整体钢平台的智能牛腿系统及其安装使用方法与流程

本发明涉及一种整体钢平台的智能牛腿系统。

背景技术：

目前超高层核心筒施工多采用整体钢平台模架装备进行施工。这类钢平台模架装备在正常施工或爬升状态下均需通过外伸牛腿搁置在核心筒的预留洞口上。外伸牛腿的安全性是保障钢平台模架体系正常运行的关键。实际工程中，外伸牛腿的安全性主要是借助有限元分析进行强度和刚度计算校核来保证。目前的做法主要存在的问题有：

(1)外伸牛腿和结构接触面的不均匀、边界条件复杂等因素决定了理论分析的计算结果无法精确模拟得到牛腿的实际受力情况；

(2)钢平台层堆载的离散性和不确定性、施工状态的多变性导致实际工程中外伸牛腿的受力状态具有很强的不确定性。因而，实际工程中钢平台牛腿的真实力学状态并不能定量获知，出现超载和危险情况也无法预警，这给施工过程带来了一定的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种整体钢平台的智能牛腿系统及其安装使用方法，能够使得牛腿在使用过程中的状态可知、可控，以保障超高层模架装备在施工过程中的安全性，并方便模架装备的安全控制和管理。

为解决上述问题，本发明提供一种整体钢平台的智能牛腿系统，包括：

牛腿传感器单元，包括外伸牛腿、FBG应变传感器、FBG温度传感器、光缆和钢封板，其中，外伸牛腿设置于整体钢平台上，用于搁置在结构的预留洞口上，FBG应变传感器和FBG温度传感器植入于所述外伸牛腿内，FBG应变传感器和FBG温度传感器由光缆串接，通过钢封板封死在所述外伸牛腿内；

设置于钢平台中控室的FBG解调仪，所述FBG解调仪与所述光缆连接，所述FBG解调仪用于将FBG应变传感器和FBG温度传感器采集的数据进行解调后发送至中控室PC机；

中控室PC机，所述解调仪通过光缆与中控室PC机进行连接，所述中控室PC机用于进行数据采集、分析和预警。

进一步的，在上述系统中，所述FBG应变传感器和FBG温度传感器埋入所述外伸牛腿的斜面凹槽内。

进一步的，在上述系统中，所述光缆沿着外伸牛腿的斜面和底面凹槽布设，并在牛腿端部露出预设距离。

进一步的，在上述系统中，与所述FBG应变传感器和FBG温度传感器连接的所述光缆沿着控制外伸牛腿伸缩的液压油缸油管线路接入钢平台中控室的FBG解调仪上。

进一步的，在上述系统中，所述钢封板采用3mm厚的钢板，用于将外伸牛腿的斜面和底面封死，钢板与牛腿采用平头螺丝进行连接。

根据本发明的另一面，还提供一种整体钢平台的智能牛腿系统的安装使用方法，包括：

外伸牛腿的构件加工完毕后，即在外伸牛腿的体内植入FBG应变传感器和FBG温度传感器，FBG应变传感器和FBG温度传感器由光缆串接，通过钢封板封死FBG应变传感器和FBG温度传感器，从而形成牛腿传感器单元；

牛腿传感器单元组装结束后，将光缆连接解调仪和采集软件进行调试，确保FBG应变和温度传感器能正常工作；

调试完毕后，由于此时牛腿不受力t₀时刻，依次记录各外伸牛腿上FBG应变传感器和温度传感器的波长零值，记第k号外伸牛腿上应变和温度传感器的波长零值分别为和

利用钢封板对牛腿传感器单元进行封装；

将各牛腿传感器单元上的光缆与钢平台中控室的FBG解调仪连接，所述解调仪进一步通过光缆与中控室PC机进行连接，接线完毕后，进行智能牛腿系统的调试，以确认整个系统运行正常；

将牛腿传感器单元搁置在核心筒的预留洞口上开始受力工作，触发FBG解调仪和中控室PC机进行数据采集，以捕捉各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态；

中控室PC机建立牛腿传感器单元的实体有限单元模型，按照实际工程的安全控制要求，对正常(I)、超载(II)、危险(III)三个状态下的牛腿进行受力分析，分别确定三个状态下牛腿传感器单元斜面处应力的阀值为[σ_I]、[σ_II]和[σ_III]，根据各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态得到各牛腿传感器单元的应力实测值，根据各牛腿传感器单元的应力实测值和阀值，对整个智能牛腿系统的应力分布情况进行定量评估，对出现的超载和突发的危险情况进行报警。

进一步的，在上述方法中，根据各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态得到各牛腿传感器单元的应力实测值，包括：

整体钢平台正常使用的过程即牛腿搁置的t₁时刻，第k号牛腿传感器单元上的FBG应变传感器和温度传感器的波长值分别为和则k号牛腿斜面处的应力值式中，为第k号牛腿传感器单元的应力灵敏度系数，为FBG应变传感器的温度补偿系数，对于各牛腿传感器单元而言，和均为定值。

进一步的，在上述方法中，在外伸牛腿的体内植入FBG应变传感器和FBG温度传感器，包括：

将所述FBG应变传感器和FBG温度传感器埋入所述外伸牛腿的斜面凹槽内。

进一步的，在上述方法中，FBG应变传感器和FBG温度传感器由光缆串接中，

将所述光缆沿着外伸牛腿的斜面和底面凹槽布设，并在牛腿端部露出一定距离，以便于外伸牛腿工作时正常伸缩并同解调仪连接。

进一步的，在上述方法中，FBG应变传感器和FBG温度传感器由光缆串接中，

将与所述FBG应变传感器和FBG温度传感器连接的所述光缆沿着控制外伸牛腿伸缩的液压油缸油管线路接入钢平台中控室的FBG解调仪上。

进一步的，在上述方法中，通过钢封板封死FBG应变传感器和FBG温度传感器中，

采用3mm厚的钢封板，将外伸牛腿的斜面和底面封死，钢封板与牛腿采用平头螺丝进行连接，完成牛腿传感器单元的封装。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)将传感器直接植入牛腿中，每个牛腿自身为传感单元，不增加牛腿的体量，不需要附设压力传感器和受力转换装置，应力传感方式最为直接，得到的应力数据最接近真实值；

(2)牛腿斜面处的应力采用FBG应变和温度传感器(起温度补偿作用)进行测量，FBG传感器为光信号，不受施工现场振动、噪声、电场、磁场等环境的影响，传感器信号的稳定性非常高；

(3)FBG解调仪的采集频率的可配置区间很宽(1Hz～1000Hz之间均可)，数据采集具有很高的实时性；

(4)通过智能牛腿系统可实时地对各牛腿传感器单元的应力状态进行定量评估，能够实时地掌握整个钢平台系统牛腿的真实受力状态并对可能出现的超载或危险状态进行报警，可规范和指导现场施工人员的操作，保障了施工的安全性，提升了超高层施工的信息化和智能化水平。

附图说明

图1为整体钢平台模架装备示意图；

图2为牛腿传感器单元示意图；

图3为牛腿传感器单元钢封板示意图；

图4为牛腿传感器单元底面视图；

图5为智能牛腿系统示意图；

附图标记如下：

1、牛腿传感器单元，2、解调仪，3、PC机，101、牛腿，102、FBG应变传感器，103、FBG温度传感器，104、光缆，105、钢封板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种整体钢平台的智能牛腿系统，包括：

牛腿传感器单元，包括外伸牛腿101、FBG应变传感器102和FBG温度传感器103、光缆104和钢封板105，其中，外伸牛腿101设置于整体钢平台上，用于搁置在结构的预留洞口上，FBG应变传感器102和FBG温度传感器103植入于所述外伸牛腿101内，FBG应变传感器102和FBG温度传感器由光缆104串接，通过钢封板105封死在所述外伸牛腿101内；

设置于钢平台中控室的FBG解调仪，所述FBG解调仪与所述光缆104连接，所述FBG解调仪用于将FBG应变传感器102和FBG温度传感器103采集的数据进行解调后发送至中控室PC机；在此，解调仪上的数据由光缆传送至中控室PC机上的数据采集软件；

中控室PC机，所述解调仪通过光缆与中控室PC机进行连接，所述中控室PC机用于进行数据采集、分析和预警。

本发明一实施例中，所述FBG应变传感器102和FBG温度传感器埋入所述外伸牛腿101的斜面凹槽内。在此，外伸牛腿的斜面和底面中部设置有凹槽，牛腿构件加工完毕后即将FBG应变和温度传感器埋入所述外伸牛腿101的斜面凹槽内，其中应变和温度传感器进行串联连接。

本发明一实施例中，所述光缆104沿着外伸牛腿101的斜面和底面凹槽布设，并在牛腿端部露出预设距离，以便于外伸牛腿工作时正常伸缩并同解调仪连接。

本发明一实施例中，与所述FBG应变传感器102和FBG温度传感器连接的所述光缆104沿着控制外伸牛腿101伸缩的液压油缸油管线路接入钢平台中控室的FBG解调仪上。

本发明一实施例中，所述钢封板105采用3mm厚的钢板，用于将外伸牛腿101的斜面和底面封死，钢板与牛腿采用平头螺丝进行连接，即完成了牛腿传感器单元的封装。

根据本发明的另一面，还提供一种整体钢平台的智能牛腿系统的安装使用方法，包括：

外伸牛腿101的构件加工完毕后，即在外伸牛腿101的体内植入FBG应变传感器102和FBG温度传感器103，FBG应变传感器102和FBG温度传感器由光缆104串接，通过钢封板105封死FBG应变传感器102和FBG温度传感器，从而形成牛腿传感器单元1；

牛腿传感器单元组装结束后，将光缆104连接解调仪和采集软件进行调试，确保FBG应变和温度传感器能正常工作；

调试完毕后，由于此时牛腿不受力t₀时刻，依次记录各外伸牛腿上FBG应变传感器和温度传感器的波长零值，记第k号外伸牛腿上应变和温度传感器的波长零值分别为和

利用钢封板105对牛腿传感器单元进行封装；

将各牛腿传感器单元上的光缆104与钢平台中控室的FBG解调仪连接，所述解调仪进一步通过光缆与中控室PC机进行连接，接线完毕后，进行智能牛腿系统的调试，以确认整个系统运行正常；

将牛腿传感器单元搁置在核心筒的预留洞口上开始受力工作，触发FBG解调仪和中控室PC机进行数据采集，以捕捉各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态；

中控室PC机建立牛腿传感器单元的实体有限单元模型，按照实际工程的安全控制要求，对正常(I)、超载(II)、危险(III)三个状态下的牛腿进行受力分析，分别确定三个状态下牛腿传感器单元斜面处应力的阀值为[σ_I]、[σ_II]和[σ_III]，根据各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态得到各牛腿传感器单元的应力实测值，根据各牛腿传感器单元的应力实测值和阀值，对整个智能牛腿系统的应力分布情况进行定量评估，对出现的超载和突发的危险情况进行报警。在此，中控室PC机作为数据分析和预警系统对数据进行分析，计算钢平台系统所有牛腿上的压力值、对钢平台系统的牛腿压力情况进行评估及预警。

本发明一实施例中，根据各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态得到各牛腿传感器单元的应力实测值，包括：

整体钢平台正常使用的过程即牛腿搁置的t₁时刻，第k号牛腿传感器单元上的FBG应变传感器和温度传感器的波长值分别为和则k号牛腿斜面处的应力值式中，为第k号牛腿传感器单元的应力灵敏度系数，为FBG应变传感器的温度补偿系数，该系数与FBG应变传感器的温度敏感系数、FBG温度传感器的温度敏感系数及牛腿材料的线膨胀系数等有关，对于各牛腿传感器单元而言，和均为定值。

本发明一实施例中，在外伸牛腿101的体内植入FBG应变传感器102和FBG温度传感器103，包括：

将所述FBG应变传感器102和FBG温度传感器103埋入所述外伸牛腿101的斜面凹槽内。在此，牛腿构件加工完毕后即将FBG应变和温度传感器埋入所述外伸牛腿101的斜面凹槽内，其中应变和温度传感器进行串联连接。

本发明一实施例中，FBG应变传感器102和FBG温度传感器由光缆104串接中，

将所述光缆104沿着外伸牛腿101的斜面和底面凹槽布设，并在牛腿端部露出一定距离，以便于外伸牛腿工作时正常伸缩并同解调仪连接。

本发明一实施例中，FBG应变传感器102和FBG温度传感器由光缆104串接中，

将与所述FBG应变传感器102和FBG温度传感器连接的所述光缆104沿着外伸牛腿101中的液压油缸油管线路接入钢平台中控室的FBG解调仪上。

本发明一实施例中，通过钢封板105封死FBG应变传感器102和FBG温度传感器中，

采用3mm厚的钢封板105，将外伸牛腿101的斜面和底面封死，钢封板105与牛腿采用平头螺丝进行连接，完成牛腿传感器单元的封装。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)将传感器直接植入牛腿中，每个牛腿自身为传感单元，不增加牛腿的体量，不需要附设压力传感器和受力转换装置，应力传感方式最为直接，得到的应力数据最接近真实值；

(2)牛腿斜面处的应力采用FBG应变和温度传感器(起温度补偿作用)进行测量，FBG传感器为光信号，不受施工现场振动、噪声、电场、磁场等环境的影响，传感器信号的稳定性非常高；

(3)FBG解调仪的采集频率的可配置区间很宽(1Hz～1000Hz之间均可)，数据采集具有很高的实时性；

(4)通过智能牛腿系统可实时地对各牛腿传感器单元的应力状态进行定量评估，能够实时地掌握整个钢平台系统牛腿的真实受力状态并对可能出现的超载或危险状态进行报警，可规范和指导现场施工人员的操作，保障了施工的安全性，提升了超高层施工的信息化和智能化水平。

详细的，如图1所示，应用于超高层核心筒施工的整体钢平台模架装备在正常工作状态下通过外伸牛腿(牛腿传感器单元)1搁置在结构的预留洞口上。

如图2、图3、图4所示，所述的牛腿传感器单元1由外伸牛腿101、FBG应变传感器102、FBG温度传感器103、光缆104及3mm厚封板105构成。所述的FBG应变传感器102和FBG温度传感器103布设于外伸牛腿101的斜面凹槽内，FBG应变传感器102和FBG温度传感器103通过光缆104进行串接，光缆104沿外伸牛腿101底面凹槽伸出。外伸牛腿斜面和底面通过3mm钢封板105封死。各牛腿传感器单元的调试和零值测定可在组装过程中完成。

如图5所示，牛腿监控系统分别由钢平台上的多个牛腿传感器单元1、解调仪2及PC机3组成。在钢平台安装阶段，完成智能牛腿系统的建立和调试。钢平台正常工作后，智能牛腿系统正式启动运行，开始实时记录各牛腿传感器单元的应力状态，对钢平台所有牛腿的状态进行定量评估，对可能出现的超载或危险进行预警。

本发明一具体应用实例的整体钢平台的智能牛腿系统的安装使用步骤包括：

(1)对各牛腿传感器单元进行组装、调试、零值测定和封装。牛腿构件加工完毕后即将FBG应变和温度传感器埋入牛腿的斜面凹槽内，其中应变和温度传感器进行串联连接。串接光缆沿着斜面和底面凹槽布设，并在牛腿端部露出一定距离以便于外伸牛腿工作时正常伸缩并同解调仪连接。牛腿传感器单元组装结束后，连接解调仪和采集软件进行调试，确保FBG应变和温度传感器能正常工作。调试完毕后，由于此时牛腿不受力(t₀时刻)，可依次测定各牛腿单元上FBG应变传感器和温度传感器的波长零值，记第k号牛腿上应变和温度传感器的波长零值分别为和最后，利用3mm钢板将牛腿斜面和底面封死，钢板与牛腿采用平头螺丝进行连接，即完成了牛腿传感器单元的封装。

(2)建立智能牛腿系统并完成系统调试。当钢平台系统在结构中安装完毕后，随即进行牛腿传感系统的建立。将各牛腿传感器单元上的光缆沿着液压油缸油管线路接入钢平台中控室的FBG解调仪上，进一步通过光缆将解调仪与中控室PC机进行连接。接线完毕后，即可进行牛腿传感系统的调试，以确认整个系统运行正常。

(3)钢平台工作状态下进行牛腿传感系统数据采集。牛腿搁置在核心筒的预留洞口上开始受力工作，触发采集软件进行数据采集，以捕捉各牛腿传感器单元在实际施工状态下的真实应力状态。

(4)牛腿传感系统的数据分析和预警。建立牛腿传感器单元的实体有限单元模型，按照实际工程的安全控制要求，对正常(I)、超载(II)、危险(III)三个状态下的牛腿进行受力分析，分别确定三个状态下牛腿传感器单元斜面处的应力阀值为[σ_I]、[σ_II]和[σ_III]。钢平台正常使用的过程(牛腿搁置)的t₁时刻，第k号牛腿传感器单元上的FBG应变传感器和温度传感器的波长值分别为和则k号牛腿斜面处的压力值式中，为第k号牛腿传感器单元的应力灵敏度系数。为FBG应变传感器的温度补偿系数，该系数与FBG应变传感器的温度敏感系数、FBG温度传感器的温度敏感系数及牛腿材料的线膨胀系数等有关。对于各牛腿传感器单元而言，和均为定值。根据各牛腿传感器单元的应力实测值和阀值，对整个牛腿传感器系统的应力分布情况进行定量评估，对可能出现的超载和突发的危险情况进行报警。

综上所述，本发明针对目前应用于超高层核心筒施工的整体钢平台模架装备的外伸牛腿在使用过程中真实受力状态不能获知、钢平台系统出现超载和危险状况无法预警等问题，本发明主要由牛腿自传感系统、数据采集系统以及数据分析和预警系统三大部分构成，通过在外伸牛腿的体内植入FBG应变和温度传感器，牛腿能够自传感，测试信号稳定且具有很强抗干扰性和实时性，建立由牛腿传感器单元、数据采集及数据分析和预警三部分构成的智能牛腿系统，智能牛腿系统能够实时感知自身的受力状态，可对钢平台体系的牛腿受力进行实时监测和评估，对可能出现的超载和危险情况进行预警，保障了超高层核心筒施工的安全性，提升了施工的智能化和信息化水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。