基于變形分解的平面鋼構件穩(wěn)定性監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼構件的穩(wěn)定性監(jiān)測技術領域，尤其涉及基于變形分解的平面鋼構件 穩(wěn)定性監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002] 鋼結構由于其強度高、質量輕、力學性能好、工廠化制造、安裝簡捷、施工周期短、 抗震性能好、環(huán)境污染少等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛應用。但同時，由于自身易失穩(wěn)，且無 明顯征兆的缺點，使得鋼構件穩(wěn)定性有效的監(jiān)測方法成為亟待解決的工程實際問題。
[0003]目前，針對鋼構件的檢測方法有：根據結構振動與穩(wěn)定性的相關性，以振動頻率作 為監(jiān)控參數進行穩(wěn)定性監(jiān)測；利用鋼構件的紅外線熱像及紅外輻射溫度特征，實現對結構 或構件的失穩(wěn)監(jiān)測；在結構關鍵部位布置雙鋼管失穩(wěn)監(jiān)控部件，當構件承受的軸向荷載達 到一定值時，內鋼管發(fā)生失穩(wěn)，與外鋼管內壁接觸后橫向變形受到抑制，并發(fā)出失穩(wěn)警報； 利用應變和位移傳感器，根據結構失穩(wěn)時的鋼構件應變和位移規(guī)律進行穩(wěn)定性監(jiān)測。
[0004] 就目前的監(jiān)測方法而言，振動頻率監(jiān)測法和紅外線監(jiān)測法均有操作復雜，成本較 尚的缺點；雙鋼管失穩(wěn)檢測法則由于內鋼管失穩(wěn)后，方能進彳丁穩(wěn)定性判定，故具有一定的滯 后性；而普通的應變和位移監(jiān)測法，由于難以直接獲取反映結構失穩(wěn)本質的豎向彎曲變形 信息，而難以成為鋼構件穩(wěn)定性監(jiān)測的有效方法。鋼構件發(fā)生失穩(wěn)是由于其豎向彎曲變形 過大造成的，基于正交理論的變形分解法可以在實現剛柔分離的同時，分解出鋼構件的豎 向彎曲變形以及豎向變形在柔性變形中所占比例，并對鋼構件的穩(wěn)定性進行有效監(jiān)測，因 此，基于變形分解的平面鋼構件穩(wěn)定性檢測在建筑行業(yè)中鋼結構應用中具有重要的意義。 目前，基于變形分解的平面鋼構件穩(wěn)定性監(jiān)測方法尚未發(fā)現。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種基于變形分解的平面鋼構件穩(wěn)定性監(jiān)測 方法。
[0006] 本發(fā)明所采取的技術方案是：
[0007] -種基于變形分解的平面鋼構件穩(wěn)定性監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0008] (1)取待監(jiān)測平面鋼構件，沿高度方向，由側面底部向上依次以鋼構件寬度b為單 位，進行bXb正方形網格劃分，直至距鋼構件頂部距離小于桿件寬度b為止，得到N個正方 形網格，然后在各網格頂點處均布置一個位移傳感器；
[0009] (2)待平面鋼構件投入使用后，通過位移傳感器檢測，可得到第j(j= 1、2…N)個 正方形網格的4個頂點的位移向量：
[0010] (Uw乂於uJ2vJ2uJ3vJ3uJ4vJ4) (1)
[0011] 其中：Ujji= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網格四個頂點水平方向的位移值；
[0012] Vji(i= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網格四個頂點豎直方向的位移值；
[0013] (3)根據變形分解法，對第j(j= 1、2…N)個正方形網格所圍區(qū)域的變形進行基 本位移和變形的分解，得到：
[0014]dj=AjBt (2)
[0015]其中矩陣B為四節(jié)點正方形單元基矩陣：
[0016]
[0017] 四節(jié)點正方形單元基矩陣B行向量所表示的基向量依次為：水平方向剛體位移基 向量、豎向剛體位移基向量和剛體轉動位移基向量，以及水平方向拉壓變形基向量、豎向拉 壓變形基向量、水平方向彎曲變形基向量、豎向彎曲變形基向量和剪切變形基向量；
[0018]dj為正方形網格j所圍區(qū)域的變形在單元基矩陣上的投影向量：
[0019] dj= (dj!dJ2 dJ3 dJ4 dJ5 dJ6 dJ7 dJ8)(4)
[0020] 其中'a= 1，2. .. 8)為第j個正方形網格所圍區(qū)域的變形在第i種基本位移或 變形上的投影系數；
[0021] (4)舍去前三項剛體位移，以實現剛柔分離；并由：
[0022]
[0023] 可得豎向彎曲變形在各種基本變形中所占比例；
[0024] 進而，平面鋼構件豎向彎曲變形所占比例為
[0025]
[0026] (5)根據得到的平面鋼構件豎向彎曲變形所占比例與預警豎向彎曲變形比例相比 較，進行平面鋼構件的穩(wěn)定性的判別；當平面鋼構件豎向彎曲變形所占比例為5%時，為黃 色預警；當平面鋼構件的豎向彎曲變形所占比例為 1〇%時，為橙色預警；當平面鋼構件的 豎向彎曲變形所占比例為20%時，為紅色預警。
[0027] 本發(fā)明的增益效果是：
[0028] 本發(fā)明在基于正交理論的變形分解法基礎上，可以對平面鋼構件的變形進行剛柔 分離，通過對平面鋼構件在軸向荷載作用下變形中豎向彎曲變形所占比例的提取分析，即 可進行平面鋼構件穩(wěn)定性的判別；當為黃色預警時，提示對平面鋼構件進行定期觀測，并采 取必要的穩(wěn)定性增強措施；當為橙色預警時，應對平面鋼構件的缺陷、裂縫等進行檢測，并 及時實施平面鋼構件的穩(wěn)定性加固；當為紅色預警時，提示結構即將發(fā)生失穩(wěn)破壞，迅速組 織相關人員和設備的疏散工作，禁止任何人員靠近。本方法操作簡單，能夠快速的判別出平 面鋼構件的穩(wěn)定性，具有重要的實際意義。
【附圖說明】
[0029] 圖1為平面鋼構件A的傳感器的布置圖。
[0030]圖2為平面鋼構件A在軸向荷載作用下的豎向彎曲變形所占比例。
[0031] 圖3為不同長細比的平面鋼構件的臨界彎曲比。
[0032] 圖4為不同長細比的平面鋼構件在豎向彎曲變形所占比例達到20%時所承受的 軸向荷載值相對于失穩(wěn)臨界荷載值所占比例。
[0033] 圖5為平面鋼構件B的傳感器的布置圖。
[0034]圖6為平面鋼構件B在軸向荷載作用下的豎向彎曲變形所占比例。
【具體實施方式】
[0035] 以下結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0036] 參見圖1和圖5,圖中序號：1為位移傳感器。
[0037]實施例一：如圖1所示，下端固結、上端自由的平面鋼構件A，其材料選用Q235 鋼，彈性模量為2. 06GPa，密度為7. 85X103kg/m3,平面鋼構件高度為370mm，橫斷面邊長為 20_，平面鋼構件A的長細比為128,其穩(wěn)定性檢測方法如下：
[0038] (1)取平面鋼構件A，在平面鋼構件A的側面沿高度方向從平面鋼構件的底部向上 依次以平面鋼構件寬度20mm為單位，進行20mm*20mm正方形網格劃分，直至平面鋼構件頂 部的距離小于平面鋼構件A寬度為止，得到18個正方形網格，然后在各網格頂點處均布置 一個位移傳感器；
[0039] (2)通過位移傳感器檢測，可得到第j(j= 1、2~18)個正方形網格的4個頂點的 位移向量：
[0040]Aj=(Ujl乂於uJ2vJ2uJ3vJ3uJ4vJ4) (7)
[0041] 其中：Ujji= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網格四個頂點水平方向的位移值；Vji(i= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網格四個頂點豎直方向的位移值；
[0042] (3)根據變形分別法，對第j(j= 1、2~18)個正方形網格所圍區(qū)域的變形進行基 本位移和變形的分解，得到：
[0043] dj=AjBt (8)
[0044]其中矩陣B為四節(jié)點正方形單元基矩陣：
[0045]
[0046] 四節(jié)點正方形單元基矩陣B行向量所表示的基向量依次為：水平方向剛體位移基 向量、豎向剛體位移基向量和剛體轉動位移基向量，以及水平方向拉壓變形基向量、豎向拉 壓變形基向量、水平方向彎曲變形基向量、豎向彎曲變形基向量和剪切變形基向量；
[0047] dj為正方形網格j所圍區(qū)域的變形在單元基矩陣上的投影向量：
[0048] dj= (dj!dJ2dJ3dJ4dJ5dJ6dJ7dJ8) (10)
[0049] 其中c^a= 1，2. .. 8)為第j個正方形網格所圍區(qū)域的變形在第i種基本位移或 變形上的投影系數，
[0050] (4)實施剛柔分離后，由：
[0051]
[0052] 可得豎向彎曲變形在各種基本變形中所占比例，如圖2所示；
[0053] 進而，平面鋼構件A豎向彎曲變形所占比例為
[0054]
[0055] 從而可以得到不同軸向力作用下平面鋼構件A的豎向彎曲變形所占比例。
[0056] (5)依據前4步，在很小水平干擾力的作用下，對平面鋼構件A的軸向不斷增加荷 載力，直至平面鋼構件發(fā)生失穩(wěn)，這樣可以得到不同軸向力作用下的平面鋼構件A的豎向 彎曲變形所占比例，如圖2所示。
[0057] 在未達到屈服時，平面鋼構件的豎向彎曲變形所占的比例是隨著軸向荷載的增加 而增加的，但在即將達到臨界荷載時，平面鋼構件的豎向彎曲變形所占的比例是急劇增加 的，在達到失穩(wěn)時豎向彎曲變形所占比例突然減小，呈現出明顯的拐點。平面鋼構件在豎 向彎曲變形所占比例發(fā)生急劇增加的點對應的比例為5%，而在平面鋼構件的豎向彎曲變 形所占比例達到5%之前，其變化幾乎是平穩(wěn)的，此時軸向荷載值占到臨界荷載值的70% 以上；在平面鋼構件的豎向彎曲變形所占比例達到10%時，軸向荷載值占到臨界荷載值的 90%左右，平面鋼構件接近失穩(wěn)；在平面鋼構件的豎向彎曲變形所占比例達到20%時，軸 向荷載值近似為臨界荷載值，平面鋼構件將發(fā)生失穩(wěn)，具體分析結果如表1所示。
[0058] 表1平面鋼構件A的穩(wěn)定性分析結果
[0059] CN 104990532 A ^7L m ti 5/8頁
[0060] 在此分析基礎上，本發(fā)明可以依據平面鋼構件在豎向彎曲變形所占比例的大小， 判別此時平面鋼構件的穩(wěn)定性。例如，依據本發(fā)明得到平面鋼構件A的豎向彎曲變形所 占比例為7. 72 %，此時所承受的軸向荷載相對于失穩(wěn)臨界荷載值的比例為82. 30 %，而 7. 72%介于5%與10%之間，平面鋼構件穩(wěn)定性較差，應對平面鋼構件的缺陷、裂縫等進行 檢測，并及時實施平面鋼構件的穩(wěn)定性加固。
[0061] 表2任一工況下平面鋼構件A的穩(wěn)定性分析結果
[0062]
[0063]在平面鋼構件穩(wěn)定性分析中，隨著平面鋼構件軸向力的增加，荷載逐漸接近鋼構 件失穩(wěn)的臨界