CN217424355U - 一种钢结构监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种钢结构监测系统，包括：用于对钢结构进行环境监测，得到环境监测结果的环境监测单元；用于对钢结构进行变形、沉降和位移监测，得到位移监测结果的位移监测单元；用于对钢结构进行应变监测，得到应变监测结果的应变监测单元；用于对钢结构进行振动监测，得到振动监测结果的振动监测单元；分别与环境监测单元、位移监测单元、应变监测单元和振动监测单元通信连接，用于获取并处理环境监测结果、位移监测结果、应变监测结果和振动监测结果的处理器。本实用新型可以对钢结构的环境、位移、应变和振动情况进行监测，从而根据监测结果确定钢结构的健康状况，增强钢结构运营期间的安全性。

Description

一种钢结构监测系统

技术领域

本实用新型涉及钢结构健康监测技术领域，尤其涉及一种钢结构监测系统。

背景技术

随着空间结构技术的日趋成熟以及材料的发展，近年来我国各地相继建成了大量的大跨空间钢结构，如铁路站房等。这些结构受诸多因素的影响(如周围环境、自然灾害、材料使用寿命等)，其结构安全性能会随时间变化。如果结构失效或坍塌，会造成巨大的人员伤亡以及财产损失。因此，需要一套钢结构健康监测预警系统，以增强钢结构运营期间的安全性，最大限度地保障旅客生命和财产安全，保证交通枢纽的正常运营。

实用新型内容

本实用新型提供了一种钢结构监测系统，以解决对钢结构进行健康监测预警问题。

本实用新型提供了一种钢结构监测系统，该系统包括：

用于对钢结构进行环境监测，得到环境监测结果的环境监测单元；

用于对钢结构进行变形、沉降和位移监测，得到位移监测结果的位移监测单元；

用于对钢结构进行应变监测，得到应变监测结果的应变监测单元；

用于对钢结构进行振动监测，得到振动监测结果的振动监测单元；

分别与环境监测单元、位移监测单元、应变监测单元和振动监测单元通信连接，用于获取并处理环境监测结果、位移监测结果、应变监测结果和振动监测结果的处理器。

在一种可能的实现方式中，钢结构为网壳钢结构；位移监测单元包括全站仪；

全站仪用于对网壳钢结构进行结构变形监测，得到结构变形监测结果，对网壳钢结构的支座进行支座沉降监测，得到支座沉降监测结果，并将结构变形监测结果和支座沉降监测结果发送至处理器。

在一种可能的实现方式中，位移监测单元包括拉线式位移计；

拉线式位移计的拉绳自由端固定于钢结构的支座；

拉线式位移计用于基于拉绳长度对钢结构的支座进行切向位移监测，得到切向位移监测结果，并将切向位移监测结果发送至处理器。

在一种可能的实现方式中，环境监测单元包括风速仪；

风速仪安装于钢结构的顶部，用于监测钢结构的风环境，得到风环境监测结果，并将风环境监测结果发送至处理器。

在一种可能的实现方式中，环境监测单元包括至少一个温度传感器；

温度传感器安装于钢结构的杆件上，用于对钢结构的杆件进行温度监测，得到温度监测结果，并将温度监测结果发送至处理器。

在一种可能的实现方式中，钢结构为网壳钢结构；应变监测单元包括至少一个应变传感器；

应变传感器安装于网壳钢结构的节点上，用于对网壳钢结构的节点进行节点焊缝监测，得到节点焊缝监测结果，并将节点焊缝监测结果发送至处理器。

在一种可能的实现方式中，振动监测单元包括至少一个第一加速度传感器和至少一个第二加速度传感器；

第一加速度传感器的灵敏方向与地面方向垂直，第二加速度传感器的灵敏方向与地面方向平行；

第一加速度传感器用于对钢结构进行垂直振动监测，得到垂直振动监测结果，并将垂直振动监测结果发送至处理器；

第二加速度传感器用于对钢结构进行水平振动监测，得到水平振动监测结果，并将水平振动监测结果发送至处理器。

在一种可能的实现方式中，第一加速度传感器为单向加速度传感器，第二加速度传感器为双向加速度传感器。

在一种可能的实现方式中，环境监测单元、位移监测单元、应变监测单元和振动监测单元分别通过信号传输线与处理器连接。

在一种可能的实现方式中，钢结构监测系统还包括套装于信号传输线外部，用于保护信号传输线的PVC管。

本实用新型提供了一种钢结构监测系统，包括：用于对钢结构进行环境监测，得到环境监测结果的环境监测单元；用于对钢结构进行变形、沉降和位移监测，得到位移监测结果的位移监测单元；用于对钢结构进行应变监测，得到应变监测结果的应变监测单元；用于对钢结构进行振动监测，得到振动监测结果的振动监测单元；分别与环境监测单元、位移监测单元、应变监测单元和振动监测单元通信连接，用于获取并处理环境监测结果、位移监测结果、应变监测结果和振动监测结果的处理器。本实用新型可以对钢结构的环境、位移、应变和振动情况进行监测，从而根据监测结果确定钢结构的健康状况，增强钢结构运营期间的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的钢结构监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本实用新型的实现进行详细的描述：

图1为本实用新型实施例提供的一种钢结构监测系统的结构示意图。参照图1，该钢结构监测系统1包括：

用于对钢结构进行环境监测，得到环境监测结果的环境监测单元11；

用于对钢结构进行变形、沉降和位移监测，得到位移监测结果的位移监测单元12；

用于对钢结构进行应变监测，得到应变监测结果的应变监测单元13；

用于对钢结构进行振动监测，得到振动监测结果的振动监测单元14；

分别与环境监测单元、位移监测单元、应变监测单元和振动监测单元通信连接，用于获取并处理环境监测结果、位移监测结果、应变监测结果和振动监测结果的处理器15。

在本实施例中，钢结构监测系统1可以监测网壳钢结构的受力状态，从而对网壳钢结构进行健康监测。网壳钢结构由众多钢结构杆件组成，形成多个不同的节点，钢结构加工制作复杂；空间的杆件定位、网壳合拢、嵌补杆件的安装、坐标的精确控制是安装的重点和关键；大量散拼杆件的现场高空焊接可能会加大产生质量瑕疵概率；以上因素造成的结构初始缺陷，会危及结构的安全，因此对网壳钢结构进行监测时，需要考虑环境因素，并监测钢结构的位移、变形以及振动情况。

在一些实施例中，钢结构为网壳钢结构；位移监测单元包括全站仪；

全站仪用于对网壳钢结构进行结构变形监测，得到结构变形监测结果，对网壳钢结构的支座进行支座沉降监测，得到支座沉降监测结果，并将结构变形监测结果和支座沉降监测结果发送至处理器。

在本实施例中，全站仪设置在钢结构外部。对钢结构进行结构变形监测的具体步骤为：在网壳钢结构上沿不同方向选取多个观测点，根据各个观测点之间的相对位置对网壳钢结构进行结构变形监测。对钢结构进行支座沉降监测的具体步骤为：沿底部环梁选择多个支座，定期监测各个支座是否发生沉降。

在一些实施例中，位移监测单元包括拉线式位移计；

拉线式位移计的拉绳自由端固定于钢结构的支座；

拉线式位移计用于基于拉绳长度对钢结构的支座进行切向位移监测，得到切向位移监测结果，并将切向位移监测结果发送至处理器。

在本实施例中，位移监测单元中的拉线式位移计和全站仪可以将支座位移监测与结构变形监测相结合，能够更为准确地确定钢结构的内力状态，从而修正钢结构的受力模型。位移计还可以是激光位移计，可以根据预算选择位移计的类型。

在一些实施例中，环境监测单元包括风速仪；

风速仪安装于钢结构的顶部，用于监测钢结构的风环境，得到风环境监测结果，并将风环境监测结果发送至处理器。

在本实施例中，风速仪安装于钢结构顶部的中央，具体可以是三维超声风速仪、旋转风速仪、压力风速仪、热力风速仪，对作用在网壳顶部的风速、风向以及风攻角进行测量。

在一些实施例中，环境监测单元包括至少一个温度传感器；

温度传感器安装于钢结构的杆件上，用于对钢结构的杆件进行温度监测，得到温度监测结果，并将温度监测结果发送至处理器。

在本实施例中，各个温度传感器根据钢结构内各个杆件在不同时刻日照情况下的温度分布状况布设。钢结构监测系统中还可以设置信号解调仪，对各类传感器发出的信号进行解调，读出监测结果。温度传感器可以是光纤光栅温度传感器、热电偶温度传感器和热电阻温度传感器。

在一些实施例中，钢结构为网壳钢结构；应变监测单元包括至少一个应变传感器；

应变传感器安装于网壳钢结构的节点上，用于对网壳钢结构的节点进行节点焊缝监测，得到节点焊缝监测结果，并将节点焊缝监测结果发送至处理器。

在本实施例中，应变传感器还可以安装于网壳钢结构的杆件、薄弱环节及应力集中等关键位置上，在恒、活、雪、风和温度等多种荷载组合作用下，对网壳钢结构的各杆件进行力学特性分析，根据分析结果选择出网壳钢结构上不同位置的数根杆件、数个网壳中部节点、数个网壳钢箱梁与底部环梁交汇节点以及数个网壳天窗部分节点，安装应变传感器并进行节点焊缝监测。应变传感器可以是光纤光栅应变传感器、丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。

在一些实施例中，振动监测单元包括至少一个第一加速度传感器和至少一个第二加速度传感器；

第一加速度传感器的灵敏方向与地面方向垂直，第二加速度传感器的灵敏方向与地面方向平行；

第一加速度传感器用于对钢结构进行垂直振动监测，得到垂直振动监测结果，并将垂直振动监测结果发送至处理器；

第二加速度传感器用于对钢结构进行水平振动监测，得到水平振动监测结果，并将水平振动监测结果发送至处理器。

在本实施例中，加速度传感器可以是电容式加速度传感器、电压式(压电陶瓷)加速度传感器、MEMS及光纤光栅加速度传感器。其中电容式加速度传感器具有很好的低频特性和低频灵敏度，可以对钢结构的振动频率、阻尼和振型等振动特性进行监测。此外，钢结构的垂直振动和水平振动具有不同的特性，使用不同类型的加速度传感器分别监测垂直振动和水平振动，可以更具有针对性，并且合理分配成本。也可以全部使用三轴加速度传感器，提高监测效果。

在一些实施例中，第一加速度传感器为单向加速度传感器，第二加速度传感器为双向加速度传感器。

在本实施例中，钢结构的垂直振动通常是单向振动，水平振动通常是双向振动，因此使用单向加速度传感器和双向加速度传感器可以在保证监测质量的同时降低成本。

在一些实施例中，环境监测单元、位移监测单元、应变监测单元和振动监测单元分别通过信号传输线与处理器连接。

在本实施例中，使用信号传输线连接各监测单元与处理器，可以降低监测系统的功耗、提高信号传输的稳定性。

在一些实施例中，钢结构监测系统还包括套装于信号传输线外部，用于保护信号传输线的PVC管。

在本实施例中，PVC管的机械性能好。使用PVC管保护信号传输线，可以避免信号传输线被损坏。

在一个具体的实施例中，使用本实用新型提供的钢结构监测系统对钢结构进行监测的具体步骤如下：

1)数据采集系统采集传感器子系统拾取的数据，通过数据传输系统将数据传输现场采集站，采集站接收数据后，首先对数据进行判断和预处理，并存入数据管理中心；

2)数据管理中心的安全评定系统调用数据管理中心的数据，进行结构安全性与舒适性评定；

3)安全评定的结果通过可视化技术在监控中心的监视器上实时显示，在特殊状态下进行预警，并把安全评定的结果存入中心服务器的数据库中；此外，中心服务器内数据库的数据可以通过局域网将有关的结果传输到业主。

在一个具体的实施例中，还可以使用本系统对钢结构车站在施工阶段和施工完成、开始运营前的状态下，分别进行健康监测。开始监测前，首先根据网壳结构的结构特性分析和进行实验研究、结构模型有限元分析，然后在钢结构的各关键位置布设本系统中的各个监测单元，进行监测。

在车站的运营阶段，环境监测单元对车站环境进行风速测试，处理器分析监测数据，得出风速特性评价参数，同时进行风效应预警。风速特性评价参数包括：①极值风速；②10分钟平均风速U10，③10分钟平均风向角θ10；④顺风向脉动风湍流强度、横风向脉动风湍流强度、竖向脉动风湍流强度Iu、Iv、Iw；⑤顺风向脉动风湍流积分尺度Iu、横风向脉动风湍流积分尺度Iv、竖向脉动风湍流积分尺度Iw；⑥顺风向脉动风功率谱Suu、横风向脉动风功率谱Svv、竖向脉动风功率谱Sww与现有风谱的符合程度；⑦顺风向互相干函数Cohu-v、横风向互相干函数Cohu_w、竖向脉动风互相干函数Cohv_w。

环境监测单元还包括监测钢结构的温度场，以提高健康监测的准确性。环境监测单元测量钢结构不同部位的温度后，处理器利用插值算法等方法，计算出钢结构每根杆件上的温度；然后利用钢结构不同部位的温度构建结构温度场，对结构杆件应变测量数据进行温度补偿和修正；最后利用结构温度场数据，结合钢结构的应变、支座位移等测量数据，对结构设计模型进行修正。

位移监测单包括结构变形监测、支座沉降监测和支座位移监测。其中，将运营阶段的结构变形监测的数据与施工阶段的结构变形监测的数据结合，可以发现钢结构的三维变形情况，从而设定测点在运营监测中的初始三维坐标；在运营阶段，定期对测点相对于初始坐标的位移进行观测，当测点发生过大位移时系统给出预警；结合结构温度、应变等测量数据，进行网壳结构模型修正和安全评估。支座沉降监测是在结构运营期间，定期对控制支座沉降进行观测，当支座沉降超过设计允许值时发出预警；结合结构温度、应变和支座位移等测量数据，进行网壳结构模型修正和安全评估。支座位移监测是通过与设计位移限值对比，当结构发生过大的支座位移变形时(例如施工支撑卸载后)，进行预警。利用支座位移数据，并结合结构温度场和结构杆件应变等测量数据，可以对结构设计模型进行修正。

应变监测包括杆件应力/应变监测和节点焊缝监测。其中，杆件应力/应变监测通过监测杆件最危险处的应变，判定杆件的安全状态，并在发生破坏时进行安全预警；利用实测结构应力/应变数据，并结合结构温度场和支座位移数据，可以对结构设计模型修正；通过修正的模型确定钢结构中屋盖结构的损伤程度和健康状态，进一步结合车站管理系统确定屋盖的维修计划；在风荷载、雪荷载和温度荷载作用下，分析应变的变化规律，确定该结构的控制荷载，必要时进行预警；根据监测数据，分析钢构件刚度变化情况，确定车站的健康状态。节点焊缝工作状态监测通过焊缝附近构件应变变化来监测焊缝的工作状态；当监测到较大的应变变化时，说明焊缝可能发生损坏，给出预警。

振动监测是利用结构动力特性的变化来对结构的整体性能进行损伤监测，即将结构系统的实测结构模态特性与健康结构的模态特性进行比较，判断结构是否发生损伤；进一步对有限元模型进行修正，从而可以进行多荷载和复杂环境条件下结构的系统深入计算分析并进行结构的安全评定和预警。

结合结构温度场、支座位移、关键杆件的应变和结构振动监测数据，对结构的有限元模型进行修正。利用修正的有限元模型，以及测量的结构温度场数据、支座位移和杆件的应变信息，可以对结构整体受力状态进行分析，评价结构的安全性。

在一个具体的实施例中，本系统还可以在拆除钢结构的临时支撑前对钢结构的各重要组成构件监测点的空间位置进行监测，并在拆除钢结构的临时支撑后对各重要组成构件监测点的空间位置进行监测，对比各监测点的测量结果，即可求出钢结构在不同受力情况下几何变形的空间分布。同时，在气枕和玻璃幕墙等装修工程全部安装后,再对钢结构进行变形监测，从而计算出风荷载、温度对钢结构的变形影响和预测钢结构随时间的变形发展趋势，为网壳结构卸载提供参考，为以后类似的工程提供设计参考，并且可以为施工过程中及长期运营风险预警、后续的施工加载持续监测，以达到结构长期运营状态的安全评估。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种钢结构监测系统，其特征在于，包括：

用于对钢结构进行环境监测，得到环境监测结果的环境监测单元；

用于对所述钢结构进行变形、沉降和位移监测，得到位移监测结果的位移监测单元；

用于对所述钢结构进行应变监测，得到应变监测结果的应变监测单元；

用于对所述钢结构进行振动监测，得到振动监测结果的振动监测单元；

分别与所述环境监测单元、所述位移监测单元、所述应变监测单元和所述振动监测单元通信连接，用于获取并处理所述环境监测结果、所述位移监测结果、所述应变监测结果和所述振动监测结果的处理器。

2.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述钢结构为网壳钢结构；所述位移监测单元包括全站仪；

所述全站仪用于对所述网壳钢结构进行结构变形监测，得到结构变形监测结果，对所述网壳钢结构的支座进行支座沉降监测，得到支座沉降监测结果，并将所述结构变形监测结果和所述支座沉降监测结果发送至所述处理器。

3.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述位移监测单元包括拉线式位移计；

所述拉线式位移计的拉绳自由端固定于所述钢结构的支座；

所述拉线式位移计用于基于拉绳长度对所述钢结构的支座进行切向位移监测，得到切向位移监测结果，并将所述切向位移监测结果发送至所述处理器。

4.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述环境监测单元包括风速仪；

所述风速仪安装于所述钢结构的顶部，用于监测所述钢结构的风环境，得到风环境监测结果，并将所述风环境监测结果发送至所述处理器。

5.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述环境监测单元包括至少一个温度传感器；

所述温度传感器安装于所述钢结构的杆件上，用于对所述钢结构的杆件进行温度监测，得到温度监测结果，并将所述温度监测结果发送至所述处理器。

6.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述应变监测单元包括至少一个应变传感器；

所述应变传感器安装于所述钢结构的节点上，用于对所述钢结构的节点进行节点焊缝监测，得到节点焊缝监测结果，并将所述节点焊缝监测结果发送至所述处理器。

7.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述振动监测单元包括至少一个第一加速度传感器和至少一个第二加速度传感器；

所述第一加速度传感器的灵敏方向与地面方向垂直，所述第二加速度传感器的灵敏方向与地面方向平行；

所述第一加速度传感器用于对所述钢结构进行垂直振动监测，得到垂直振动监测结果，并将所述垂直振动监测结果发送至所述处理器；

所述第二加速度传感器用于对所述钢结构进行水平振动监测，得到水平振动监测结果，并将所述水平振动监测结果发送至所述处理器。

8.如权利要求7所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述第一加速度传感器为单向加速度传感器，所述第二加速度传感器为双向加速度传感器。

9.如权利要求1所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述环境监测单元、所述位移监测单元、所述应变监测单元和所述振动监测单元分别通过信号传输线与所述处理器连接。

10.如权利要求9所述的钢结构监测系统，其特征在于，所述钢结构监测系统还包括套装于所述信号传输线外部，用于保护所述信号传输线的PVC管。

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