CN114894111A - 一种基于应变和沉降的体育场馆钢结构安全监测的装置及方法 - Google Patents

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李康
王智达
刘欣
张津
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Anhui Baijia Technology Co ltd
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Anhui Baijia Technology Co ltd
XUZHOU ZM-BESTA HEAVY STEEL STRUCTURE CO LTD
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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C5/00—Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels

Abstract

本发明提供了一种基于应变和沉降的体育场馆钢结构安全监测装置及方法，包括数据传感器系统、数据采集与处理系统、数据传输系统、信息分析与安全评估系统。本发明通过在体育场馆钢结构的指定测量点处安装应变力和沉降传感器，获取该结构的应变和沉降发生响应信号。利用数据采集与处理系统对获取的信号进行处理，并将处理的信号经传输系统传输至信息分析与安全评估系统，通过专家分析系统判断该体育场馆钢结构是否在正常应变和沉降发生范围内，为后续评估该结构的安全状态与检修工作打下基础。

Description

一种基于应变和沉降的体育场馆钢结构安全监测的装置及 方法
技术领域
本发明涉及建筑结构安全监测技术领域，具体涉及一种基于应变和沉降的体育场馆钢结构安全监测的装置及方法。
背景技术
建筑业的发展是由建筑物的综合质量决定的，因此在实际建筑施工环节，必须对建筑物开展结构检测，实时的知悉建筑物的安全状态，采取有效的检修方法，保障建筑物的整体质量。而随着建筑行业的不断发展，越来越多的建筑物不断出现，随之而来的是建筑用地不断减少。而相较于兴建新的建筑项目，在原有建筑物基础上进行加固，提升建筑物的整体质量，会明显增加建筑物的使用寿命，并节省大量的时间和建筑成本。尤其是对一些具有历史文化传承的古建筑，基于保护的目的应当及时进行结构检测并实行后期的加固，而不能进行重建。传统的钢建筑结构已经无法保障建筑物整体的耐久性，这就需要把工作方向转变对建筑物进行结构检测与后期的检修与保养，让建筑物能够满足新时代的新需求，在保障建筑物整体质量，为社会和大众提供更好服务的同时，推动建筑业的高速发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于应变和沉降的体育场馆钢结构安全监测的装置及方法，通过应变力和沉降监测传感器所测数据分别与结构本身计算得来的数据进行比较来判断该体育场馆钢结构是否处于安全状态，该方法能够准确识别并监测该结构的状况，对结构后期的检修工作具有指导意义。
为实现上述目的，一种基于应变和沉降的体育场馆钢结构安全监测的装置及方法，包括传感器系统、数据采集与处理系统、数据传输系统、信息分析与安全评估系统；
所述传感器系统主要由应变光纤光栅传感器和沉降检测传感器 (静力水准仪)组成；
所述数据采集与处理系统与传感器系统连接，主要用于采集传感器所得信号并储存在相应的器件内；
所述数据传输系统利用无线传感技术来完成，将数据采集与处理系统器件中储存的数据传输到信息分析与安全评估系统中；
所述信息分析与安全评估系统由计算机和信号处理器所组成，用于分析各种信号并转化为具体数据显示在平台上；
所述的体育场馆钢结构部分由屋盖和立面维护两部分组成，其中屋盖采用空间平面桁架结构；平面桁架沿径向和环向正交布置，共7 个环向桁架；主桁架通过建筑物中心且由铸钢节点构成一体，分别支承在12根柱状支座上；屋盖按支座所围成的圆周分为两部分，即中心圆部分和外围护圆部分，立面维护幕墙采用空间折面网格结构，由 36个形状大小一致的结构单元构成，每个结构单元上部与结构主体钢屋盖相连，下部支撑在混凝土结构顶板处，上、下连接点均采用铰链，整体结构图和截面图见附图。截面图选择e1和e7之间桁架的截面，以及e4和e10之间的桁架，在截面图中做以下规定：
记上层中点为a0，从中点左侧开始到最左端的钢杆交接点依次记为a1，a2，……，a7；
记下层中点为b0，从中点左侧开始到最左端的钢杆交接点依次记为b1，b2，……，b7；
连接上下层的正中间竖杆记为c0，从中线左侧开始到最左端依次记为c1，c2，……，c7；
连接a0，a1的横杆记为a01，连接a1，a2的横杆记为a12，以此类推；
连接b0，b1的横杆记为b01，连接b1，b2的横杆记为b12，以此类推；
连接a1，b0的斜杆记为c01，连接a2，b1的横杆记为c12，以此类推；
取一根柱状支座记为e1，按顺时针方向记其他柱状支座分别为e2到e12。
传感器的安装包括以下步骤：
步骤1，按照体育馆钢结构自身的受力分析特点及对称性，同时考虑监测的经济性和有效性，按照杆件应变最大的原则选取应变光纤光栅传感器安装点，布置测点30个；
步骤2，在e1到e7之间的桁架上布置15个安装点，前三个安装点分别位于中间竖杆的上下两个焊接点和竖杆的中心点，后几个安装点位于左侧b1点位、c2竖杆的中点、a4点位、c45斜杆的中点、b6点位、柱状支座的中心点，根据对称原则，剩余传感器的安装点位于该结构右侧相同位置，保证整体结构对称性，后15个安装点布置在e4-e10间桁架的相同位置(见图中圆点标记)，静力水准仪安装在每个支座底端(见图中三角形标记)；
进一步，将所有采集到的信号汇集到检测现场的数据收发器，通过无线传感技术将数据传送到远端控制室，控制室利用同样的收发器来接受来自现场的传感器信号，通过数据分析仪的处理，得到体育场馆钢结构的应变发生情况与整体的沉降状态。
进一步，根据应变检测传感器监测到的应变数据结合体育馆场钢结构本身的应变程度与荷载的关联性判断是否处于正常应变状态，测量公式为：
Figure BDA0003605018030000041
K剪切修正系数，L纵向长度，h应变检测点相对于水平面的高度，q最大荷载重量，μ＝6.52，A截面积，E弹性模量，I截面惯性矩， x应变检测点与所加荷载处的相对距离。
当传感器所测应变数值σ0≤1.55σ时，结构应变正常；当σ0≥ 1.55σ时，该结构应变较严重。
进一步，根据静力水准仪监测的数据结合体育场馆钢结构本身整体沉降与荷载的关联性判断是否处于正常沉降情况，测量公式为：
Figure BDA0003605018030000042
D为沉降距离，单位为mm，α取0.02677，β取0.6693，q为最大荷载重量，γ为0.3967，c为-0.1935，b取0.07642，W为3.138，
Figure BDA0003605018030000043
为- 0.3586，δ为-17.61，μ为-25.82，τ为30.31
当传感器所测沉降数值D0≤14.28D时，结构沉降状况正常；当D0≥14.28D时，结构沉降状况严重。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明结构传感器安装点分布图
图3本发明结构应变、沉降监测与安全评估流程图
以上内容仅仅是对本发明结构所作的说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体结构做各种各样的修改或补充，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于应变和沉降检测的体育场馆钢结构安全监测装置及方法，其特征在于，包括有：传感器系统、数据采集与处理系统、数据传输系统、信息分析与安全评估系统；
所述传感器系统主要由应变检测传感器和沉降检测传感器(静力水准仪)组成；
所述数据采集与处理系统与传感器系统连接，主要用于采集传感器所得信号并储存在相应的器件内；
所述数据传输系统利用无线传感技术来完成，将数据采集与处理系统器件中储存的数据传输到信息分析与安全评估系统中；
所述信息分析与安全评估系统由计算机和信号处理器所组成，用于分析各种信号并转化为具体数据显示在平台上。
2.根据权利要求书1所述的一种基于应变和沉降检测的体育场馆钢结构安全检测装置与方法，其特征在于，所述的体育场馆钢结构部分由屋盖和立面维护两部分组成，其中屋盖采用空间平面桁架结构；平面桁架沿径向和环向正交布置，共7个环向桁架；主桁架通过建筑物中心且由铸钢节点构成一体，分别支承在12根柱状支座上；屋盖按支座所围成的圆周分为两部分，即中心圆部分和外围护圆部分，立面维护幕墙采用空间折面网格结构，由36个形状大小一致的结构单元构成，每个结构单元上部与结构主体钢屋盖相连，下部支撑在混凝土结构顶板处，上、下连接点均采用铰链，整体结构图和截面图见附图。
3.根据权力要求1所述的一种基于应变与沉降检测的体育场馆钢结构安全检测装置与方法，其特征在于，截面图选择e1和e7之间桁架的截面，以及e4和e10之间的桁架；在截面图中做以下规定：
记上层中点为a0，从中点左侧开始到最左端的钢杆交接点依次记为a1，a2，……，a7；
记下层中点为b0，从中点左侧开始到最左端的钢杆交接点依次记为b1，b2，……，b7；
连接上下层的正中间竖杆记为c0，从中线左侧开始到最左端依次记为c1，c2，……，c7；
连接a0，a1的横杆记为a01，连接a1，a2的横杆记为a12，以此类推；
连接b0，b1的横杆记为b01，连接b1，b2的横杆记为b12，以此类推；
连接a1，b0的斜杆记为c01，连接a2，b1的横杆记为c12，以此类推；
取一根柱状支座记为e1，按顺时针方向记其他柱状支座分别为e2到e12。
4.根据权力要求1所述的一种基于应变与沉降检测的体育场馆钢结构安全检测装置与方法，其特征在于，传感器的安装包括以下步骤：
步骤1，按照体育馆钢结构自身的受力分析特点及对称性，同时考虑监测的经济性和有效性，按照杆件应变最大的原则选取应变光纤光栅传感器安装点，布置测点30个；
步骤2，在e1到e7之间的桁架上布置15个安装点，前三个安装点分别位于中间竖杆的上下两个焊接点和竖杆的中心点，后几个安装点位于左侧b1点位、c2竖杆的中点、a4点位、c45斜杆的中点、b6点位、柱状支座的中心点，根据对称原则，剩余传感器的安装点位于该结构右侧相同位置，保证整体结构对称性，后15个安装点布置在e4-e10间桁架的相同位置(见图中圆点标记)，静力水准仪安装在每个支座底端(见图中三角形标记)；
步骤3，将所有采集到的信号汇集到检测现场的数据收发器，通过无线传感技术将数据传送到远端控制室，控制室利用同样的收发器来接受来自现场的传感器信号，通过数据分析仪的处理，得到体育场馆钢结构的应变发生情况与整体的沉降状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于应变与沉降检测的体育场馆钢结构安全检测装置与方法，其特征在于，体育场馆钢结构的应变程度与荷载的关联性，其测量公式为：
Figure FDA0003605018020000031
式中，K为剪切修正系数；L为纵向长度；h为应变检测点相对于水平面的高度；q为最大荷载重量；μ＝6.52；A为截面积；E为弹性模量；I为截面惯性矩；x为应变检测点与所加荷载处的相对距离；
由上述公式计算所得的应变σ可用于判断体育场馆钢结构是否处于正常应变状态；当传感器所测应变数值σ0≤1.55σ时，结构应变正常；当σ0≥1.55σ时，该结构应变较严重；这为评估钢结构应变状态和检修工作做出了贡献。
6.根据权利要求1所述的一种基于应变与沉降检测的体育馆钢结构安全检测装置与方法，其特征在于，体育场馆钢结构整体的沉降与荷载的关联性，其测量公式为：
Figure FDA0003605018020000041
式中，D为沉降距离，α取0.02677，β取0.6693，q为最大荷载重量，γ为0.3967，c为-0.1935，b取0.07642，W为3.138，
Figure FDA0003605018020000042
为-0.3586，δ为-17.61，μ为-25.82，τ为30.31；
由上述公式计算所得的沉降D可用于判断该体育场馆钢结构是否处于正常沉降状态：传感器所测沉降数值D0≤14.28D时，结构沉降状况正常；当D0≥14.28D时，结构沉降状况严重；这为评估钢结构沉降状态和检修工作做出了贡献。
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