圆拱网架建筑结构安全监测方法 【技术领域】
本发明涉及圆拱网架结构的安全监测，具体地说，涉及结构的力学特性、失效模式、计算仿真、监测策略、信息采集与处理、安全诊断等。
背景技术
圆拱网架建筑结构普遍在大型公共和工业建筑中使用，例如国内已经有30家大型火力发电厂采用该结构作为储煤棚的结构。这些储煤棚长可达到100到200米以上，宽可达到70米以上，其中布置有昂贵的设备，并有员工连续工作。某储煤棚结构参见图1。但由于各种原因，国内已经有3座储煤棚倒塌。2000年，某电厂圆拱网架储煤棚整体倒塌，幸无人员伤亡，直接经济损失达到千万元人民币。该储煤棚仅投入使用了5年，离其30年的设计寿命相距甚远。可见许多设计未预料到的因素极大威胁这类建筑的安全。如果圆拱网架结构用于会议中心、体育场馆等其它公众建筑，其安全性要求更高。因此，在其投入使用后，掌握圆拱网架建筑的变形特性，在线评价其安全性，对社会安全生产和生活有重大意义。
从结构力学的观点，储煤棚倒塌前必然发生变形，节点位移会异常变化。但是，要为成千上万节点都安装传感器监测其位移，成本是不可接受的。而且，由于网架的大跨度，对大部分节点都不可能安装传感器来检测相对于大地的位移。因此，至今尚无任何手段能长期连续监测该网架结构的整体变形。
【发明内容】
本发明的目的就在于提供一种圆拱网架建筑结构安全监测方法，即寻求节点位移与网架整体变形之间的定量关系，并通过对有限个节点的位移监测，来分析网架的变形，预测网架的安全性。
(1)确定可实施监测的有限个特征节点、并指出对不同地特征节点有不同的安全允许极限值；
(2)网架同侧特征节点的位移变化虽然没有超过对应极限值，但其构成的曲线形状有可能超过了形状的安全允许特征值，这时也是不安全的；
(3)网架两侧特征节点的位移变化虽然没有超过对应极限值，但两侧对称节点位移之差有可能超过了位移差的安全允许极限、或位移差值的曲线形状超过了形状的安全允许极限，这时都是不安全的。
本发明的目的是这样实现的。
圆拱网架结构是高次超静定结构，不同的变形状态以及失效模式，都是由各网架节点位移构成的。反之，通过网架节点的位移，可以判断网架的整体变形，从而对网架的失效进行早期诊断。
本发明在大量计算仿真的基础上，综合确定了圆拱网架节点位移与网架不同变形状态和故障模式的关系，包括网架正常静态变形状态、网架自然频率和振动模态、网架受风载荷的状态、网架受雪载荷的状态、网架受季节温差影响的状态、网架部分杆件锈蚀时的状态、网架侧面部分杆件失效引起的失效扩展直到网架倒塌的状态、网架顶部部分杆件失效引起的失效扩展直到网架倒塌的状态等。
本发明的技术方案是：
(1)以网架第二层节点作为位移监测的特征节点。这些节点既能有效反映网架整体变形，又数量不多，而且便于布置位移传感器。参见图2。
(2)第二层节点中，每节点X、Y、Z方向位移变化的安全允许极限范围根据不同的网架结构可以确定，是一组数值不同的极限数据。任何一个位移数据超过相对应的极限值，可以判断网架的安全性异常。
所述“安全允许极限”是针对不同尺寸的圆拱网架建筑结构，利用有限元方法计算得到的。有限元方法是世界公认的计算方法，只要边界条件正确，其结果是正确的。而圆拱网架结构的边界条件是可以根据其所在的地理位置容易确定的。这些边界条件包括平均气温、网架固定方式、本地最大风速等。通过计算，可以确定网架失效的过程，将失效的临界状态定义为危险状态，而对应该危险状态下的特征节点位移就被确定为安全极限。考虑一定的安全系数，即可得到安全允许极限。
安全允许极限不是单一的一个数据，而是一组数据，对应不同的特征点有不同的数据。这些数据构成的有关曲线与不同的失效模式也相关。
不同尺寸和结构的网架，利用有限元方法和软件可以计算得出这一组安全允许极限的数据系列。
(3)网架同侧的所有第二层节点X方向位移、Y方向位移、Z方向位移构成三条位移曲线，曲线的形状与网架的失效模式或故障模式是对应的。这种对应关系根据不同的网架结构可以确定。根据这些曲线形状能对应判断网架的安全性和基本故障模式。参见图3和图4。
(4)定义网架两个侧面为A侧面和B侧面。A侧和B侧的第二层节点是对称的，将两侧对称节点的X方向位移相减构成X方向位移差曲线。同理，也可以构成Y方向和Z方向的位移差曲线。位移差的大小，以及位移差曲线的形状与网架的失效模式或故障模式是对应的，这种对应关系根据不同的网架结构可以确定。根据位移差的大小和位移差曲线形状能对应判断网架的安全性和基本故障模式。参见图5。
本发明具有以下优点和积极效果：
(1)采用本发明，可以对圆拱网架建筑结构方便地实施长期、连续、可靠的安全监测，在网架失效或倒塌前发现隐患，避免恶性事故的出现。
(2)与通常的安全监测思路比较，本发明仅用较少的特征监测点位移信息，不仅直接判断位移大小，特别是通过判断成组特征点位移曲线形状、以及相关特征点位移差大小和位移差曲线形状来进行安全诊断。
【附图说明】
图1是某圆拱网架结构以及安装传感器的特征节点位置示意图。
图2是本发明的第二层节点位置图；图中1、2、3、…、15所指之处就是第二层节点。
图3是某圆拱网架储煤棚正常时的同侧特征节点X方向位移曲线图。
图4是某圆拱网架储煤棚顶部杆件失效(故障)时的同侧特征节点X方向位移曲线图。
图5是某圆拱网架储煤棚侧面杆件失效(故障)时的两侧对称特征节点X方向位移差曲线图。
其中：长方形块标记支座，菱形点标记A侧点，方形点标记B侧点。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例进一步说明。
1、本发明按下列步骤实施：
(1)特征节点的选定，以网架第二层节点作为位移监测的特征节点，如图2；
(2)利用有限元方法计算出特征节点的允许极限数据系列，并绘制出相应的位移曲线图和位移差曲线图，如图3、图4、图5；
(3)按以下不安全判据对实际结构进行安全监测评估
①所有特征节点X、Y、Z三方向位移绝对值中的任何一个超过允许极限；
②网架结构同侧特征节点或者X方向位移、或者Y方向位移、或者Z方向位移构成的曲线形状与网架正常情况下相应曲线形状的差异超过允许极限；
③网架结构两侧的两个对称特征节点或者X方向、或者Y方向、或者Z方向位移之差构成的曲线形状与网架正常情况下相应曲线形状的差异超过允许极限。
2、具体操作如下：
(1)对具体的圆拱网架结构进行有限元详细计算，计算可采用有关商业软件中的任何一种软件进行，例如美国MSC公司的Marc计算软件、美国ANSIS公司的Ansis软件等。网架计算模型用最普通的杆单元铰接模型。通过计算，确定特征节点位移与网架整体变形以及网架失效模式之间的关系，确定全部特征节点对应不同变形状态和失效模式的位移允许极限值，确定对应不同变形状态和失效模式的同侧特征节点位移曲线形状以及安全允许范围，确定对应不同变形状态和失效模式的两侧对称特征节点位移差的允许极限值和曲线形状的安全允许范围；
(2)把上述信息输入计算机作为安全诊断规则；
(3)从地面牢固安装刚性支架到网架第二层节点处，选择量程在100毫米至150毫米的位移传感器，一端固定在刚性支架上，另一端固定在特征节点上，对每一个特征节点可以安装X、Y、Z三个方向的传感器；
(4)用数据采集装置连续采集所安装位移传感器的信号，得到各特征节点的位移数据，将这些数据送入计算机数据库，利用计算机对不断采集到的数据进行连续循环处理；
(5)采用已经存入计算机的安全诊断规则对采集的数据进行连续循环对比诊断，判断网架建筑结构的安全性，提出相应的处置措施；
(6)通过上述保存在数据库中的数据，分析特征节点位移的变化趋势，根据安全诊断规则预测网架的安全性。