CN115270281B - 一种大跨空间钢结构监测优化布点方法 - Google Patents
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Abstract
一种大跨空间钢结构监测优化布点方法，属于结构监测技术领域，依据大跨空间钢结构的实际结构及物理属性，创建大跨空间钢结构的有限元分析模型；依据所述有限元分析模型，按照所述大跨空间钢结构的实际荷载水平，计算各施工阶段所述大跨空间钢结构所有杆件的应力，得到各杆件在所有施工阶段中的杆件应力峰值，以及各杆件在相邻施工阶段中的杆件应力差值最大值；分别针对所述杆件应力峰值、杆件应力差值最大值筛选需要布置监测点的杆件，并将两种筛选方式的结果取并集，获得所述大跨空间钢结构最终需要布置监测点的杆件编号和数量。以上方法可以避免监测布点出现冗余、或者关键位置未进行监测等问题，保证结构监测的安全性，节约硬件成本。
Description
技术领域
本发明属于结构监测技术领域，特别涉及一种大跨空间结构的优化布点方法。
背景技术
空间钢结构是由多根杆件按照一定组合形式通过节点连接而成的空间受力结构，属于高次超静定结构类型。空间结构中由于各个杆件通过节点相互连接，构成整体结构，共同承担荷载，空间受力小。结构的整体性较好，自重轻、刚度大、抗震性能好。
大跨空间结构一般是大型活动的场所，人流密集，所以结构的安全性至关重要，一旦这些建筑发生损坏，带来的财产和人员的损失非常巨大，发生的后果难以想象。近年来网架结构的安全事故频发，后果非常严重，不仅会对人们的正常生活造成影响，而且会造成重大的生命和财产的损失。主要原因包括施工缺陷、环境作用、材料老化、自然环境侵蚀、地基不均匀沉降、人为因素等，在各种因素的共同作用下，会使结构产生损伤累积，导致结构的抗力变小，结构失去抗力的情况下会发生破坏性的事故。结构在施工阶段或者后期的正常使用时，一旦发生损坏致使结构失效，造成的经济损失不可估量。为此，除了严格控制设计阶段外，对空间钢结构在施工和运维期做好结构的健康监测至关重要。
传统方式的健康监测一般采用的方法为：采用仿真分析与理论分析相结合，找出结构薄弱应力或者变形较大位置，再根据预设数目在应力较大处布置应变计、在变形较大处布置位移计。传统的传感器布置方式大多基于工程师的工程经验和仿真分析结果，工程师根据结构的传力路径分析结构哪些部位属于薄弱位置，也会结合有限元软件分析验证，然后在这些部位布置传感器进行结构施工阶段和运维阶段的安全监测。该方法的缺陷是一方面容易造成传感器布置的冗余；另一方面，传感器布置与工程经验相关，会有一定主观性，可能造成测点布置位置的不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大跨空间钢结构监测优化布点方法，以解决大跨空间结构监测时选点的传感器布置冗余、需要大量人工工作等技术问题。
本发明提供一种大跨空间钢结构监测优化布点方法，包括以下步骤：
步骤S01、依据大跨空间钢结构的实际结构及物理属性，创建大跨空间钢结构的有限元分析模型；
步骤S02、依据所述有限元分析模型，按照所述大跨空间钢结构的实际荷载水平，计算各施工阶段所述大跨空间钢结构所有杆件的应力，得到各杆件在所有施工阶段中的杆件应力峰值，以及各杆件在相邻施工阶段中的杆件应力差值最大值；
步骤S03、针对所述杆件应力峰值，筛选需要布置监测点的杆件；具体包括以下步骤：
S03-1、针对步骤S02中的所述杆件应力峰值，筛选所述杆件应力峰值的绝对值大于经验性选取的可能最大值σ smax，记录相应的杆件编号和数量；
S03-2、降低所述可能最大值σ smax，重新按照步骤S03-1的方法筛选，直至得到能接受的监测点布置数目；存储abs（应力最大值）筛选标准下选取的杆件编号和数量；
步骤S04、针对所述杆件应力差值最大值，筛选需要布置监测点的杆件；具体包括以下步骤：
S04-1、针对步骤S02中的所述杆件应力差值最大值，筛选所述杆件应力差值最大值的绝对值大于经验性选取的可能最大值σ Δsmax，记录相应的杆件编号和数量；
S04-2、降低所述可能最大值σ Δsmax，重新按照步骤S04-1的方法筛选，直至得到能接受的监测点布置数目，存储abs（应力差值最大值）筛选标准下选取的杆件编号和数量；
步骤S05、将步骤S03及步骤S04筛选得到的杆件取并集，获得所述大跨空间钢结构最终需要布置监测点的杆件编号和数量。
其中，步骤S03、步骤S04可同步修改筛选标准。
采用本发明提供的大跨空间钢结构监测优化布点方法，首先避免了选点的主观性，完全依据有限元分析的结果，把所有阶段杆件应力差值和应力峰值统计计算出来，并严格按照大小排序，筛选构件；其次，依据对结构安全最敏感的杆件进行布点，在一定程度上解决传感器布置的冗余，从而相对来说可以减少传感器布置数量，节省硬件成本。
具体实施方式
为说明清楚本发明的目的、技术细节及有效应用，使之便于本领域普通技术人员理解与实施，下面将结合本发明实施例作进一步的详细阐述。显然，此处描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种大跨空间钢结构监测优化布点方法，主要包括以下步骤：
步骤S01、依据大跨空间钢结构的实际结构及物理属性，采用有限元软件创建大跨空间钢结构的有限元分析模型，所述有限元软件可采用本领域常用的有限元分析软件，在此不做限定。
步骤S02、依据所述有限元分析模型，按照所述大跨空间钢结构的实际荷载水平，计算各施工阶段所有杆件应力，得到各杆件在所有施工阶段中的杆件应力峰值，以及各杆件在相邻施工阶段中的杆件应力差值最大值。
具体而言，对于所述杆件应力峰值，假定所述大跨空间结构共有N个施工阶段，采用有限元分析方法分别计算N个施工阶段中所述大跨空间结构的所有杆件应力，也即：针对杆件m，得到N个施工阶段下的应力σ m1，σ m2……σ mN，并计算σ m1，σ m2……σ mN中拉应力的最大值σ mmax和压应力最大值σ -mmax；分别计算m个杆件的应力状况，并得到m个拉应力最大值σ max和压应力最大值σ -max。
对于所述杆件应力差值最大值，假定所述大跨空间结构共有N个施工阶段，采用有限元分析方法分别计算N个施工阶段中所述大跨空间结构的所有杆件应力，也即，针对杆件m，得到N个施工阶段下的应力σ m1，σ m2……σ mN；再依据上述应力，计算N-1个相邻的施工阶段中，杆件m的应力差值，即Δσ m1=σ m2 -σ m1、Δσ m2=σ m3 -σ m2，……σ mN-1=σ mN -σ mN-1；计算Δσ m1、Δσ m2……Δσ mN-1中的绝对值最大值，得到杆件m在相邻施工阶段中的杆件应力差值最大值Δσ mmax；分别计算m个杆件的应力差值，并得到m个杆件应力差值最大值Δσ max。
步骤S03、针对所述各施工阶段杆件应力峰值，筛选需要布置监测点的杆件。具体步骤如下：
S03-1、针对步骤S02中的所述杆件应力峰值，筛选所述杆件应力峰值的绝对值大于经验性选取的可能最大值σ smax。例如选取σ smax=200Mpa作为筛选的初值，筛选所述拉应力最大值σ max或压应力最大值σ -max的绝对值大于200Mpa的杆件，记录相应的杆件编号和数量；
S03-2、降低所述可能最大值σ smax，重新按照步骤S03-1的方法筛选，直至得到能接受的传感器布置数目，存储abs（应力最大值）筛选标准下选取的杆件编号和数量。
步骤S04、针对所述杆件应力差值最大值，筛选需要布置监测点的杆件。具体步骤如下：
S04-1、针对步骤S02中的所述杆件应力差值最大值，筛选所述杆件应力差值最大值的绝对值大于经验性选取的可能最大值σ Δsmax。例如选取σ Δsmax=100Mpa作为筛选的初值，筛选所述杆件应力差值最大值Δσ max的绝对值大于100Mpa的杆件，记录相应的杆件编号和数量；
S04-2、降低所述可能最大值σ Δsmax，重新按照步骤S04-1的方法筛选，直至得到能接受的传感器布置数目，存储abs（应力差值最大值）筛选标准下选取的杆件编号和数量。
步骤S05、将步骤S03及步骤S04筛选得到的杆件取并集，获得大跨空间钢结构最终需要布置监测点的杆件编号和数量。
具体而言，步骤S03、步骤S04可同步修改筛选标准，将两种筛选得到的杆件编号取并集，可获取最终的需要布置应变传感器的杆件编号及数量。
按照本发明的上述方法对施工阶段大跨空间钢结构的监测布点进行优化选取，可以避免工程师凭个人经验选取的监测布点出现布点冗余、或者关键位置未进行监测等问题，保证结构监测的安全性，同时节约硬件成本。
Claims (4)
1.一种大跨空间钢结构监测优化布点方法，包括以下步骤：
步骤S01、依据大跨空间钢结构的实际结构及物理属性，创建大跨空间钢结构的有限元分析模型；
步骤S02、依据所述有限元分析模型，按照所述大跨空间钢结构的实际荷载水平，计算各施工阶段所述大跨空间钢结构所有杆件的应力，得到各杆件在所有施工阶段中的杆件应力峰值，以及各杆件在相邻施工阶段中的杆件应力差值最大值；
步骤S03、针对所述杆件应力峰值，筛选需要布置监测点的杆件；
步骤S04、针对所述杆件应力差值最大值，筛选需要布置监测点的杆件；
步骤S05、将步骤S03及步骤S04筛选得到的杆件取并集，获得所述大跨空间钢结构最终需要布置监测点的杆件编号和数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S03具体包括以下步骤：
S03-1、针对步骤S02中的所述杆件应力峰值，筛选所述杆件应力峰值的绝对值大于经验性选取的应力峰值可能最大值σ smax，记录相应的杆件编号和数量；
S03-2、降低所述应力峰值可能最大值σ smax，重新按照步骤S03-1的方法筛选，直至得到能接受的监测点布置数目；存储应力最大值筛选标准下选取的杆件编号和数量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S04具体包括以下步骤：
S04-1、针对步骤S02中的所述杆件应力差值最大值，筛选所述杆件应力差值最大值的绝对值大于经验性选取的应力差值可能最大值σ Δsmax，记录相应的杆件编号和数量；
S04-2、降低所述应力差值可能最大值σ Δsmax，重新按照步骤S04-1的方法筛选，直至得到能接受的监测点布置数目，存储应力差值最大值筛选标准下选取的杆件编号和数量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S03、步骤S04同步修改筛选标准。
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| 大跨度钢结构施工过程仿真分析;吴穷，等;《工业建筑》;20181231;第48卷(第02期);127-131 * |
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