CN115329426A - 一种结构施工卸载力学转换的监控点位确定方法和装置 - Google Patents

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CN115329426A CN202210909042.1A CN202210909042A CN115329426A CN 115329426 A CN115329426 A CN 115329426A CN 202210909042 A CN202210909042 A CN 202210909042A CN 115329426 A CN115329426 A CN 115329426A
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Abstract

本发明公开了一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法和装置，涉及土木工程技术领域。其中，所述监控点位确定方法包括以下步骤：分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数；根据所述影响系数确定重要构件；使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。本发明以力学体系转换过程中构件响应对结构位形的影响系数确定施工卸载的重要构件，以结构位形对重要构件状态变化的灵敏度筛选监控点位，确定了施工卸载阶段的监控点位，实现了监控点位的优化布置。

Description

一种结构施工卸载力学转换的监控点位确定方法和装置
技术领域
本申请涉及土木工程技术领域，具体涉及一种结构施工卸载力学转换的监控点位确定方法和装置。
背景技术
在结构的前期设计与优化阶段，是一次性建立所有结构、一次性施加所有荷载。但是在实际施工过程中，考虑到结构自重和施工荷载引起的前期变形，采用临时支撑、吊杆、结构预起拱的施工方式达到结构理想位形，与设计概念中通过竖向落地构件传递结构自身重力不同，施工过程中结构自身重力与施工荷载通过临时支撑与已完工的竖向构件传递至地基。临时支撑并不是结构的组成部分，因此会根据施工进度与施工方案在施工达到预定进度时进行拆除卸载，在这一过程中存在着以边界约束减少、结构几何非线性增强为特征的结构力学体系转换。
在结构施工过程中使用临时支撑作为辅助构件，施工前期临时支撑传递结构竖向荷载，对结构位形进行约束；支撑在结构达到设定位形后进行卸载，结构力学体系转换。然而在力学体系转换过程中，结构变形累积和结构内力重分布引起结构变形超限。此外，基于施工经验或有限元模型分析制定支撑卸载方案，没有考虑结构施工状态与结构设计状态在整体刚度和荷载上的差别，无法对施工过程中的突发情况进行变形冗余度储备。
相关技术中，为确定监控点位，一种技术是通过有限元模型分析确定施工卸载的结构最大应力构件，该方法只考虑到应力的极值，忽略了构件应力在施工过程中的变化；另一种技术是根据施工经验选取施工过程中容易超出应力范围的构件，该方法无法应对复杂结构应力变化的情况。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种结构施工卸载力学转换的监控点位确定方法和装置。
第一方面，本发明实施例提供的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，包括以下步骤：
S10：分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数；
S20：根据所述影响系数确定重要构件；
S30：使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。
进一步地，所述力学体系转换为卸载引起的结构变形累积和自由度改变。
进一步地，所述传力路径为施工支撑脱离前后，结构自重和施工荷载传递至地基的路径。
进一步地，所述影响系数为结构位形增量与构件响应增量的比值。
进一步地，根据所述影响系数确定出与所述结构位形关系密切的构件为所述重要构件。
进一步地，所述重要构件是通过构件响应变化与支撑反力之间的相关性进行评估确定的。
进一步地，所述灵敏度分析包括结构施工监控的可靠性分析和重要构件刚度的分布参数分析；
所述施工监控的可靠性是在特定的施工工况下，结构满足变形限值要求的条件概率；
所述重要构件刚度的分布参数为重要构件的弹性模量在施工误差因素影响下的分布参数。
进一步地，所述确定施工卸载的结构监控点位是通过有限元模型分析完成。
进一步地，所述监控点位是根据结构位形对重要构件刚度变化的灵敏度大小进行评估确定的。
第二方面，本发明实施例提供的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定装置，包括：
影响系数计算模块，用于分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数；
重要构件确定模块，用于根据所述影响系数确定重要构件；
监控点位分析模块，用于使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。
本发明实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
本发明实施例在力学体系转换后，首先计算传力路径中构件响应对结构位形的影响系数，并根据所述影响系数确定施工过程中的重要构件；然后获取结构位形对重要构件状态变化的灵敏度，并使用所述灵敏度确定施工卸载的结构监控点位，从而保证施工卸载监控点位的有效性，实现了监控点位的优化布置。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明实施例的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定装置的结构框图。
图中附图标记为：
影响系数计算模块100；重要构件确定模块200；监控点位分析模块300。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和装置的例子。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
实施例1
图1为本发明实施例提供的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定的流程示意图。该方法可以包括以下步骤：
步骤S10：分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数。
本实施例中，所述力学体系转换为卸载引起的结构变形累积和自由度改变。所述传力路径为施工支撑脱离前后，结构自重和施工荷载传递至地基的路径。
按照实际施工方案对结构卸载进行模拟，在结构卸载过程中，结构变形累积和自由度改变可引起结构内力重分布。
其中，施工过程中的误差主要由几何大变形、自由度改变导致，但这一过程中结构材料处于弹性范围内。在主体结构卸载前，平衡方程：
K0U0＝P0
式中，K0为第一批卸载前的结构整体刚度矩阵；P0为第一批卸载前的整体荷载；U0为第一批卸载前的整体位移。
进行第一个卸载阶段之后，发生了支撑与主体结构脱离的情况下，此时整体刚度矩阵的自由度增加。对于卸载前的整体刚度矩阵K0减去受到脱离支撑影响的刚度系数，此平衡方程：
(K0-K1)ΔU1＝ΔP1
式中，K1为第一批被拆除支撑对剩余结构的刚度系数；ΔU1为第一批卸载后的结构位形增量；ΔP1为第一批卸载后的结构荷载增量。
以此类推，当第w个阶段的施工卸载完成后，结构的平衡方程为
(K0-K1-…-Kk-…-Kw)ΔUw＝ΔPw
式中，Kk为第k批被拆除支撑对剩余结构的刚度系数；ΔUw为第w批卸载后的结构位形增量；ΔPw为第w批卸载后的结构荷载增量。
由以上可得，在大型结构的施工卸载过程中，最终的结构变形来源于在各个卸载阶段的变形累积，表示为：
Figure BDA0003773367020000051
式中，ΔUk为第k个卸载阶段的整体结构位移增量。
施工卸载过程中的自由度改变和几何非线性对施工监控有明显影响，大变形情况下的构件平衡方程为
Figure BDA0003773367020000052
式中，
Figure BDA0003773367020000053
为第k个力学体系下的单元切线刚度矩阵；
Figure BDA0003773367020000054
为第k个力学体系转换过程中的单元节点位移增量；而ΔPk为第k个力学体系下的构件荷载增量。
构件在几何大变形情况下的切线刚度矩阵
Figure BDA0003773367020000055
由构件的弹性刚度矩阵、初应力刚度矩阵、初应变刚度矩阵组成，表示为
Figure BDA0003773367020000056
式中，
Figure BDA0003773367020000057
为第k个力学体系下的构件弹性刚度矩阵；
Figure BDA0003773367020000058
为第k个力学体系下的构件初应力刚度矩阵；而
Figure BDA0003773367020000059
为第k个力学体系下的构件初应变刚度矩阵。
步骤S20：根据所述影响系数确定重要构件。
本实施例中，所述影响系数为结构位形增量与构件响应增量的比值。所述步骤S10在结构内力重分布的过程中，由于传力路径上的重要构件内力变化与支撑内力变化保持较高的相关性，则根据构件内力与结构位形的相关性确定重要构件。
进一步地，所述步骤S20具体包括：根据所述影响系数确定出与所述结构位形关系密切的构件为所述重要构件。
所述重要构件确定方法包括相关系数计算，影响矩阵求解。所述相关系数为不同结构力学体系下构件响应与结构位形变化之间的相关系数；所述影响矩阵求解方法是由构件响应与结构位形之间的影响系数组成影响矩阵。
实施时，结构在设计阶段确定的位形ut：
Figure BDA0003773367020000061
式中，
Figure BDA0003773367020000062
为第i个节点在结构设计阶段确定的位形；n为结构节点数量。
施工卸载监控的主要途径是通过控制施工支撑每一步的卸载距离使主体结构逐步下降，直至达到设计位形。同比例卸载下施工支撑每个卸载步下降的理想距离
Figure BDA0003773367020000063
Figure BDA0003773367020000064
式中，
Figure BDA0003773367020000065
为与第i个施工支撑相连的节点在设计阶段确定的位置；w为施工卸载步数。
按照分为w步进行等距卸载，在结构力学体系不发生转换的情况下，施工支撑下降引起的结构位形Δu：
Figure BDA0003773367020000066
但是由于结构力学体系转换，即使是相同的卸载距离在不同的力学体系状态下引起的结构位形变化也不相同。第k个力学体系转换过程中的节点位形增量
Figure BDA0003773367020000067
Figure BDA0003773367020000068
式中，
Figure BDA0003773367020000069
为第k+1个力学体系下的第i个节点实际位置；
Figure BDA00037733670200000610
为第k个力学体系下的第i个节点实际位置。
此时结构在第k个力学体系转换过程中的实际位形变化Δuk：
Figure BDA00037733670200000611
式中，
Figure BDA00037733670200000612
为第k个力学体系下的第i个节点位形变化。
在不同的力学体系转换过程中，由于构件响应与结构位形之间的相关性，有些构件响应与结构位形之间存在影响关系，在第k个力学体系状态下，关联构件响应
Figure BDA0003773367020000071
Figure BDA0003773367020000072
式中，
Figure BDA0003773367020000073
为第k个力学体系下第i个响应值；d为关联构件数量。
第k个力学体系转换过程中的关联构件响应增量
Figure BDA0003773367020000074
Figure BDA0003773367020000075
式中，
Figure BDA0003773367020000076
为第k+1个力学体系下第i个关联构件响应；
Figure BDA0003773367020000077
为第k个力学体系下第i个关联构件响应。
在第k个力学体系向下一个力学体系转换过程中，关联构件响应的增量
Figure BDA0003773367020000078
Figure BDA0003773367020000079
第k个力学体系转换过程中，j关联构件响应增量与i节点位形增量之间的影响系数
Figure BDA00037733670200000716
Figure BDA00037733670200000711
当关联构件响应
Figure BDA00037733670200000712
发生改变时，结构位形变化Δuk：
Figure BDA00037733670200000713
第k个力学体系下的关联构件响应对结构位形的影响矩阵Ak：
Figure BDA00037733670200000714
式中，
Figure BDA00037733670200000715
为第k个力学体系下j关联构件响应增量与i位形增量的影响系数。
但是在不同的力学体系下，响应对应的影响矩阵的维度和影响系数不相同，不同力学体系下的影响矩阵集合A：
A＝{A1,A2,…,Ak,…,Am}
式中，Ak第k个施工力学体系下的影响矩阵；m为结构力学体系的个数。
因此，利用影响矩阵和关联构件响应可实现结构位形监控。在施工卸载阶段，前期的结构位形影响结构的竣工状态，施工监控的目的是使结构竣工状态尽量接近结构设计状态，最终经过m个施工卸载导致的结构力学体系转换之后，结构的竣工位形u：
Figure BDA0003773367020000081
利用影响矩阵能够表示关联构件响应对结构位形的影响关系，合理的施工卸载应考虑力学体系转换引起的影响系数变化，通过关联构件响应准确地反映结构的施工控制情况。
所述重要构件可以是通过构件响应变化与支撑反力之间的相关性进行评估确定的。
步骤S30：使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。
本实施例中，所述灵敏度分析包括结构施工监控的可靠性分析和重要构件刚度的分布参数分析。
所述施工监控的可靠性是在特定的施工工况下，结构满足变形限值要求的条件概率。
所述重要构件刚度的分布参数为重要构件的弹性模量在施工误差因素影响下的分布参数。
所述灵敏度分析优选为结构位形可靠性对构件刚度分布参数的导数。
实施时，结构在施工前的设计论证阶段会对结构竣工状态的位形进行限制，在设计的理想情况下，第k个力学体系下的结构位形uk：
Figure BDA0003773367020000082
式中，
Figure BDA0003773367020000083
为不考虑误差情况第k个力学体系下的第i个节点位形。
而在影响因素的作用下，结构响应uk'为
Figure BDA0003773367020000084
对于施工结构，结构失效概率表示为
Figure BDA0003773367020000085
式中，
Figure BDA0003773367020000086
为第k个力学体系下的结构位形的最大值；ulimit为结构监控位形限值，在施工方案制定时确定。
其中，结构位形的最大值
Figure BDA0003773367020000091
Figure BDA0003773367020000092
不同的关联构件响应对不同节点位形的影响不同，因此监控点位需要以构件响应与结构位形的关联性为基础，在力学体系转换过程中，构件响应xi：
Figure BDA0003773367020000093
式中，
Figure BDA0003773367020000094
为第k个力学体系下第i个结构响应值；m为结构力学体系的个数。
结构j节点位形uj为
Figure BDA0003773367020000095
式中，
Figure BDA0003773367020000096
为第k个力学体系下第j个节点位形值。
xi和uj的相关系数
Figure BDA0003773367020000097
Figure BDA0003773367020000098
式中，
Figure BDA0003773367020000099
为uj的均值；
Figure BDA00037733670200000910
为xi的均值。
大悬挑与大跨结构的构件数目众多，计算所有构件在不同力学体系下与结构位形的相关系数会导致计算量大且存在较多干扰项。由与结构有关联的d个关联构件响应可以组成灵敏度分析的关联构件响应矩阵xr：
Figure BDA00037733670200000911
式中，
Figure BDA00037733670200000912
为第k个力学体系下第i个关联构件响应。
监控点位的筛选通过有限元模型分析完成，流程为逐一设定关联构件的弹性模量均值与标准差，在均值与标准差确定的分布中对构件弹性模量随机抽样，计算不同弹性模量对应的结构位形，求解结构位形变化对弹性模量变化的灵敏度。关联构件响应矩阵对应的d个构件弹性模量的分布参数sE：
Figure BDA0003773367020000101
式中，
Figure BDA0003773367020000102
为第i个关联构件的弹性模量分布参数。
对应的结构位形的灵敏度求解SE：
Figure BDA0003773367020000103
式中，
Figure BDA0003773367020000104
为第i个关联构件的弹性模量标准差对应的位形灵敏度。
对求解出的灵敏度进行排序，筛选出前g个对结构位形有明显影响的分布参数，对应的构件响应组成新的监控响应矩阵x：
Figure BDA0003773367020000105
式中，
Figure BDA0003773367020000106
为第k个力学体系下第i个监控响应。
其中，所述监控点位是根据结构位形对重要构件刚度变化的灵敏度大小进行评估确定的。
所述监控点位确定方法可以是结构位形对构件刚度灵敏度的排序从大至小筛选。
在力学体系转换后，本发明实施例首先计算传力路径中构件响应对结构位形的影响系数，并根据所述影响系数确定施工过程中的重要构件；然后获取结构位形对重要构件状态变化的灵敏度，并使用所述灵敏度确定施工卸载的结构监控点位，从而保证施工卸载监控点位的有效性，实现了监控点位的优化布置。
实施例2
本发明的实施例还提供一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定装置，可应用于上述实施例中的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法中。其中，如图2所示，所述装置主要包括影响系数计算模块100、重要构件确定模块200、监控点位分析模块300。其中：
所述影响系数计算模块100，用于分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数。
重要构件确定模块200，用于根据所述影响系数确定重要构件。
监控点位分析模块300，用于使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。
在力学体系转换后，本发明实施例首先通过所述影响系数计算模块100计算传力路径中构件响应对结构位形的影响系数，并采用所述重要构件确定模块200根据所述影响系数确定施工过程中的重要构件；然后使用所述监控点位分析模块300获取结构位形对重要构件状态变化的灵敏度，并使用所述灵敏度确定施工卸载的结构监控点位，从而保证施工卸载监控点位的有效性，实现了监控点位的优化布置。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。上述一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
综上所述，本发明实施例提供的一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法和装置，在力学体系转换后，首先计算传力路径中构件响应对结构位形的影响系数，并根据所述影响系数确定施工过程中的重要构件；然后获取结构位形对重要构件状态变化的灵敏度，并使用所述灵敏度确定施工卸载的结构监控点位，从而保证施工卸载监控点位的有效性，实现了监控点位的优化布置。
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 (10)

1.一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数；
S20：根据所述影响系数确定重要构件；
S30：使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。
2.根据权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述力学体系转换为卸载引起的结构变形累积和自由度改变。
3.根据权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述传力路径为施工支撑脱离前后，结构自重和施工荷载传递至地基的路径。
4.根据权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述影响系数为结构位形增量与构件响应增量的比值。
5.根据权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述步骤S20具体包括：根据所述影响系数确定出与所述结构位形关系密切的构件为所述重要构件。
6.根据权利要求1或5所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述重要构件是通过构件响应变化与支撑反力之间的相关性进行评估确定的。
7.根据权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述灵敏度分析包括结构施工监控的可靠性分析和重要构件刚度的分布参数分析；
所述施工监控的可靠性是在特定的施工工况下，结构满足变形限值要求的条件概率；
所述重要构件刚度的分布参数为重要构件的弹性模量在施工误差因素影响下的分布参数。
8.根据权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述确定施工卸载的结构监控点位是通过有限元模型分析完成。
9.根据权利要求1或8所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述监控点位是根据结构位形对重要构件刚度变化的灵敏度大小进行评估确定的。
10.一种结构施工卸载力学体系的监控点位确定装置，应用于权利要求1所述的结构施工卸载力学体系的监控点位确定方法，其特征在于，所述装置包括：
影响系数计算模块，用于分析力学体系转换后的传力路径，计算得到构件响应对结构位形的影响系数；
重要构件确定模块，用于根据所述影响系数确定重要构件；
监控点位分析模块，用于使用结构位形对所述重要构件状态变化的灵敏度，分析确定施工卸载的结构监控点位。
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