專利名稱：大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于結構工程領域，具體地講是一種對大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
由于大型復雜體型屋頂網架結構(如大型體育場館和娛樂場所的屋頂結構)能使我們獲得更大的使用空間，且可具有多變美觀的造型，因此它在我國和世界各地得到迅猛的發(fā)展，成為空間結構中應用最多的一種結構型式。它由兩個平面或曲面所構成的空間內的大量桿件連接而成，形成上弦桿面和下弦桿面，其間用腹桿和豎桿相連。一般情況下，它用圓型鋼管與空心鋼球節(jié)點焊接連成整體結構。隨著結構跨度的增大，大型復雜體型屋頂網架結構的復雜性也隨之增加。對于臺風高發(fā)地區(qū)，風是大跨度復雜體型屋頂網架結構的主要設計荷載。由于人們無法知道強風作用下網架結構的工作狀況，因此網架結構的三種主要破壞形態(tài)“桿體壓屈、桿件焊縫拉裂及球節(jié)點破壞”不易及時發(fā)現。這就會造成結構抗風能力的下降，給結構的安全性帶來了極大的隱患。為了避免由此而引起的工程災害的發(fā)生，確保人民生命和財產的安全，延長工程結構的使用壽命，就要求我們能及時地了解結構的工作狀態(tài)，及時地發(fā)現結構未知的損傷。為此，建立能實現對結構工作狀態(tài)自動報警和結構損傷自動診斷的智能結構系統(tǒng)就十分必要。
隨著信息技術的發(fā)展，建立具有結構健康自動診斷功能的智能結構系統(tǒng)已經有了可能。本發(fā)明提出的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)就是建立在信息技術和土木工程結構技術的基礎之上的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種旨在及時對大型復雜體型屋頂網架結構工作狀態(tài)和結構損傷進行診斷和報警，以保證網架結構的安全的風力作用下大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。
本發(fā)明由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口及存儲數據的數據庫構成，其中傳感器系統(tǒng)輸出與采集通訊傳輸接口相連，采集通訊傳輸接口的輸出與存儲數據的數據庫相連接，存儲數據的數據庫輸出信號與人機交互界面相連接，其特點是在采集通訊傳輸接口與存儲數據的數據庫之間還連接有網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)和(或)支撐鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)和(或)網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)和(或)有損網架結構系統(tǒng)抗倒塌安全型實時評定系統(tǒng)；上述網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)包括實時監(jiān)測和非實時監(jiān)測兩部分，其中非實時監(jiān)測部分依據風荷載識別和結構有限元模型修正的結果，完成建立所有風向工況下單位風速作用結構響應根方差數據庫，實時監(jiān)測部分依據網架結構10分鐘時段內的平均風速、平均風向和結構響應峰因子，調用數據庫中的結構響應根方差，獲取網架結構所有構件的最大響應，并根據設定的構件安全界限實現結構構件工作狀態(tài)的報警；上述支承鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)以獲取的牛腿關鍵點的瞬時應變值為特征向量，應用模糊模式識別的擇近原則，從已建立好的牛腿應力場模式庫中來識別出整個牛腿的瞬時應力場，并根據此來完成牛腿工作狀態(tài)的報警；上述網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)利用安置在網架結構球節(jié)點上的三向加速度傳感器測得的球節(jié)點的三向加速度響應時程信號，采用小波變換技術對響應信號進行分析，捕捉高頻部分的突變來確診此節(jié)點及其附近區(qū)域是否有桿件焊縫拉裂損傷以及何時拉裂；上述有損傷網架結構系統(tǒng)抗倒塌實時安全性評定系統(tǒng)通過獲取網架結構各支承牛腿上的支座荷載，來判斷它是否超越了牛腿的極限承載力，若已超界，則從已建立好的牛腿破壞引起網架結構桿件工作狀態(tài)模式庫中來識別整個網架結構桿件的工作狀態(tài)(彈性、彈塑性、拉斷和壓屈)。
上述數據庫還通過遠程服務器及網絡與遠程用戶終端機相連接。
本發(fā)明的特點是對風力作用下的大跨度復雜體型屋頂網架結構，建立了結構健康智能監(jiān)測和診斷的成套技術，它可實現對網架結構工作狀態(tài)的自動報警、結構損傷的自動診斷和結構抗倒塌實時安全性的自動評估，以保證網架結構在使用中的安全。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。
圖2為本發(fā)明網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)實現原理示意圖。
圖3為本發(fā)明支承鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)實現原理示意圖。
圖4為本發(fā)明網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)實現原理示意圖。
圖5為本發(fā)明有損傷網架結構系統(tǒng)抗倒塌實時安全評定系統(tǒng)實現原理示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例每個系統(tǒng)的硬件結構框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明(圖1)由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口、結構健康智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)及數據庫所構成。其中傳感器系統(tǒng)輸出與采集通訊傳輸接口相連，采集通訊傳輸接口的輸出與數據庫相連接，數據庫與網架結構工作狀態(tài)智能報警系統(tǒng)、支承鋼牛腿工作狀態(tài)智能報警系統(tǒng)、網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)和有損傷網架結構抗倒塌安全實時評定系統(tǒng)相連接，數據庫的輸出信號與人機交互界面相連接。
網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)(圖2)由于大型復雜體型屋頂網架結構具有幾萬根桿件，且當風向不同時風壓力又具有完全不同的分布和隨機特性，因此根本無法事先確定最危險桿件來布置應變傳感器，從而無法采用常規(guī)的直接監(jiān)測技術。本發(fā)明的網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)分為實時和非實時兩部分。非實時部分的主要功能為建立所有風向工況下單位風速作用結構響應根方差數據庫。首先采用具有時空分離特性的本征模態(tài)分解技術，并將該技術應用于識別作用在結構上的脈動風荷載的頻域特性；同時，采用最大線性無關法來合理地布置用來測量結構響應加速度的加速度傳感器，再根據實測加速度響應獲取的結構有限模態(tài)，運用神經網絡方法來對網架結構進行基于節(jié)點參數的有限元模型修正。在識別了網架結構上的風荷載并進行了結構有限元模型修正的基礎上，根據隨機振動理論分析出在各風向脈動風荷載作用下結構響應根方差從而建立了結構響應的根方差數據庫。實時部分的主要功能為獲取網架結構10分鐘時段內的最大響應并根據設定的構件安全報警級別來判斷構件的安全性。它利用風速風向儀得到10分鐘的平均風速和風向，同時利用應變傳感器實測結構構件的應變時程來確定結構風振響應的峰因子。由此，根據風向從非實時部分建立的結構響應根方差數據庫中提取此風向下單位風速作用結構風振響應根方差，依據10分鐘平均風速、峰因子和單位風速作用結構響應根方差，就可確定10分鐘時距內網架結構構件最大應力值，并根據設定的構件安全界限實現結構構件工作狀態(tài)的報警。
支撐鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)(圖3)由于支撐鋼牛腿承擔的荷載可達幾千噸，且它為為一復雜的封閉式箱型鋼結構，因此它內部的鋼構件無法安裝應變傳感器，也無法獲取它的三向應變值，因此不能采用常規(guī)的直接監(jiān)測技術。本發(fā)明的支撐鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)首先利用布置在鋼牛腿表面關鍵點上的應變傳感器來實測瞬時應變。然后，以關鍵點的瞬時應變值為特征向量，應用模糊模式識別的擇近原則，從已建立好的牛腿應力場模式庫中來識別出牛腿的瞬時應力場，并根據此來完成牛腿工作狀態(tài)報警。牛腿應力場模式庫是在把荷載分等級，并通過正向分析的方法得到“荷載(大小、作用位置)-關鍵點應變-牛腿應力場”關系的基礎上，而建立的“關鍵點應變特征向量-牛腿應力場”的關系庫。
網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷的自動診斷系統(tǒng)(圖4)風力作用下網架結構可能出現的三種破壞形式中，桿件與球節(jié)點焊縫拉裂采用常規(guī)技術是最不易發(fā)現的。因此，本發(fā)明采用了損傷自動診斷系統(tǒng)。本發(fā)明的網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)是采用“桿件-節(jié)點”焊縫拉脫損傷診斷的時域評定方法，通過信號用小波分解后的細微變化來診斷出結構的損傷。具體來說，本發(fā)明利用安置在網架結構球節(jié)點上的三向加速度傳感器測得的球節(jié)點的三向加速度響應時程信號，再采用小波變換技術對反應信號進行分析，捕捉高頻部分的突變來確診此節(jié)點處及其附近焊縫是否有拉裂以及何時拉裂。
有損傷網架結構系統(tǒng)抗倒塌實時安全評定系統(tǒng)(圖5)網架結構本身是多次超靜定結構，即使有三種損傷發(fā)生，一般也不易倒塌。只有當支撐系統(tǒng)發(fā)生破壞時，才會出現網架倒塌的可能。為此本發(fā)明建立了牛腿破壞時網架結構抗倒塌實時安全評定系統(tǒng)。本發(fā)明的有損傷網架結構系統(tǒng)抗倒塌實時安全評定系統(tǒng)是根據網架結構工作狀態(tài)智能報警系統(tǒng)模塊中得到的網架結構各支撐牛腿上的支座荷載，來判斷它是否超越了牛腿的極限承載力，如果有牛腿超界則該牛腿失去承載能力。再按照模式識別方法從已建好的牛腿破壞后網架結構的破壞模式庫中識別出網架結構的實際破壞型式從而對網架結構抗倒塌的安全度進行評定。其中，牛腿破壞后網架結構的破壞模式庫的建立是將靜荷載和風荷載用擬靜力的方法逐級加載，并用正向彈塑性分析的方法，對失去已破壞牛腿網架結構進行分析、判斷而得到的。
本發(fā)明整個的工作原理是由傳感器系統(tǒng)獲取風荷載和結構響應信息，通過通訊傳輸接口將這些信息傳輸給數據庫。網架結構工作狀態(tài)智能報警系統(tǒng)、支承鋼牛腿工作狀態(tài)智能報警系統(tǒng)和網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)各自從數據庫中獲取所需的信息，并據此對結構的工作狀態(tài)和桿件焊縫損傷進行監(jiān)測和診斷，同時將結果信息送還數據庫。有損傷網架結構抗倒塌安全實時評定系統(tǒng)則從數據庫中獲取有關信息，據此對網架結構抗倒塌的安全性作出評定，并將結果信息送還數據庫。最終，數據庫將上述監(jiān)測、診斷和評定的結果信息經遠程服務器、Inter網、局域網，傳輸到用戶的終端電腦上，通過人機交互界面?zhèn)鬏斀o用戶。
本發(fā)明每個系統(tǒng)(圖6)均由中心處理單元MCU及外圍電路構成，每個系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口和數據庫之間均采用數據總線形式進行通訊，傳感器系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口同樣采用數據總線形式進行通訊；上述數據總線形式采用CAN(控制局域網)數據總線。
本發(fā)明每個系統(tǒng)的工作原理既可以通過每個系統(tǒng)模塊實施軟件的方法實現，也可以用硬件裝置實現，兩種實現方式均屬于本發(fā)明所要求保護的范疇。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口及存儲數據的數據庫構成，其中傳感器系統(tǒng)輸出與采集通訊傳輸接口相連，采集通訊傳輸接口的輸出與存儲數據的數據庫相連接，存儲數據的數據庫輸出信號與人機交互界面相連接，其特點是在采集通訊傳輸接口與存儲數據的數據庫之間還連接有網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)和(或)支撐鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)和(或)網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)和(或)有損網架結構系統(tǒng)抗倒塌安全型實時評定系統(tǒng)。
2.如權利要求1所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)包括實時監(jiān)測和非實時監(jiān)測兩部分，其中非實時監(jiān)測部分依據風荷載識別和結構有限元模型修正的結果，完成建立所有風向工況下單位風速作用結構響應根方差數據庫，實時監(jiān)測部分依據網架結構10分鐘時段內的平均風速、平均風向和結構響應峰因子，調用數據庫中的結構響應根方差，獲取網架結構所有構件的最大響應，并根據設定的構件安全界限實現結構構件工作狀態(tài)的報警。
3.如權利要求1所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于支承鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)以獲取的牛腿關鍵點的瞬時應變值為特征向量，應用模糊模式識別的擇近原則，從已建立好的牛腿應力場模式庫中來識別出整個牛腿的瞬時應力場，并根據此來完成牛腿工作狀態(tài)的報警。
4.如權利要求1所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)利用安置在網架結構球節(jié)點上的三向加速度傳感器測得的球節(jié)點的三向加速度響應時程信號，采用小波變換技術對響應信號進行分析，捕捉高頻部分的突變來確診此節(jié)點及其附近區(qū)域是否有桿件焊縫拉裂損傷以及何時拉裂。
5.如權利要求1所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于有損傷網架結構系統(tǒng)抗倒塌實時安全性評定系統(tǒng)通過獲取網架結構各支承牛腿上的支座荷載，來判斷它是否超越了牛腿的極限承載力。若已超界，則從已建立好的牛腿破壞引起網架結構桿件工作狀態(tài)模式庫中來識別整個網架結構桿件的工作狀態(tài)(彈性、彈塑性、拉斷和壓屈)。
6.如權利要求1所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于數據庫還通過遠程服務器及網絡與遠程用戶終端機相連接。
7.如權利要求1所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于每個系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口和數據庫之間均采用數據總線形式進行通訊，傳感器系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口同樣采用數據總線形式進行通訊。
8.如權利要求7所述的大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，數據總線形式采用CAN數據總線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對大型復雜體型屋頂網架結構的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。它由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口及存儲數據的數據庫構成，其特點是在采集通訊傳輸接口與存儲數據的數據庫之間還連接有網架結構工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)和(或)支撐鋼牛腿工作狀態(tài)的智能報警系統(tǒng)和(或)網架結構桿件與球節(jié)點焊縫拉裂損傷自動診斷系統(tǒng)和(或)有損網架結構系統(tǒng)抗倒塌安全型實時評定系統(tǒng)。本發(fā)明的特點是對風力作用下的大跨度復雜體型屋頂網架結構，建立了結構健康智能監(jiān)測和診斷的成套技術，它可實現對網架結構工作狀態(tài)的自動報警、結構損傷的自動診斷和結構抗倒塌實時安全性的自動評估，以保證網架結構在使用中的安全。
文檔編號G01N35/00GK1595163SQ200410013359
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權日2004年6月25日
發(fā)明者瞿偉廉, 滕軍, 項海帆, 鐘珞, 劉暉, 汪菁, 李書進, 李功標 申請人:武漢理工大學