CN116927366A - 一种消能连梁混合联肢墙结构及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消能连梁混合联肢墙结构及监测方法，混合联肢墙结构包括墙肢和设于墙肢之间的若干个连梁结构，连梁结构连接有分布式数采模块，分布式数采模块信号连接至本地数据传输模块，本地数据传输模块通过本地数据存储与管理模块信号连接至结构损伤评估与应急管理模块；监测方法包括通过墙肢和连梁结构的变形协调关系，利用连梁结构的变形数据推算墙肢的层间位移角。本发明可以实现服役期健康监测，地震中减震控制结构损伤，震后快速损伤评估的监控一体化机制。
Description
技术领域
本发明属于连梁结构技术领域，具体涉及一种消能连梁混合联肢墙结构及监测方法。
背景技术
联肢墙结构具有“双重抗震防线”，连梁作为重要的耗能单元，在地震作用下率先进入屈服状态，消耗地震能量，从而减小主体结构的损伤。历次震害表明，传统的钢筋混凝土联肢墙结构，在地震作用下损伤较为严重，由于采用一体浇筑而成，修复难度较大，还会浪费极大的人力和财力。此外，由于钢筋混凝土材料本身具有较高的离散性，传统钢筋混凝土连梁的受力和变形无法得到准确的实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种消能连梁混合联肢墙结构及监测方法，以解决上述问题。
本发明提供一种消能连梁混合联肢墙结构，包括墙肢和设于墙肢之间的若干个连梁结构，连梁结构连接有分布式数采模块，分布式数采模块信号连接至本地数据传输模块，本地数据传输模块通过本地数据存储与管理模块信号连接至结构损伤评估与应急管理模块；所述连梁结构包括上下设置的上弦杆和下弦杆，上弦杆和下弦杆的两端分别连接有上弦杆支座和下弦杆支座，上弦杆和下弦杆之间连接有第一斜腹杆和第二斜腹杆，第一斜腹杆和第二斜腹杆均设有位移计和应变片，第一斜腹杆和第二斜腹杆形成V型结构，第一斜腹杆和第二斜腹杆的顶端形成V型结构的开口并分别铰接至上弦杆两端的上连梁底座，第一斜腹杆和第二斜腹杆的底端形成V型结构的下端并铰接至下弦杆中央。
作为上述方案进一步的优选
所述上弦杆支座通过上连梁底座连接至上预埋件，下弦杆支座通过下连梁底座连接至下预埋件，上预埋件和下预埋件均连接至墙肢。
作为上述方案进一步的优选
所述下弦杆的长度大于上弦杆的长度且其垂直方向上的中心线相同。
作为上述方案进一步的优选
所述上弦杆包括水平设置的上弦板和垂直设于其底面的上立板，上立板两端连接有一对上侧板，上侧板顶面连接至上弦板底面两边。
作为上述方案进一步的优选
所述第一斜腹杆包括摩擦阻尼器，摩擦阻尼器上方连接有腹杆上段，摩擦阻尼器下方连接有一对外腹杆；第二斜腹杆包括摩擦阻尼器和连接在摩擦阻尼器上方的腹杆上段，摩擦阻尼器下方连接内腹杆，内腹杆底部位于外腹杆形成的限位空间中，内腹杆、外腹杆和下弦杆通过插销相铰接。
作为上述方案进一步的优选
所述应变片设有一对，沿摩擦阻尼器的轴线安装于腹杆上段；所述位移计设有一对且分别连接于第一斜腹杆和第二斜腹杆。
本发明还提供一种消能连梁混合联肢墙结构的监测方法，包括以下步骤：
通过位移计监测第一斜腹杆和第二斜腹杆上摩擦阻尼器的变形数据，计算连梁结构的变形；通过应变片监测第一斜腹杆和第二斜腹杆的受力数据，计算连梁结构的受力；通过得到连梁结构的受力和变形数据，初步判断连梁检修方案。
通过墙肢和连梁结构的变形协调关系，利用连梁结构的变形数据推算墙肢的层间位移角，参考易损性数据库中相似结构形式数据，对结构的损伤进行评估，并给出应急管理决策依据。
作为上述方案进一步的优选
所述连梁结构的变形和受力的计算公式为：
δH＝Lbsinα
其中，VL为连梁结构所受剪力；Fx为第一斜腹杆和第二斜腹杆的受力；lAE为第一斜腹杆的长度；lCE为第二斜腹杆的长度；Lb为连梁结构的跨度；δ1和δ2分别为第一斜腹杆和第二斜腹杆上摩擦阻尼器的变形量；
α为连梁结构的转角；δH连梁结构的剪切变形。
作为上述方案进一步的优选
所述墙肢的层间位移角的计算公式为：
其中，θw为墙肢层间位移角；Lw墙肢宽度；Lb连梁跨度。
本发明的有益效果：实现服役期健康监测，地震中减震控制结构损伤，震后快速损伤评估的监控一体化机制，具体如下：
本发明的消能连梁混合联肢墙结构，不仅可以起到消能减震作用，还可以通过应变片和位移计的实时监测，根据第一斜腹杆和第二斜腹杆的受力反算整个连梁结构的受力，根据两个斜腹杆上摩擦阻尼器的变形，计算整个连梁结构的变形，通过建立的连梁结构和墙肢的变形协调关系，进而推算整个联墙肢结构，乃至整体结构的层间位移角。
除前述判断结构在震中的损伤，本发明还可以监测整个联肢墙结构在地震之后的残余变形，可为震后的救援工作提供决策依据(如判断救援人员是否能进入建筑内部等)。因此，本发明建立了一种消能连梁墙肢结构，给出了从分布式传感器到结构损伤评估与决策的监控一体化方案，实现了服役期健康监测，地震受损之后快速损伤评估的监控一体化机制。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例中消能连梁墙肢结构的示意图；
图2是实施例中消能连梁墙肢结构数据处理连接示意图；
图3是实施例中连梁结构的示意图；
图4是图3中下弦杆的示意图；
图5是图3中上弦杆的示意图；
图6是实施例中连梁结构的力学示意图；
图中标记为：1、上预埋件；11、上连梁底座；2、下预埋件；21、下连梁底座；3、上弦杆支座；31、上翼板；32、上连接板；4、上弦杆；41、上弦板；42、上立板；43、上侧板；5、第一斜腹杆；6、摩擦阻尼器；7、第二斜腹杆；8、腹杆上段；81、外腹杆；82、内腹杆；9、下弦杆支座；10、下弦杆；101、下弦板；102、下立板；103、下侧板；11、插销；12、位移计；13、应变片；14、墙肢；15、分布式数采模块；16、本地数据传输模块；17、本地数据存储与管理模块；18、远程网络传输模块；19、结构损伤评估与应急管理模块；20、供电模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
实施例1
参见图1，本实施例中提供一种消能连梁混合联肢墙结构，包括墙肢14和设于墙肢14之间的若干个连梁结构，连梁结构上连接有分布式数采模块15，分布式数采模块15信号连接至本地数据传输模块16，本地数据传输模块16通过本地数据存储与管理模块17信号连接至远程网络传输模块18，远程网络传输模块18信号连接至结构损伤评估与应急管理模块19，本实施例的支撑系统还包括用于给分布式数采模块15、本地数据传输模块16以及本地数据存储与管理模块17提供电力的供电模块20。
参见图3，本实施例中，连梁结构具体为：包括上下设置的上弦杆4和下弦杆10，下弦杆10的长度大于上弦杆4的长度且其垂直方向上的中心线相同，上弦杆4和下弦杆10的两端分别连接有上弦杆支座3和下弦杆支座9，上弦杆支座3通过上连梁底座11连接至上预埋件1，下弦杆支座9通过下连梁底座21连接至下预埋件2，上预埋件1和下预埋件2均对应设有一对且通过钢筋连接在墙肢14中，上弦杆4和下弦杆10之间连接有第一斜腹杆5和第二斜腹杆7，第一斜腹杆5和第二斜腹杆7均设有位移计12和应变片13，第一斜腹杆5和第二斜腹杆7形成V型结构，第一斜腹杆5和第二斜腹杆7的顶端形成V型结构的开口并分别铰接至上弦杆4两端的上连梁底座11，第一斜腹杆5和第二斜腹杆7的底端形成V型结构的下端并铰接至下弦杆10中央。
在地震工程领域，结构的层间位移角是评价结构在地震作用下损伤情况的重要指标，通过连梁变形推算结构在地震作用下的最大层间位移角，结合易损性数据库内相似结构的数据对照，可判断结构的损伤情况。
本实施例的消能连梁墙肢结构，可以监测连梁结构的变形和受力情况，通过应变片13可分别获得连梁结构的受力数据，也即本实施例可根据第一斜腹杆5和第二斜腹杆7的受力反算整个连梁结构的受力，建立了连梁结构与墙肢14的变形协调关系，通过位移计12监测连梁结构的两个斜腹杆上的摩擦阻尼器6的变形，计算整个连梁结构的变形，进而推算整个墙肢14，乃至整体结构的层间位移角。除前述判断结构在震中的损伤，还可以监测整个支撑系统在地震之后的残余变形，可为震后的救援工作提供决策依据(如判断救援人员是否能进入建筑内部等)。因此，本实施例建立了一种消能连梁墙肢结构，给出了从分布式传感器到结构损伤评估与决策的监控一体化方案，实现了服役期健康监测，地震受损之后快速损伤评估的监控一体化机制。
进一步的，消能连梁联肢墙结构中的连梁结构为剪切型钢桁架消能连梁(连梁分为弯曲型和剪切型两种，弯曲型连梁变形集中在两端上下弦杆；剪切型变形集中在中间腹杆)，构造简单，受力明确，第一斜腹杆5和第二斜腹杆7采用铰接方式，避免了在节点位置形成塑性铰，损伤集中在摩擦阻尼器部分，避免非耗能构件的损伤。除第一斜腹杆5和第二斜腹杆7以外，连梁结构其他部分采用螺栓连接方式，大大加快了施工进度，受损构件可以实现快速更换。
参见图5，本实施例中，上弦杆4的结构具体为：包括水平设置的上弦板41和垂直设于其底面的上立板42，上立板42两端连接有一对上侧板43，上侧板43顶面连接至上弦板41底面两边；结合图1，本实施例中，上弦杆支座3的结构具体为：包括上连接板32和设于上连接板32同侧的一对上翼板31；上弦杆支座3与上弦杆4的连接方式为：上连接板32通过螺栓与上侧板43相连接；上弦杆支座3与上连梁底座11的连接方式为：上翼板31、第一斜腹杆5顶端和上连梁底座11通过插销相铰接，上翼板31、第二斜腹杆7顶端和上连梁底座11通过插销相铰接。第一斜腹杆5顶端和上连梁底座11、第二斜腹杆7顶端和上连梁底座11均位于对应的上翼板31形成的限位空间中。
参见图3和图5，本实施例中，第一斜腹杆5的结构具体为：包括摩擦阻尼器6，摩擦阻尼器6上方连接有腹杆上段8，摩擦阻尼器6下方连接有一对外腹杆81；第二斜腹杆7的结构具体为：包括摩擦阻尼器6，摩擦阻尼器6上方连接有腹杆上段8，摩擦阻尼器6下方连接内腹杆82，内腹杆82底部位于外腹杆81形成的限位空间中，内腹杆82底部、外腹杆81底部和下弦杆10中央设有连接孔，内腹杆82、外腹杆81和下弦杆10通过穿过连接孔的插销11相铰接。前述应变片13设有一对，沿摩擦阻尼器6的轴线安装于腹杆上段8，监测斜腹杆的受力。前述位移计12设有一对分别位于第一斜腹杆5和第二斜腹杆7，位于第一斜腹杆5的位移计12一端采用磁力座对应连接至外腹杆81，另一端采用磁钩连接至腹杆上段8，位于第一斜腹杆7的位移计12一端采用磁力座对应连接至内腹杆82，另一端采用磁钩连接至腹杆上段8。
进一步的，结合图4，本实施例中，下弦杆10的结构具体为：包括水平设置的下弦板101和垂直设于下弦板101上的下立板102，下弦板101和上弦板41的中心轴线相同，下弦板101两侧设有下侧板103，下立板102两端连接至下侧板103，下侧板103通过螺栓与下连梁底座21相连接。
本实施例中，分布式数采模块15的设置方式为：与连梁结构位于同一楼层或者相近楼层，一个分布式数采模块15可采集若干个连梁结构的数据，本实施例中优选每一层连梁结构对应布置连接一个分布式数采模块15。分布式数采模块15的工作方式为：采集每一层连梁的数据，分布式数采模块15数据流主要为采用传感器监测连梁结构的应力和变形数据，采用信号处理器对监测数据进行滤波和信号放大处理，最后采用分布在每一层的数据采集仪将数据采集。
实施例2
在实施例1的基础上，参见图1和图2，本实施例中，连接结构的变形和受力数据监控和决策响应的实现方式如下，也即本实施例中提供一种消能连梁混合联肢墙结构的监测方法，包括以下步骤：
首先，本地数据传输模块16将分布在各楼层的分布式数采模块15采集到的数据进行汇总，采用TCP/IP协议，通过网线将各楼层数据采集仪连接到局域网的交换机，然后采用TCP/IP协议，通过网线将交换机连接至上位机中，对全部数据进行汇总；上位机汇总的数据在本地数据存储与管理模块17中进行管理。
然后，本地数据存储与管理模块17对上位机汇总的数据进行数据处理并进行数据存储，对数据进行分析，判断传感器和阻尼器是否正常工作，一旦出现数据异常应及时检修和更换，如果一切正常则将上位机通过网线连接至本地路由器；远程数据传输模块18将本地数据存储与管理模块17处理的数据传送至远端，优选采用TCP/IP网络协议或5G网络进行数据传输，将本地路由器与远端路由器进行连接，远端路由器采用TCP/IP协议，通过网线将数据传输至控制中心。
最后，控制中心接收到的数据在结构损伤评估与应急管理模块19中进行分析，具体而言，通过位移计12监测斜腹杆上摩擦阻尼器6的变形数据计算剪切型钢桁架连梁的变形，通过应变片13监测斜腹受力数据计算剪切型钢桁架连梁的受力，并初步判断连梁检修方案；接着，通过墙肢14和连梁结构的变形协调关系，利用连梁结构的变形数据推算结构的层间位移角，参考易损性数据库中相似结构形式数据，对结构的损伤进行评估，并给出应急管理决策依据。
基于前述结合图6，本实施例中，连梁变形受力计算如式(1)-式(3)。
δH＝Lbsinα (3)
其中，其中，VL为连梁结构所受剪力；Fx为第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)的受力；lAE为第一斜腹杆(5)的长度；lCE为第二斜腹杆(7)的长度；Lb为连梁结构的跨度；δ1和δ2分别为第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)上摩擦阻尼器(6)的变形量；
α为连梁结构的转角；δH连梁结构的剪切变形。
进一步地，墙肢(14)的层间位移角的计算公式如式(4)
其中，θw为墙肢层间位移角；Lw墙肢宽度；Lb连梁跨度。
因此，公式(1)可以获得连梁所受剪力，结合连梁剪切变形数据，就能得到整体连梁的滞回曲线，通过连梁的耗能，可以分析地震能量的耗散情况；公式(2)和(3)可以获得连梁剪切变形数据；公式(4)是进一步获得墙肢层间位移角；通过公式(2)和(3)可以得到震后的连梁剪切变形数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种消能连梁混合联肢墙结构，其特征在于，包括墙肢(14)和设于墙肢(14)之间的若干个连梁结构，连梁结构连接有分布式数采模块(15)，分布式数采模块(15)信号连接至本地数据传输模块(16)，本地数据传输模块(16)通过本地数据存储与管理模块(17)信号连接至结构损伤评估与应急管理模块(19)；所述连梁结构包括上下设置的上弦杆(4)和下弦杆(10)，上弦杆(4)和下弦杆(10)的两端分别连接有上弦杆支座(3)和下弦杆支座(9)，上弦杆(4)和下弦杆(10)之间连接有第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)，第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)均设有位移计(12)和应变片(13)，第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)形成V型结构，第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)的顶端形成V型结构的开口并分别铰接至上弦杆(4)两端的上连梁底座(11)，第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)的底端形成V型结构的下端并铰接至下弦杆(10)中央。
2.根据权利要求1所述的消能连梁混合联肢墙结构，其特征在于：所述上弦杆支座(3)通过上连梁底座(11)连接至上预埋件(1)，下弦杆支座(9)通过下连梁底座(21)连接至下预埋件(2)，上预埋件(1)和下预埋件(2)均连接至墙肢(14)。
3.根据权利要求1所述的消能连梁混合联肢墙结构，其特征在于：所述下弦杆(10)的长度大于上弦杆(4)的长度且其垂直方向上的中心线相同。
4.根据权利要求3所述的消能连梁混合联肢墙结构，其特征在于：所述上弦杆(4)包括水平设置的上弦板(41)和垂直设于其底面的上立板(42)，上立板(42)两端连接有一对上侧板(43)，上侧板(43)顶面连接至上弦板(41)底面两边。
5.根据权利要求1所述的消能连梁混合联肢墙结构，其特征在于：所述第一斜腹杆(5)包括摩擦阻尼器(6)，摩擦阻尼器(6)上方连接有腹杆上段(8)，摩擦阻尼器(6)下方连接有一对外腹杆(81)；第二斜腹杆(7)包括摩擦阻尼器(6)和连接在摩擦阻尼器(6)上方的腹杆上段(8)，摩擦阻尼器(6)下方连接内腹杆(82)，内腹杆(82)底部位于外腹杆(81)形成的限位空间中，内腹杆(82)、外腹杆(81)和下弦杆(10)通过插销(11)相铰接。
6.根据权利要求5所述的消能连梁混合联肢墙结构，其特征在于：所述应变片(13)设有一对，沿摩擦阻尼器(6)的轴线安装于腹杆上段(8)；所述位移计(12)设有一对且分别连接于第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)。
7.一种权利要求1～6任一项所述的消能连梁混合联肢墙结构的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过位移计(12)监测第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)上摩擦阻尼器(6)的变形数据，计算连梁结构的变形；通过应变片(13)监测第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)的受力数据，计算连梁结构的受力；通过得到连梁结构的受力和变形数据，初步判断连梁检修方案；
通过墙肢(14)和连梁结构的变形协调关系，利用连梁结构的变形数据推算墙肢(14)的层间位移角，参考易损性数据库中相似结构形式数据，对结构的损伤进行评估，并给出应急管理决策依据。
8.根据权利要求7所述的消能连梁混合联肢墙结构的监测方法，其特征在于：所述连梁结构的变形和受力的计算公式为：
δH＝Lb sinα
其中，VL为连梁结构所受剪力；Fx为第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)的受力；lAE为第一斜腹杆(5)的长度；lCE为第二斜腹杆(7)的长度；Lb为连梁结构的跨度；δ1和δ2分别为第一斜腹杆(5)和第二斜腹杆(7)上摩擦阻尼器(6)的变形量；
α为连梁结构的转角；δH连梁结构的剪切变形。
9.根据权利要求8所述的消能连梁混合联肢墙结构的监测方法，其特征在于：所述墙肢(14)的层间位移角的计算公式为：
其中，θw为墙肢层间位移角；Lw墙肢宽度；Lb连梁跨度。
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2023
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