钢结构施工过程中健康监测与分析ppt课件.ppt
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1、背景大跨钢结构施工的方法和特点结构健康监测系统简述西宁体育馆健康监测方案及结果分析,目录,背景,大跨钢结构由于其跨度大、质量轻、造型丰富优美等优点,已被广泛应用于大众文化交流、体育娱乐等重要设施。并且复杂大跨钢结构分析理论的日趋成熟以及设计理念和构思的更新,致使大跨钢结构的发展越来越快,结构跨度和规模也越来越大。目前,这些新颖别致的大跨钢结构建筑广泛地应用于体育场馆、会展中心、火车站、博物馆、大型停车场、钢结构厂房等各类公共建筑领域。,背景,这些大跨钢结构受力复杂,所处环境状况多变,发生损伤和破坏的潜在危险性较大。尤其是在施工阶段,其受力和变形与竣工后正常服役状态的受力和变形有很大的不同,受施
2、工方法和施工过程及环境变化的影响很大。若不及时关注和控制,将会带来一定的质量缺陷,严重时甚至会影响到整体结构。这方面的教训国内外都有很多。,若在施工过程中对大跨钢结构进行实时在线健康监测,及时了解结构的受力变形及其它工作状态,就能够做到及时预警、报警,采取相应措施排除各种危险性。同时,监测数据与分析可以进一步提高对大跨度复杂钢结构的认识,为以后的设计与施工提供宝贵的依据。 另外,大跨复杂钢结构由于结构复杂,施工难度大,造价也相应较高,而安装健康监测系统的费用却只占建筑总造价的极小的一部分,比起结构日常维修和养护费用、结构倒塌损失以及重建资金来讲,这样的投入是非常值得的。,大跨钢结构施工的方法和
3、特点,钢结构施工的方法,高空散装法,整体吊装法,整体提升法,折叠展开安装法,大跨钢结构施工的方法和特点,1 高空散装法,将结构的全部杆件和节点(或小拼单元)直接在高空设计位置总拼成整体的安装方法称为高空散装法。 高空散装法分为全支架法(即满堂脚手架)和悬挑法两种。全支架法多用于散件拼装,而悬挑法则多用于小拼单元在高空总拼。该施工方法不需大型起重设备,但现场及高空作业量大,同时需要大量的支架材料和设备。 高空散装法适用于非焊接连接的各种类型的网架、网壳或桁架,拼装的关键技术问题之一是各节点的坐标控制。,大跨钢结构施工的方法和特点,2 整体吊装法,整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体,用起重设备将
4、其吊装至设计标高并固定的方法。 用整体吊装法安装空间钢结构时,可以就地与柱错位总拼或在场外总拼,此法一般适用于焊接连接网架,因此地面总拼易于保证焊接质量和几何尺寸的准确性。其缺点是需要大型的起重设备,且对停机点的地耐力要求较高,同时会影响土建的施工作业。秦山二期核电站钢结构穹顶就是采用整体吊装法进行安装。,大跨钢结构施工的方法和特点,3 整体提升法,整体提升法是将结构在地面整体拼装后,起重设备设于结构上方,通过吊杆将结构提升至设计位置的施工方法。 这种施工方法利用小机(如升板机、液压滑模千斤顶等)群安装大型钢结构,使吊装成本降低。其次是提升设备能力较大,提升时可将屋面板、防水层、采暖通风及电气
5、设备等全部在地面施工后,然后再提升到设计标高,从而大大节省施工费用。如上海歌剧院屋盖工程采用整体提升的施工方法,提升质量达6000t。,大跨钢结构施工的方法和特点,4 折叠展开安装法,该方法把一个穹顶看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。因此穹顶的立体空间作用可以分解为径向拱的作用与环向箍作用的叠加。对于杆件组成的网格状网壳来说,去掉部分的环向作用就是去掉一部分环向杆。这样穹顶结构就可以产生 1 个竖向的、且唯一的自由度。利用穹顶临时具有的自由度,就可以把穹顶折叠起来,在接近地面的高度进行安装。然后利用液压顶升和气压等方式把折叠的穹顶沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度,完成穹顶的施工过程。
6、,结构健康监测系统简述,结构健康监测系统简述,结构健康监测系统的构成健康监测常用传感元件简介常用监测仪器简介,结构健康监测系统简述,一 结构健康监测系统的构成,1 监测,监测部分主要是结构在外界激励(包括外荷载、重力作用和温度、地震等环境因素)作用下的内力、变形等响应被事先安装在结构构件上的各种传感器所捕获,并将所采集的各类原始数据传输到信号处理系统。经信号处理系统处理的数据再进入诊断系统,为后继的诊断部分和评估部分做充分的准备。,结构健康监测系统简述,2 诊断,诊断部分主要是首先对结构建立模型,通过有限元模拟分析和计算,对模型进行多次修正后获得理论计算数据,再利用特定分析处理技术对所得数据进
7、行进一步地处理。结合监测和计算数据,动用各类手段对结构的损伤位置和损伤程度进行识别。,结构健康监测系统简述,3 评估,评估部分则主要是根据诊断部分的损伤识别结果,结合专家评估系统,对结构进行可靠性分析和评价。评估结构的剩余强度,预测结构的剩余使用年限和寿命,得出结构的评估结论,根据结论,作出对结构的维护或维修决策和措施。,结构健康监测系统简述,从系统构成看,结构健康监测系统主要包括传感器、数据采集与处理设备、通讯系统、监控中心和报警设备,是一种在线的监测系统,主要包括监测、诊断和评估三部分。,结构健康监测系统简述,二 健康监测常用传感元件简介,1 电阻应变计,1.1 电阻应变计结构,电阻应变计
8、主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成,敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型结构如图 2.2 所示。图 2.3 为对应变计输出信号进行采集的静态应变采集箱。,结构健康监测系统简述,1.2 电阻应变计的工作原理,电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件,其基本任务就是把构件表面的变形量转变为电信号,输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中,除超导外的所有物体都有电阻,不同的物体导电能力不同,物体电阻的大小与物体的材料性能和几何形状有关,正是这一特性促使了电阻应变计的诞生。 电阻应变计由基底、敏感删、覆盖层、粘结剂和引出线构成,其中敏感删是核心部分。敏感删可以看成为一根
9、电阻丝,其阻值会随着本身的长度和所用材料属性变化而变化。,根据物理学知识,一根圆形金属电阻丝的电阻为 R:,其中:,结构健康监测系统简述,在外荷载或温度作用下,电阻丝将沿轴向伸长或缩短,其横截面直径也会相应缩小或变大,横截面积与直径 D 相关联,产生相应的变化。,式中, 为电阻丝的泊松比,d L/L 为电阻丝长度变化率,若用应变来表示,有:,在长度变化后,电阻值也发生了变化,其相对变化为:,结构健康监测系统简述,上式中,最后结果有两项,第一项与材料属性有关,即电阻率产生变化所致;第二项与材料几何尺寸有关,即电阻丝长度产生变化所致。在一定温度下,金属丝的电阻变化率与其长度变化率存在正比关系,有:
10、,式中,结构健康监测系统简述,被称为电阻丝的灵敏度系数。通过上面所述可见:电阻丝的电阻变化率与它的轴向应变存在一定的线性关系。遵循上述规律,寻求合适的金属材料,其电阻变化能够在金属材料性能和尺寸变化中处于稳定变化状态,也即能够将应变信号较好地转换为电信号,那么,便可用这些金属材料来制作性能优良的电阻应变计。电阻应变片常用的敏感栅材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等。,结构健康监测系统简述,2 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG),2.1 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG)工作原理,光波作为波的一种,也具有振幅、相位、偏振态、波长等特征参量。在外荷载、温度等环境因素
11、的作用下,光波的这些参量会产生间接或直接变化。而光纤正好可以作为光波的传输载体,因此,可以将光波参量的变化通过光纤探测到,而光波的这些参量和结构构件的受力等情况又有一定的关联性,从而获得结构和构件的内力及变形等变化情况。上述部分即为光纤传感器的基本原理,见图 2.4 所示。,结构健康监测系统简述,结构健康监测系统简述,3 钢弦应变传感器,钢弦应变传感器也是一种测量建筑物或构件表面应变量的传感器。广泛用于混凝土结构、桥梁结构和钢结构中的桁架和支撑结构中。它以钢弦作为传感元件,与钢弦频率测定仪配合使用,实现其测量功能。,3.1 钢弦应变传感器构造及工作原理,其工作原理为:一定长度的钢弦张拉在两个端
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