基于变形分解的平面钢构件稳定性监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢构件的稳定性监测技术领域，尤其涉及基于变形分解的平面钢构件 稳定性监测方法。
【背景技术】
[0002] 钢结构由于其强度高、质量轻、力学性能好、工厂化制造、安装简捷、施工周期短、 抗震性能好、环境污染少等优点，在工程中得到了广泛应用。但同时，由于自身易失稳，且无 明显征兆的缺点，使得钢构件稳定性有效的监测方法成为亟待解决的工程实际问题。
[0003]目前，针对钢构件的检测方法有：根据结构振动与稳定性的相关性，以振动频率作 为监控参数进行稳定性监测；利用钢构件的红外线热像及红外辐射温度特征，实现对结构 或构件的失稳监测；在结构关键部位布置双钢管失稳监控部件，当构件承受的轴向荷载达 到一定值时，内钢管发生失稳，与外钢管内壁接触后横向变形受到抑制，并发出失稳警报； 利用应变和位移传感器，根据结构失稳时的钢构件应变和位移规律进行稳定性监测。
[0004] 就目前的监测方法而言，振动频率监测法和红外线监测法均有操作复杂，成本较 尚的缺点；双钢管失稳检测法则由于内钢管失稳后，方能进彳丁稳定性判定，故具有一定的滞 后性；而普通的应变和位移监测法，由于难以直接获取反映结构失稳本质的竖向弯曲变形 信息，而难以成为钢构件稳定性监测的有效方法。钢构件发生失稳是由于其竖向弯曲变形 过大造成的，基于正交理论的变形分解法可以在实现刚柔分离的同时，分解出钢构件的竖 向弯曲变形以及竖向变形在柔性变形中所占比例，并对钢构件的稳定性进行有效监测，因 此，基于变形分解的平面钢构件稳定性检测在建筑行业中钢结构应用中具有重要的意义。 目前，基于变形分解的平面钢构件稳定性监测方法尚未发现。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于变形分解的平面钢构件稳定性监测 方法。
[0006] 本发明所采取的技术方案是：
[0007] -种基于变形分解的平面钢构件稳定性监测方法，包括以下步骤：
[0008] (1)取待监测平面钢构件，沿高度方向，由侧面底部向上依次以钢构件宽度b为单 位，进行bXb正方形网格划分，直至距钢构件顶部距离小于杆件宽度b为止，得到N个正方 形网格，然后在各网格顶点处均布置一个位移传感器；
[0009] (2)待平面钢构件投入使用后，通过位移传感器检测，可得到第j(j= 1、2…N)个 正方形网格的4个顶点的位移向量：
[0010] (Uw乂於uJ2vJ2uJ3vJ3uJ4vJ4) (1)
[0011] 其中：Ujji= 1，2, 3, 4)为第j个正方形网格四个顶点水平方向的位移值；
[0012] Vji(i= 1，2, 3, 4)为第j个正方形网格四个顶点竖直方向的位移值；
[0013] (3)根据变形分解法，对第j(j= 1、2…N)个正方形网格所围区域的变形进行基 本位移和变形的分解，得到：
[0014]dj=AjBt (2)
[0015]其中矩阵B为四节点正方形单元基矩阵：
[0016]
[0017] 四节点正方形单元基矩阵B行向量所表示的基向量依次为：水平方向刚体位移基 向量、竖向刚体位移基向量和刚体转动位移基向量，以及水平方向拉压变形基向量、竖向拉 压变形基向量、水平方向弯曲变形基向量、竖向弯曲变形基向量和剪切变形基向量；
[0018]dj为正方形网格j所围区域的变形在单元基矩阵上的投影向量：
[0019] dj= (dj!dJ2 dJ3 dJ4 dJ5 dJ6 dJ7 dJ8)(4)
[0020] 其中'a= 1，2. .. 8)为第j个正方形网格所围区域的变形在第i种基本位移或 变形上的投影系数；
[0021] (4)舍去前三项刚体位移，以实现刚柔分离；并由：
[0022]
[0023] 可得竖向弯曲变形在各种基本变形中所占比例；
[0024] 进而，平面钢构件竖向弯曲变形所占比例为
[0025]
[0026] (5)根据得到的平面钢构件竖向弯曲变形所占比例与预警竖向弯曲变形比例相比 较，进行平面钢构件的稳定性的判别；当平面钢构件竖向弯曲变形所占比例为5%时，为黄 色预警；当平面钢构件的竖向弯曲变形所占比例为 1〇%时，为橙色预警；当平面钢构件的 竖向弯曲变形所占比例为20%时，为红色预警。
[0027] 本发明的增益效果是：
[0028] 本发明在基于正交理论的变形分解法基础上，可以对平面钢构件的变形进行刚柔 分离，通过对平面钢构件在轴向荷载作用下变形中竖向弯曲变形所占比例的提取分析，即 可进行平面钢构件稳定性的判别；当为黄色预警时，提示对平面钢构件进行定期观测，并采 取必要的稳定性增强措施；当为橙色预警时，应对平面钢构件的缺陷、裂缝等进行检测，并 及时实施平面钢构件的稳定性加固；当为红色预警时，提示结构即将发生失稳破坏，迅速组 织相关人员和设备的疏散工作，禁止任何人员靠近。本方法操作简单，能够快速的判别出平 面钢构件的稳定性，具有重要的实际意义。
【附图说明】
[0029] 图1为平面钢构件A的传感器的布置图。
[0030]图2为平面钢构件A在轴向荷载作用下的竖向弯曲变形所占比例。
[0031] 图3为不同长细比的平面钢构件的临界弯曲比。
[0032] 图4为不同长细比的平面钢构件在竖向弯曲变形所占比例达到20%时所承受的 轴向荷载值相对于失稳临界荷载值所占比例。
[0033] 图5为平面钢构件B的传感器的布置图。
[0034]图6为平面钢构件B在轴向荷载作用下的竖向弯曲变形所占比例。
【具体实施方式】
[0035] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0036] 参见图1和图5,图中序号：1为位移传感器。
[0037]实施例一：如图1所示，下端固结、上端自由的平面钢构件A，其材料选用Q235 钢，弹性模量为2. 06GPa，密度为7. 85X103kg/m3,平面钢构件高度为370mm，横断面边长为 20_，平面钢构件A的长细比为128,其稳定性检测方法如下：
[0038] (1)取平面钢构件A，在平面钢构件A的侧面沿高度方向从平面钢构件的底部向上 依次以平面钢构件宽度20mm为单位，进行20mm*20mm正方形网格划分，直至平面钢构件顶 部的距离小于平面钢构件A宽度为止，得到18个正方形网格，然后在各网格顶点处均布置 一个位移传感器；
[0039] (2)通过位移传感器检测，可得到第j(j= 1、2~18)个正方形网格的4个顶点的 位移向量：
[0040]Aj=(Ujl乂於uJ2vJ2uJ3vJ3uJ4vJ4) (7)
[0041] 其中：Ujji= 1，2, 3, 4)为第j个正方形网格四个顶点水平方向的位移值；Vji(i= 1，2, 3, 4)为第j个正方形网格四个顶点竖直方向的位移值；
[0042] (3)根据变形分别法，对第j(j= 1、2~18)个正方形网格所围区域的变形进行基 本位移和变形的分解，得到：
[0043] dj=AjBt (8)
[0044]其中矩阵B为四节点正方形单元基矩阵：
[0045]
[0046] 四节点正方形单元基矩阵B行向量所表示的基向量依次为：水平方向刚体位移基 向量、竖向刚体位移基向量和刚体转动位移基向量，以及水平方向拉压变形基向量、竖向拉 压变形基向量、水平方向弯曲变形基向量、竖向弯曲变形基向量和剪切变形基向量；
[0047] dj为正方形网格j所围区域的变形在单元基矩阵上的投影向量：
[0048] dj= (dj!dJ2dJ3dJ4dJ5dJ6dJ7dJ8) (10)
[0049] 其中c^a= 1，2. .. 8)为第j个正方形网格所围区域的变形在第i种基本位移或 变形上的投影系数，
[0050] (4)实施刚柔分离后，由：
[0051]
[0052] 可得竖向弯曲变形在各种基本变形中所占比例，如图2所示；
[0053] 进而，平面钢构件A竖向弯曲变形所占比例为
[0054]
[0055] 从而可以得到不同轴向力作用下平面钢构件A的竖向弯曲变形所占比例。
[0056] (5)依据前4步，在很小水平干扰力的作用下，对平面钢构件A的轴向不断增加荷 载力，直至平面钢构件发生失稳，这样可以得到不同轴向力作用下的平面钢构件A的竖向 弯曲变形所占比例，如图2所示。
[0057] 在未达到屈服时，平面钢构件的竖向弯曲变形所占的比例是随着轴向荷载的增加 而增加的，但在即将达到临界荷载时，平面钢构件的竖向弯曲变形所占的比例是急剧增加 的，在达到失稳时竖向弯曲变形所占比例突然减小，呈现出明显的拐点。平面钢构件在竖 向弯曲变形所占比例发生急剧增加的点对应的比例为5%，而在平面钢构件的竖向弯曲变 形所占比例达到5%之前，其变化几乎是平稳的，此时轴向荷载值占到临界荷载值的70% 以上；在平面钢构件的竖向弯曲变形所占比例达到10%时，轴向荷载值占到临界荷载值的 90%左右，平面钢构件接近失稳；在平面钢构件的竖向弯曲变形所占比例达到20%时，轴 向荷载值近似为临界荷载值，平面钢构件将发生失稳，具体分析结果如表1所示。
[0058] 表1平面钢构件A的稳定性分析结果
[0059] CN 104990532 A ^7L m ti 5/8页
[0060] 在此分析基础上，本发明可以依据平面钢构件在竖向弯曲变形所占比例的大小， 判别此时平面钢构件的稳定性。例如，依据本发明得到平面钢构件A的竖向弯曲变形所 占比例为7. 72 %，此时所承受的轴向荷载相对于失稳临界荷载值的比例为82. 30 %，而 7. 72%介于5%与10%之间，平面钢构件稳定性较差，应对平面钢构件的缺陷、裂缝等进行 检测，并及时实施平面钢构件的稳定性加固。
[0061] 表2任一工况下平面钢构件A的稳定性分析结果
[0062]
[0063]在平面钢构件稳定性分析中，随着平面钢构件轴向力的增加，荷载逐渐接近钢构 件失稳的临界