明的一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，其包括以下步骤：

a、建立基于系统受力分析的网片损伤度预测方法，包括系统耗能器伸长量、钢丝绳内力、以及落石冲击位移在内数据的实时监测，并据此在柔性网系统相应位置布置视频采集设备、拉力传感器，通过蜂窝网络无线传输进入数据处理终端，用于网片损伤度评价；

b、获取落石冲击作用时所有设备的瞬时响应数据，包括：拉锚绳拉力响应F_a，支撑绳内力响应F，此外，通过影像资料及双目测距法还原落石冲击位移量；

c、根据测得的支撑绳内力响应以及支撑绳耗能器的力学性能响应，计算支撑绳耗能器伸长量δ，采用几何分析方法获得冲击位置支撑绳变形量w₁、w₂；

d、根据拉锚绳内力响应数据以及拉锚绳耗能器的力学性能响应，计算拉锚绳耗能器伸长量δ_a，采用三角函数分析的方法，获得冲击变形最大时刻支撑钢柱的倾角变化值γ；

e、根据支撑钢柱倾角变化量与落石冲击位移量，计算拉力带的伸长量，从而计算拉力带区域单个网环的变形量δ_n；

f、对网环损伤度建立Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级分级判断标准，根据步骤e计算结果对网片损伤度形成分级反馈，用于网片的维养判断；

g、基于上述评价方法步骤结合计算机硬件系统，采用计算机语言编写形成柔性网片损伤度快速评价的智能化评价程序。

作为优选，所述步骤c中冲击位置支撑绳变形量计算方法如下：

根据拉力传感器测得的上支撑绳和下支撑绳内力分别为F₁、F₂，根据所配置耗能器的力学性能可知上支撑绳和下支撑绳的伸长量分别为δ₁、δ₂，由此可得上支撑绳和下支撑绳跨中变形量w₁、w₂的计算方法为：

式中，l为相邻支撑钢柱之间的跨距。

作为优选，所述步骤d中冲击作用后，在系统侧视投影面上支撑钢柱倾角变化值γ的计算方法如下：

系统变形前，拉锚绳在系统侧视投影面上的投影长度l′_a为：

式中，l_a为拉锚绳长度，s为拉锚绳锚点间距；

由拉力传感器测得拉锚绳内力F_a1、F_a2，根据拉锚绳耗能器配置的力学性能关系，可获得拉锚绳耗能器伸长量为δ_a1、δ_a2，此时拉锚绳在系统侧视投影平面上的投影长度l″_a为：

l″_a＝(l_a+δ_a2)·sinθ

式中，θ为变形后拉锚绳与坡面夹角。

支撑钢柱柱头水平位移Δ_px的计算方法为：

冲击作用后，支撑钢柱在系统侧视投影平面上的投影长度l″_p为：

式中，l_p为支撑钢柱的柱高。

支撑钢柱安装角度为α，冲击作用后支撑钢柱的角度α′为：

式中，k为拉锚绳锚固点与支撑钢柱锚固点在系统侧视投影平面上的投影长度；

支撑钢柱在系统侧视投影平面上的转角γ为：

γ＝α′-α。

作为优选，所述步骤e中冲击作用后网片变形量和单个网环变形量的计算方法如下：

由正弦定理可得支撑钢柱中部竖直位移h′为：

靠近上支撑绳部分网片伸长量Δ_n1为：

h＝Δh-h′

式中，L_n1为靠近上支撑绳部分网片冲击作用后的长度；Δh为落石冲击位移；h为冲击位移最大时，落石与支撑钢柱的垂直距离；

靠近下支撑绳部分的网片伸长量Δ_n2为：

式中，L_n2为靠近下支撑绳部分网片冲击作用后的长度；

接触区域网环数量n_con计算方法为：

式中，D_s为落石的直径；D为网环直径。

非接触区域环网的数量为：

式中，n₁为靠近上支撑绳部分的网环数量；n₂为靠近下支撑绳部分的网环数量；n_y为网片安装时y轴方向网环的数量；

单个网环变形量δ_n为：

式中，δ_n1为靠近上支撑绳部分网环变形量；δ_n2为靠近下支撑绳部分网环变形量。

作为优选，所述步骤f中网环损伤度判别方法如下：

根据网环拉伸试验，单环极限拉伸长度为δ，可算得网环拉伸比ξ为：

结合网环拉伸比ξ的结果，将网环损伤度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，判别标准与网片维养决策如下：

当网环拉伸比ξ满足条件ξ<0.4时，判定网片损伤度为Ⅰ级，此时网片处于弹性变形阶段，还可以抵挡落石冲击；

当网环拉伸比ξ满足条件0.4≤ξ<0.7时，判定网片损伤度为Ⅱ级，此时网片处于塑性变形阶段，可抵挡设计冲击能量30％的冲击作用；

当网环拉伸比ξ满足条件ξ≥0.7时，判定网片损伤度为Ⅲ级，此时网片处于极限变形阶段，无法继续使用，系统需更换网片。

作为优选，编写智能化评价程序的计算机语言包括但不限于java语言、Python语言、C语言和C++语言。

本发明的有益效果是：本发明所述方法结合现有柔性网系统监测系统，从宏观力学响应推算网片的微观损伤状态，解决了现行柔性防护结构监测系统难以对系统损伤进行智能快速评价的难题，为柔性网系统维养决策提供依据。

附图说明

图1为实施例1中灾后柔性网系统网片损伤度评价方法的计算流程图；

图2为实施例1中柔性防护系统安装示意图；

图3为实施例2中柔性防护系统冲击变形示意图；

图4为实施例2中钢柱及拉锚绳变形轴侧计算示意图；

图5为实施例2中钢柱及拉锚绳变形俯视计算示意图；

图6为实施例2中系统冲击变形侧视计算示意图；

图7为实施例2中耗能器力学性能曲线；

其中，附图中标记对应的结构名称为：

1-网片；2-视频采集设备；3-拉力传感器；4-拉锚绳；5-支撑绳；51-上支撑绳；52-下支撑绳；6-支撑绳耗能器；7-拉锚绳耗能器；8-支撑钢柱；9-拉力带。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供了一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，其包括以下步骤：

a、建立基于系统受力分析的网片1损伤度预测方法，包括系统耗能器伸长量、钢丝绳内力、以及落石冲击位移在内数据的实时监测，并据此在柔性网系统相应位置布置视频采集设备2、拉力传感器3，通过蜂窝网络无线传输进入数据处理终端，用于网片1损伤度评价；

b、获取落石冲击作用时所有设备的瞬时响应数据，包括：拉锚绳4拉力响应F_a，支撑绳5内力响应F，此外，通过影像资料及双目测距法还原落石冲击位移量；

c、根据测得的支撑绳5内力响应以及支撑绳耗能器6的力学性能响应，计算支撑绳耗能器6伸长量δ，采用几何分析方法获得冲击位置支撑绳6变形量w₁、w₂；

d、根据拉锚绳4内力响应数据以及拉锚绳耗能器7的力学性能响应，计算拉锚绳耗能器7伸长量δ_a，采用三角函数分析的方法，获得冲击变形最大时刻支撑钢柱8的倾角变化值γ；

e、根据支撑钢柱8倾角变化量与落石冲击位移量，计算拉力带9的伸长量，从而计算拉力带9区域单个网环的变形量δ_n；

f、对网环损伤度建立Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级分级判断标准，根据步骤e计算结果对网片1损伤度形成分级反馈，用于网片1的维养判断；

g、基于上述评价方法步骤结合计算机硬件系统，采用计算机语言编写形成柔性网片损伤度快速评价的智能化评价程序。

所述步骤c中冲击位置支撑绳变形量计算方法如下：

根据拉力传感器测得的上支撑绳51和下支撑绳52内力分别为F₁、F₂，根据所配置耗能器的力学性能可知上支撑绳51和下支撑绳52的伸长量分别为δ₁、δ₂，由此可得上支撑绳51和下支撑绳52跨中变形量w₁、w₂的计算方法为：

式中，l为相邻支撑钢柱8之间的跨距。

所述步骤d中冲击作用后，在系统侧视投影面上支撑钢柱8倾角变化值γ的计算方法如下：

系统变形前，拉锚绳4在系统侧视投影面上的投影长度l′_a为：

式中，l_a为拉锚绳4长度，s为拉锚绳4锚点间距；

由拉力传感器测得拉锚绳4内力F_a1、F_a2，根据拉锚绳耗能器7配置的力学性能关系，可获得拉锚绳耗能器7伸长量为δ_a1、δ_a2，此时拉锚绳4在系统侧视投影平面上的投影长度l″_a为：

l″_a＝(l_a+δ_a2)·sinθ

式中，θ为变形后拉锚绳4与坡面夹角。

支撑钢柱8柱头水平位移Δ_px的计算方法为：

冲击作用后，支撑钢柱8在系统侧视投影平面上的投影长度l″_p为：

式中，l_p为支撑钢柱8的柱高。

支撑钢柱8安装角度为α，冲击作用后支撑钢柱8的角度α′为：

式中，k为拉锚绳4锚固点与支撑钢柱8锚固点在系统侧视投影平面上的投影长度；

支撑钢柱8在系统侧视投影平面上的转角γ为：

γ＝α′-α。

所述步骤e中冲击作用后网片1变形量和单个网环变形量的计算方法如下：

由正弦定理可得支撑钢柱8中部竖直位移h′为：

靠近上支撑绳51部分网片1伸长量Δ_n1为：

h＝Δh-h′

式中，L_n1为靠近上支撑绳51部分网片1冲击作用后的长度；Δh为落石冲击位移；h为冲击位移最大时，落石与支撑钢柱8的垂直距离；

靠近下支撑绳52部分的网片1伸长量Δ_n2为：

式中，L_n2为靠近下支撑绳52部分网片1冲击作用后的长度；

接触区域网环数量n_con计算方法为：

式中，D_s为落石的直径；D为网环直径。

非接触区域环网的数量为：

式中，n₁为靠近上支撑绳51部分的网环数量；n₂为靠近下支撑绳52部分的网环数量；n_y为网片安装时y轴方向网环的数量；

单个网环变形量δ_n为：

式中，δ_n1为靠近上支撑绳51部分网环变形量；δ_n2为靠近下支撑绳52部分网环变形量。

所述步骤f中网环损伤度判别方法如下：

根据网环拉伸试验，单环极限拉伸长度为δ，可算得网环拉伸比ξ为：

结合网环拉伸比ξ的结果，将网环损伤度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，判别标准与网片1维养决策如下：

当网环拉伸比ξ满足条件ξ<0.4时，判定网片损伤度为Ⅰ级，此时网片1处于弹性变形阶段，还可以抵挡落石冲击；

当网环拉伸比ξ满足条件0.4≤ξ<0.7时，判定网片损伤度为Ⅱ级，此时网片1处于塑性变形阶段，可抵挡设计冲击能量30％的冲击作用；

当网环拉伸比ξ满足条件ξ≥0.7时，判定网片损伤度为Ⅲ级，此时网片1处于极限变形阶段，无法继续使用，系统需更换网片1。

编写智能化评价程序的计算机语言包括但不限于java语言、Python语言、C语言和C++语言。

本发明的有益效果是：本发明所述方法结合现有柔性网系统监测系统，从宏观力学响应推算网片的微观损伤状态，解决了现行柔性防护结构监测系统难以对系统损伤进行智能快速评价的难题，为柔性网系统维养决策提供依据。

实施例2

如图3-图6所示，本实施例提供一种灾后柔性网系统网片损伤度智能化评价方法，结合某山区落石常发点，具体说明该评价方法，步骤如下：

系统安装条件如下：支撑钢柱8之间的跨距l＝9m，支撑钢柱8的高度l_p＝5.5m，支撑钢柱8安装角度α＝80°，拉锚绳4锚点间距s＝9m，拉锚绳4长度l_a＝8.45m，拉锚绳4锚固点与支撑钢柱8锚固点在系统侧视投影平面上的投影长度k＝6.25m，网环的直径D＝0.3m，网片1安装时y轴方向网环的数量n_y＝27。

落石冲击跨中中部，落石的直径D_s＝1.17m，测得上支撑绳51内力F₁＝224.88kN，下支撑绳52内力F₂＝329.58kN，拉锚绳4内力F_a1＝129.55kN、F_a2＝139.52kN，根据影像资料测得落石冲击位移Δh＝7.35m。

根据上支撑绳51、下支撑绳52及拉锚绳4的拉力响应值，结合图7所示耗能器的力学性能曲线，可得上支撑绳51单侧耗能器伸长量δ₁＝0.66m，下支撑绳52单侧耗能器伸长量δ₂＝1.17m，拉锚绳耗能器7伸长量δ_a1＝1.16m，δ_a2＝1.40m。

据此可得上、下支撑绳跨中变形量w₁、w₂分别为：

根据系统安装参数，系统变形前，拉锚绳4在系统侧视投影面上的投影长度l′_a为：

根据测得的拉锚绳耗能器7伸长量数据，可得变形后拉锚绳4与坡面的夹角θ的余弦为：

因此，拉锚绳4在系统侧视投影平面上的投影长度l″_a为：

l″_a＝(l_a+δ_a2)·sinθ＝(8.45+1.40)×0.876＝8.63m

柱头水平位移Δ_px为：

冲击作用后，支撑钢柱8在系统侧视投影平面上的投影长度l″_p为：

冲击作用后支撑钢柱8与坡面的角度β为：

因此β＝93.48°。

支撑钢柱8在系统侧视投影平面上的转角γ为：

γ＝β-α＝93.48°-80°＝13.48°

由正弦定理可得支撑钢柱8中部竖直位移h′为：

落石冲击位移最大时，落石与支撑钢柱8的垂直距离h为：

h＝Δh-h′＝7.35-0.65＝6.7m靠近上支撑部分网片1冲击作用后的长度L_n1为：

因此，靠近上支撑绳51部分网片1伸长量Δ_n1为：

靠近下支撑绳52部分网片1冲击作用后的长度L_n2为：

因此，靠近下支撑绳52部分的网片1伸长量Δ_n2为：

接触区域网环数量n_con为：

非接触区域环网的数量为：

单个网环变形量δ_n为：

单个网环的极限拉伸长度约为0.16m，因此网环拉伸比约为：

ξ＝max(ξ₁,ξ₂)＝0.75

因为网环拉伸比满足条件ξ≥0.7，因此网片1的损伤度为Ⅲ级，此时网片1处于极限变形阶段，无法继续使用，系统需更换网片1。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、建立基于系统受力分析的网片损伤度预测方法，包括系统耗能器伸长量、钢丝绳内力、以及落石冲击位移在内数据的实时监测，并据此在柔性网系统相应位置布置视频采集设备、拉力传感器，通过蜂窝网络无线传输进入数据处理终端，用于网片损伤度评价；

b、获取落石冲击作用时所有设备的瞬时响应数据，包括：拉锚绳拉力响应F_a，支撑绳内力响应F，此外，通过影像资料及双目测距法还原落石冲击位移量；

c、根据测得的支撑绳内力响应以及支撑绳耗能器的力学性能响应，计算支撑绳耗能器伸长量δ，采用几何分析方法获得冲击位置支撑绳变形量w₁、w₂；

d、根据拉锚绳内力响应数据以及拉锚绳耗能器的力学性能响应，计算拉锚绳耗能器伸长量δ_a，采用三角函数分析的方法，获得冲击变形最大时刻支撑钢柱的倾角变化值γ；

所述步骤d中冲击作用后，在系统侧视投影面上支撑钢柱倾角变化值γ的计算方法如下：

系统变形前，拉锚绳在系统侧视投影面上的投影长度l′_a为：

式中，l_a为拉锚绳长度，s为拉锚绳锚点间距；

由拉力传感器测得拉锚绳内力F_a1、F_a2，根据拉锚绳耗能器配置的力学性能关系，可获得拉锚绳耗能器伸长量为δ_a1、δ_a2，此时拉锚绳在系统侧视投影平面上的投影长度l″_a为：

l″_a＝(l_a+δ_a2)·sinθ

式中，θ为变形后拉锚绳与坡面夹角；

支撑钢柱柱头水平位移Δ_px的计算方法为：

冲击作用后，支撑钢柱在系统侧视投影平面上的投影长度l″_p为：

式中，l_p为支撑钢柱的柱高；

支撑钢柱安装角度为α，冲击作用后支撑钢柱的角度α′为：

式中，k为拉锚绳锚固点与支撑钢柱锚固点在系统侧视投影平面上的投影长度；

支撑钢柱在系统侧视投影平面上的转角γ为：

γ＝α'-α；

e、根据支撑钢柱倾角变化量与落石冲击位移量，计算拉力带的伸长量，从而计算拉力带区域单个网环的变形量δ_n；

所述步骤e中冲击作用后网片变形量和单个网环变形量的计算方法如下：

由正弦定理可得支撑钢柱中部竖直位移h′为：

靠近上支撑绳部分网片伸长量Δ_n1为：

h＝Δh-h′

式中，L_n1为靠近上支撑绳部分网片冲击作用后的长度；Δh为落石冲击位移；h为冲击位移最大时，落石与支撑钢柱的垂直距离；

靠近下支撑绳部分的网片伸长量Δ_n2为：

式中，L_n2为靠近下支撑绳部分网片冲击作用后的长度；

接触区域网环数量n_con计算方法为：

式中，D_s为落石的直径；D为网环直径；

非接触区域环网的数量为：

式中，n₁为靠近上支撑绳部分的网环数量；n₂为靠近下支撑绳部分的网环数量；n_y为网片安装时y轴方向网环的数量；

单个网环变形量δ_n为：

式中，δ_n1为靠近上支撑绳部分网环变形量；δ_n2为靠近下支撑绳部分网环变形量；

f、对网环损伤度建立Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级分级判断标准，根据步骤e计算结果对网片损伤度形成分级反馈，用于网片的维养判断；

g、基于上述评价方法步骤结合计算机硬件系统，采用计算机语言编写形成柔性网片损伤度快速评价的智能化评价程序。

2.根据权利要求1所述的一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，其特征在于：所述步骤c中冲击位置支撑绳变形量计算方法如下：

根据拉力传感器测得的上支撑绳和下支撑绳内力分别为F₁、F₂，根据所配置耗能器的力学性能可知上支撑绳和下支撑绳的伸长量分别为δ₁、δ₂，由此可得上支撑绳和下支撑绳跨中变形量w₁、w₂的计算方法为：

式中，l为相邻支撑钢柱之间的跨距。

3.根据权利要求2所述的一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，其特征在于：所述步骤f中网环损伤度判别方法如下：

根据网环拉伸试验，单环极限拉伸长度为δ，可算得网环拉伸比ξ为：

结合网环拉伸比ξ的结果，将网环损伤度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，判别标准与网片维养决策如下：

当网环拉伸比ξ满足条件ξ<0.4时，判定网片损伤度为Ⅰ级，此时网片处于弹性变形阶段，还可以抵挡落石冲击；

当网环拉伸比ξ满足条件0.4≤ξ<0.7时，判定网片损伤度为Ⅱ级，此时网片处于塑性变形阶段，可抵挡设计冲击能量30％的冲击作用；

当网环拉伸比ξ满足条件ξ≥0.7时，判定网片损伤度为Ⅲ级，此时网片处于极限变形阶段，无法继续使用，系统需更换网片。

4.根据权利要求3所述的一种灾后柔性网系统网片损伤度快速评价方法，其特征在于：编写智能化评价程序的计算机语言包括java语言、Python语言、C语言和C++语言。

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