专利名称：大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于结构工程领域，具体地讲是一种对大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统。
背景技术：
由于大型复杂体型屋顶网架结构(如大型体育场馆和娱乐场所的屋顶结构)能使我们获得更大的使用空间，且可具有多变美观的造型，因此它在我国和世界各地得到迅猛的发展，成为空间结构中应用最多的一种结构型式。它由两个平面或曲面所构成的空间内的大量杆件连接而成，形成上弦杆面和下弦杆面，其间用腹杆和竖杆相连。一般情况下，它用圆型钢管与空心钢球节点焊接连成整体结构。随着结构跨度的增大，大型复杂体型屋顶网架结构的复杂性也随之增加。对于台风高发地区，风是大跨度复杂体型屋顶网架结构的主要设计荷载。由于人们无法知道强风作用下网架结构的工作状况，因此网架结构的三种主要破坏形态“杆体压屈、杆件焊缝拉裂及球节点破坏”不易及时发现。这就会造成结构抗风能力的下降，给结构的安全性带来了极大的隐患。为了避免由此而引起的工程灾害的发生，确保人民生命和财产的安全，延长工程结构的使用寿命，就要求我们能及时地了解结构的工作状态，及时地发现结构未知的损伤。为此，建立能实现对结构工作状态自动报警和结构损伤自动诊断的智能结构系统就十分必要。
随着信息技术的发展，建立具有结构健康自动诊断功能的智能结构系统已经有了可能。本发明提出的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统就是建立在信息技术和土木工程结构技术的基础之上的。
发明内容
本发明的目的是提供一种旨在及时对大型复杂体型屋顶网架结构工作状态和结构损伤进行诊断和报警，以保证网架结构的安全的风力作用下大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统。
本发明由传感器系统、采集通讯传输接口及存储数据的数据库构成，其中传感器系统输出与采集通讯传输接口相连，采集通讯传输接口的输出与存储数据的数据库相连接，存储数据的数据库输出信号与人机交互界面相连接，其特点是在采集通讯传输接口与存储数据的数据库之间还连接有网架结构工作状态的智能报警系统和(或)支撑钢牛腿工作状态的智能报警系统和(或)网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统和(或)有损网架结构系统抗倒塌安全型实时评定系统；上述网架结构工作状态的智能报警系统包括实时监测和非实时监测两部分，其中非实时监测部分依据风荷载识别和结构有限元模型修正的结果，完成建立所有风向工况下单位风速作用结构响应根方差数据库，实时监测部分依据网架结构10分钟时段内的平均风速、平均风向和结构响应峰因子，调用数据库中的结构响应根方差，获取网架结构所有构件的最大响应，并根据设定的构件安全界限实现结构构件工作状态的报警；上述支承钢牛腿工作状态的智能报警系统以获取的牛腿关键点的瞬时应变值为特征向量，应用模糊模式识别的择近原则，从已建立好的牛腿应力场模式库中来识别出整个牛腿的瞬时应力场，并根据此来完成牛腿工作状态的报警；上述网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统利用安置在网架结构球节点上的三向加速度传感器测得的球节点的三向加速度响应时程信号，采用小波变换技术对响应信号进行分析，捕捉高频部分的突变来确诊此节点及其附近区域是否有杆件焊缝拉裂损伤以及何时拉裂；上述有损伤网架结构系统抗倒塌实时安全性评定系统通过获取网架结构各支承牛腿上的支座荷载，来判断它是否超越了牛腿的极限承载力，若已超界，则从已建立好的牛腿破坏引起网架结构杆件工作状态模式库中来识别整个网架结构杆件的工作状态(弹性、弹塑性、拉断和压屈)。
上述数据库还通过远程服务器及网络与远程用户终端机相连接。
本发明的特点是对风力作用下的大跨度复杂体型屋顶网架结构，建立了结构健康智能监测和诊断的成套技术，它可实现对网架结构工作状态的自动报警、结构损伤的自动诊断和结构抗倒塌实时安全性的自动评估，以保证网架结构在使用中的安全。
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明网架结构工作状态的智能报警系统实现原理示意图。
图3为本发明支承钢牛腿工作状态的智能报警系统实现原理示意图。
图4为本发明网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统实现原理示意图。
图5为本发明有损伤网架结构系统抗倒塌实时安全评定系统实现原理示意图。
图6为本发明实施例每个系统的硬件结构框图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明(图1)由传感器系统、采集通讯传输接口、结构健康智能监测与诊断系统及数据库所构成。其中传感器系统输出与采集通讯传输接口相连，采集通讯传输接口的输出与数据库相连接，数据库与网架结构工作状态智能报警系统、支承钢牛腿工作状态智能报警系统、网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统和有损伤网架结构抗倒塌安全实时评定系统相连接，数据库的输出信号与人机交互界面相连接。
网架结构工作状态的智能报警系统(图2)由于大型复杂体型屋顶网架结构具有几万根杆件，且当风向不同时风压力又具有完全不同的分布和随机特性，因此根本无法事先确定最危险杆件来布置应变传感器，从而无法采用常规的直接监测技术。本发明的网架结构工作状态的智能报警系统分为实时和非实时两部分。非实时部分的主要功能为建立所有风向工况下单位风速作用结构响应根方差数据库。首先采用具有时空分离特性的本征模态分解技术，并将该技术应用于识别作用在结构上的脉动风荷载的频域特性；同时，采用最大线性无关法来合理地布置用来测量结构响应加速度的加速度传感器，再根据实测加速度响应获取的结构有限模态，运用神经网络方法来对网架结构进行基于节点参数的有限元模型修正。在识别了网架结构上的风荷载并进行了结构有限元模型修正的基础上，根据随机振动理论分析出在各风向脉动风荷载作用下结构响应根方差从而建立了结构响应的根方差数据库。实时部分的主要功能为获取网架结构10分钟时段内的最大响应并根据设定的构件安全报警级别来判断构件的安全性。它利用风速风向仪得到10分钟的平均风速和风向，同时利用应变传感器实测结构构件的应变时程来确定结构风振响应的峰因子。由此，根据风向从非实时部分建立的结构响应根方差数据库中提取此风向下单位风速作用结构风振响应根方差，依据10分钟平均风速、峰因子和单位风速作用结构响应根方差，就可确定10分钟时距内网架结构构件最大应力值，并根据设定的构件安全界限实现结构构件工作状态的报警。
支撑钢牛腿工作状态的智能报警系统(图3)由于支撑钢牛腿承担的荷载可达几千吨，且它为为一复杂的封闭式箱型钢结构，因此它内部的钢构件无法安装应变传感器，也无法获取它的三向应变值，因此不能采用常规的直接监测技术。本发明的支撑钢牛腿工作状态的智能报警系统首先利用布置在钢牛腿表面关键点上的应变传感器来实测瞬时应变。然后，以关键点的瞬时应变值为特征向量，应用模糊模式识别的择近原则，从已建立好的牛腿应力场模式库中来识别出牛腿的瞬时应力场，并根据此来完成牛腿工作状态报警。牛腿应力场模式库是在把荷载分等级，并通过正向分析的方法得到“荷载(大小、作用位置)-关键点应变-牛腿应力场”关系的基础上，而建立的“关键点应变特征向量-牛腿应力场”的关系库。
网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤的自动诊断系统(图4)风力作用下网架结构可能出现的三种破坏形式中，杆件与球节点焊缝拉裂采用常规技术是最不易发现的。因此，本发明采用了损伤自动诊断系统。本发明的网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统是采用“杆件-节点”焊缝拉脱损伤诊断的时域评定方法，通过信号用小波分解后的细微变化来诊断出结构的损伤。具体来说，本发明利用安置在网架结构球节点上的三向加速度传感器测得的球节点的三向加速度响应时程信号，再采用小波变换技术对反应信号进行分析，捕捉高频部分的突变来确诊此节点处及其附近焊缝是否有拉裂以及何时拉裂。
有损伤网架结构系统抗倒塌实时安全评定系统(图5)网架结构本身是多次超静定结构，即使有三种损伤发生，一般也不易倒塌。只有当支撑系统发生破坏时，才会出现网架倒塌的可能。为此本发明建立了牛腿破坏时网架结构抗倒塌实时安全评定系统。本发明的有损伤网架结构系统抗倒塌实时安全评定系统是根据网架结构工作状态智能报警系统模块中得到的网架结构各支撑牛腿上的支座荷载，来判断它是否超越了牛腿的极限承载力，如果有牛腿超界则该牛腿失去承载能力。再按照模式识别方法从已建好的牛腿破坏后网架结构的破坏模式库中识别出网架结构的实际破坏型式从而对网架结构抗倒塌的安全度进行评定。其中，牛腿破坏后网架结构的破坏模式库的建立是将静荷载和风荷载用拟静力的方法逐级加载，并用正向弹塑性分析的方法，对失去已破坏牛腿网架结构进行分析、判断而得到的。
本发明整个的工作原理是由传感器系统获取风荷载和结构响应信息，通过通讯传输接口将这些信息传输给数据库。网架结构工作状态智能报警系统、支承钢牛腿工作状态智能报警系统和网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统各自从数据库中获取所需的信息，并据此对结构的工作状态和杆件焊缝损伤进行监测和诊断，同时将结果信息送还数据库。有损伤网架结构抗倒塌安全实时评定系统则从数据库中获取有关信息，据此对网架结构抗倒塌的安全性作出评定，并将结果信息送还数据库。最终，数据库将上述监测、诊断和评定的结果信息经远程服务器、Inter网、局域网，传输到用户的终端电脑上，通过人机交互界面传输给用户。
本发明每个系统(图6)均由中心处理单元MCU及外围电路构成，每个系统与采集通讯传输接口和数据库之间均采用数据总线形式进行通讯，传感器系统与采集通讯传输接口同样采用数据总线形式进行通讯；上述数据总线形式采用CAN(控制局域网)数据总线。
本发明每个系统的工作原理既可以通过每个系统模块实施软件的方法实现，也可以用硬件装置实现，两种实现方式均属于本发明所要求保护的范畴。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，由传感器系统、采集通讯传输接口及存储数据的数据库构成，其中传感器系统输出与采集通讯传输接口相连，采集通讯传输接口的输出与存储数据的数据库相连接，存储数据的数据库输出信号与人机交互界面相连接，其特点是在采集通讯传输接口与存储数据的数据库之间还连接有网架结构工作状态的智能报警系统和(或)支撑钢牛腿工作状态的智能报警系统和(或)网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统和(或)有损网架结构系统抗倒塌安全型实时评定系统。
2.如权利要求1所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，其特征在于网架结构工作状态的智能报警系统包括实时监测和非实时监测两部分，其中非实时监测部分依据风荷载识别和结构有限元模型修正的结果，完成建立所有风向工况下单位风速作用结构响应根方差数据库，实时监测部分依据网架结构10分钟时段内的平均风速、平均风向和结构响应峰因子，调用数据库中的结构响应根方差，获取网架结构所有构件的最大响应，并根据设定的构件安全界限实现结构构件工作状态的报警。
3.如权利要求1所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，其特征在于支承钢牛腿工作状态的智能报警系统以获取的牛腿关键点的瞬时应变值为特征向量，应用模糊模式识别的择近原则，从已建立好的牛腿应力场模式库中来识别出整个牛腿的瞬时应力场，并根据此来完成牛腿工作状态的报警。
4.如权利要求1所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，其特征在于网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统利用安置在网架结构球节点上的三向加速度传感器测得的球节点的三向加速度响应时程信号，采用小波变换技术对响应信号进行分析，捕捉高频部分的突变来确诊此节点及其附近区域是否有杆件焊缝拉裂损伤以及何时拉裂。
5.如权利要求1所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，其特征在于有损伤网架结构系统抗倒塌实时安全性评定系统通过获取网架结构各支承牛腿上的支座荷载，来判断它是否超越了牛腿的极限承载力。若已超界，则从已建立好的牛腿破坏引起网架结构杆件工作状态模式库中来识别整个网架结构杆件的工作状态(弹性、弹塑性、拉断和压屈)。
6.如权利要求1所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，其特征在于数据库还通过远程服务器及网络与远程用户终端机相连接。
7.如权利要求1所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，其特征在于每个系统与采集通讯传输接口和数据库之间均采用数据总线形式进行通讯，传感器系统与采集通讯传输接口同样采用数据总线形式进行通讯。
8.如权利要求7所述的大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统，数据总线形式采用CAN数据总线。
全文摘要
本发明涉及一种对大型复杂体型屋顶网架结构的智能健康监测系统。它由传感器系统、采集通讯传输接口及存储数据的数据库构成，其特点是在采集通讯传输接口与存储数据的数据库之间还连接有网架结构工作状态的智能报警系统和(或)支撑钢牛腿工作状态的智能报警系统和(或)网架结构杆件与球节点焊缝拉裂损伤自动诊断系统和(或)有损网架结构系统抗倒塌安全型实时评定系统。本发明的特点是对风力作用下的大跨度复杂体型屋顶网架结构，建立了结构健康智能监测和诊断的成套技术，它可实现对网架结构工作状态的自动报警、结构损伤的自动诊断和结构抗倒塌实时安全性的自动评估，以保证网架结构在使用中的安全。
文档编号G01N35/00GK1595163SQ200410013359
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月25日 优先权日2004年6月25日
发明者瞿伟廉, 滕军, 项海帆, 钟珞, 刘晖, 汪菁, 李书进, 李功标 申请人:武汉理工大学