CN107391800B - 一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法。与传统的钢桁架液压提升过程中的监测方法相比，本发明所提供的方法具有以下优点：（1）克服了使用水准仪、全站仪和经纬仪等传统坐标监测方法难以实现动态实时监测的缺陷，可以实现钢桁架液压提升全过程的动态实时监测；（2）相比于传统的监测设备，一旦计算机视觉监测及识别***搭设完毕，便能够快速的同时获取多个目标监测点的坐标数据，无需重复作业，即节省了人力又提高了效率；（3）通过实时的数据传输和有限元模型分析，可以获取实时的钢桁架应力分布云图，危险预警功能则保障了提升过程中的安全性；（4）相比于其他方法，满足高精度、高效率、低成本的现场施工需求。
Description
技术领域
本发明属于建筑领域，尤其是涉及一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法。
背景技术
大跨度空间钢结构作为一种形式多样、美观经济的结构形式，在公共建筑的设计中被广泛采用。与此同时，大跨空间钢结构独特复杂的结构形式也给现场施工带来了机遇和挑战。
相比于一般的钢结构构件，大跨钢桁架在吊装过程中会存在一定的问题：(1)稳定性问题：在吊装过程中易发生钢桁架旋转、偏离吊装位移的问题，从而导致构件不能快速准确的吊装就位；(2)工作量过大：由于吊车吨位的限制，采用吊装施工的方法常需要进行高空散件拼装焊接，加大了工作量并存在很大的安全、质量隐患。
大跨空间钢结构液压整体提升的方法克服了吊装施工方法的不足，在大跨空间钢结构施工过程中得到了广泛的应用。在钢桁架液压整体提升过程中，各提升点需要保持实时同步，以减小异步提升给钢桁架以及支撑牛腿带来的附加应力的影响，因而，在提升过程中需要对整个工作状态进行现场实时监控。
传统的液压提升监测方案中，首先进行小幅度提升并空中停滞24h观察柱子和钢桁架的变形情况；然后进行缓慢提升，提升过程中每隔一段时间采用全站仪、水准仪、经纬仪等对提升点的位移、标高进行监测，采用应变计对重点监测部位进行应力监测。这种方法虽然可以满足施工的需求，但时效性差，多点监测时人力物力消耗较多，难以实现及时危险预警以应对紧急突发情况。
计算机视觉技术是一门新兴的学科，视觉技术能够通过对视频图像的分析得到一些人们所需要的重要信息。在施工领域，视觉技术可以通过一台或多台相机和一台计算机实现多点目标的跟踪、坐标获取以及变形监测。其非接触性、高效性、实时性和多目标监测的优点可以在钢桁架提升过程中得到有效的运用。
实时的有限元分析相比于传统的分析，可以根据实际的结构变形情况，分析得到结构实时的应力分布。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决如下三个方面的问题：
(1)钢桁架液压提升过程中采用全站仪、水准仪、经纬仪等将难以实现实时监测，无法实现钢桁架液压提升全过程的动态跟踪与变形测量；
(2)传统方法需要多次测量才能获取多点位置坐标的工作量较大，无法自动实现多点位移的同时跟踪测量，大大浪费了现场监测的人力物力成本；
(3)钢桁架液压提升过程中难以实现钢桁架结构各部位实时应力分布的监测问题，无法实现钢桁架应力云图的实时输出，且无法针对各种结构不利状态进行预警和方案调整；
而提供一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
第一步：依照设计文件在ANSYS中运用命令流的方法建立钢桁架液压提升有限元模型，生成包含单元编号、单元节点坐标、单元材料信息、单元边界条件并可直接导入ANSYS进行有限元分析的模板txt文件；
第二步：将有限元模型中钢桁架的每一个单元的节点作为重点监测部位，查看每个单元节点的实际坐标数据，并在现场施工钢桁架上找出对应位置；
第三步：在钢桁架液压提升的施工现场建立用于实时监测的计算机视觉识别***，具体包括：
1)在现场施工钢桁架的重点监测部位上粘贴印有2×2黑白相间方格的标志物，根据现场的施工环境，确定相机的安置位置，并确保在整个提升过程中钢桁架都位于相机的视野范围内且标志物能够被相机清晰地捕捉；
2)选用印有黑白相间方格网的平板作为相机的标定板，采用Zhang氏标定法对相机进行平面标定，建立目标点从图像像素坐标向真实世界坐标转换的关系：
sm＝HM＝A[r1 r2 t]M (1)
m＝[x y 1]T (2)
M＝[X Y 1]T (3)
R＝[r1 r2 r3] (4)
式中m为目标点在图像像素坐标系下的3×1扩充坐标矩阵，x、y分别为目标点在图像平面两个方向的像素坐标；M为目标点在世界坐标系下的3×1扩充坐标矩阵，X、Y分别为目标点在世界平面上两个方向的坐标；H为3×3的映射矩阵，反映了图像像素坐标系和世界坐标系的坐标对应关系；A为3×3的相机的内参矩阵，同一相机固定焦距下A不会随相机移动、转动而发生变化；R为相机坐标系相对于世界坐标系的3×3转动矩阵，r1、r2和r3分别为R中第一列、第二列和第三列3×1列向量；t为相机坐标系相对于世界坐标系的3×1平移矩阵；[r1r2t]为相机的3×3外参矩阵，其中r1和r2分别为R的第一、第二列元素；s为一尺寸系数，可由h31X+h32Y+h33求得；
3)在钢桁架液压提升开始之前，通过Shi-Tomas特征点匹配算法识别出标志物中2×2黑白相间方格的中心点作为钢桁架重点监测部位的精确定位：
W(x,y)＝exp[-(x2+y2)/2σ2] (8)
min(λ1,λ2)＞c (9)
式中x，y为图像上一点的像素坐标；P为与某一像素点(xi，yi)对应的2×2对称矩阵；I为以(xi，yi)为中心的3×3的像素窗口；Ix和Iy分别为像素窗口I在x方向和y方向的灰度梯度值；W(x，y)为对应于窗口I的加权系数，σ为像素窗口I中所有像素灰度值的均方根；λ1和λ2为矩阵P的两个特征根；c为一常数；
现场调整常数c的值，当在标志物区域仅有唯一的像素点(xc0，yc0)满足矩阵P两个特征值都大于c时，则(xc0，yc0)为钢桁架重点监测部位在图像上的精确坐标。利用公式(1)中图像像素坐标和真实世界坐标之间的转换关系，得到钢桁架重点监测部位在世界坐标系下的坐标(Xc0，Yc0)：
(1/s)M＝H-1m (10)
式中H-1为3×3的映射矩阵H的逆矩阵；
4)在钢桁架液压提升全过程中，先通过模板匹配跟踪算法实时获取各标志物的位置，再在标志物区域中运用Shi-Tomas特征点匹配算法和坐标变换获取各重点监测部位的世界坐标系下的实时坐标，t时刻的坐标记为(Xct，Yct)；
5)计算t时刻重点监测部位的坐标变化：
(ΔXct,ΔYct)＝(Xct-Xc0,Yct-Yc0) (11)
式中ΔXct和ΔYct分别为t时刻世界坐标系下重点监测部位在X轴方向和Y轴方向的坐标变化值；
现场监测之前，需要提前对相机和计算机进行测试，以保障相机能够清晰地采集图像，且计算机拥有实时处理数据的能力。在现场监测过程中，应尽量避免目标监测点被遮挡的情况，以保障数据能够连续、精确地记录。注意避免任何环境因素造成的相机晃动，若相机因碰撞等原因产生较大的位置变动，则应立即停止监测，并及时修正***参数，之后方可重新开始钢桁架的提升和监测工作。
第四步：以(ΔXct，ΔYct)作为t时刻的重点监测部位的坐标增量修改模板txt文件中对应的单元节点坐标，得到t时刻的txt文件；
第五步：将t时刻的txt文件导入ANSYS中进行有限元分析，在分析结果中输出钢桁架应力分布云图以及各个单元的应力值，并计算应力比值：
k＝σei/σiMax (12)
式中k为单元i的应力比；σei为单元i的真实应力；σiMax的为单元i容许应力；当k>0.9时，则给出预警信号并结合应力分布情况有针对性地调整钢桁架提升方案。
与传统的钢桁架液压提升过程中的监测方法相比，本发明所提供的钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法具有以下优点：
(1)克服了使用水准仪、全站仪和经纬仪等传统坐标监测方法难以实现动态实时监测的缺陷，可以实现钢桁架液压提升全过程的动态实时监测；
(2)相比于传统的监测设备，一旦计算机视觉监测及识别***搭设完毕，便能够快速的同时获取多个目标监测点的坐标数据，无需重复作业，即节省了人力又提高了效率；
(3)通过实时的数据传输和有限元模型分析，可以获取实时的钢桁架应力分布云图，危险预警功能则保障了提升过程中的安全性；
(4)相比于其他方法，满足高精度、高效率、低成本的现场施工需求。
附图说明
图1为本发明所提供的一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法的现场监测示意图；
图中：①为待提升就位的钢桁架；②为相机；③为相机标定板；④为标志物；⑤为计算机和数据处理***；⑥为实时钢桁架有限元模型。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
图1为本发明提供的一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法应用于一钢桁架现场液压提升就位过程中的应力监测的案例，具体实施包括以下步骤：
(1)依照该钢桁架的设计文件在ANSYS中运用命令流的方法建立钢桁架液压提升有限元模型⑥，生成包含单元编号、单元节点坐标、单元材料信息、单元边界条件并可直接导入ANSYS进行有限元分析的模板txt文件，命名为“钢桁架有限元模板模型.txt”；
(2)将有限元模型⑥中钢桁架的每一个单元的节点作为重点监测部位，总共有11个节点，即11个重点监测部位。查看每个单元节点的实际坐标数据，并在现场施工钢桁架①上找出对应位置；
(3)在钢桁架液压提升的施工现场建立用于实时监测的计算机视觉识别***，具体包括：
1)在现场施工钢桁架①的重点监测部位上粘贴印有2×2黑白相间方格的标志物④，将相机②的安置于整个液压提升过程中钢桁架①都位于相机的视野范围内的位置，并对相机进行测试确保能够清晰地采集图像；
2)选用印有黑白相间方格网的平板作为相机的标定板③，采用Zhang氏标定法对相机进行平面标定，建立目标点从图像像素坐标向真实世界坐标转换的关系，求解出3×3的映射矩阵H，并求H的逆矩阵H-1；
3)在钢桁架①液压提升开始之前，通过Shi-Tomas特征点匹配算法识别出标志物④中2×2黑白相间方格的中心点作为钢桁架①重点监测部位的精确定位，记第i个重点监测部位的图像上的精确坐标为(xc0i，yc0i)(i＝1,2，…，11)。每一个重点监测部位的m记为[xc0i yc0i 1]T,M记[Xc0i Yc0i 1]T。将2)中得到的映射矩阵的逆矩阵H-1与每一个重点监测部位的m做矩阵乘法得到M，即可知钢桁架①每一个重点监测部位在世界坐标系下的坐标(Xc0i，Yc0i)；
4)在钢桁架①液压提升全过程中，先通过模板匹配跟踪算法实时获取各标志物④的位置，再在标志物④区域中运用Shi-Tomas特征点匹配算法和坐标变换获取各重点监测部位的世界坐标系下的实时坐标，t时刻第i个重点监测部位的坐标记为(Xcti，Ycti)；
5)计算t时刻每一个重点监测部位的坐标变化，t时刻第i个重点监测部位两个方向的坐标变化分别记为ΔXcti和ΔYcti；
(4)以(ΔXcti，ΔYcti)作为t时刻的第i重点监测部位的坐标增量修改“钢桁架有限元模板模型.txt”文件中对应的单元节点i的坐标，得到t时刻的txt文件，命名为“t_钢桁架有限元模型.txt”；
(5)将“t_钢桁架有限元模型.txt”文件导入ANSYS中进行有限元分析，在分析结果中输出钢桁架应力分布云图以及各个单元的应力值，并计算每个单元的应力比，记第i个单元的应力比为ki。若出现ki>0.9的情况，则给出预警信号并结合应力分布情况有针对性地调整钢桁架提升方案。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法，其特征在于，所述钢桁架液压提升全过程实时动态应力监测方法包括：
(1)依照设计文件在ANSYS中运用命令流的方法建立钢桁架液压提升有限元模型，生成包含单元编号、单元节点坐标、单元材料信息、单元边界条件并可直接导入ANSYS进行有限元分析的模板txt文件；
(2)将有限元模型中钢桁架的每一个单元的节点作为重点监测部位，查看每个单元节点的实际坐标数据，并在现场施工钢桁架上找出对应位置；
(3)在钢桁架液压提升的施工现场建立用于实时监测的计算机视觉识别***，具体步骤包括：
(301)在现场施工钢桁架的重点监测部位上粘贴印有2×2黑白相间方格的标志物，根据现场的施工环境，确定相机的安置位置，并确保在整个提升过程中钢桁架都位于相机的视野范围内且标志物能够被相机清晰地捕捉；
(302)选用印有黑白相间方格网的平板作为相机的标定板，采用Zhang氏标定法对相机进行平面标定，建立目标点从图像像素坐标向真实世界坐标转换的关系：
sm＝HM＝A[r1 r2 t]M (1)
m＝[x y 1]T (2)
M＝[X Y 1]T (3)
R＝[r1 r2 r3] (4)
式中m为目标点在图像像素坐标系下的3×1扩充坐标矩阵，x、y分别为目标点在图像平面两个方向的像素坐标；M为目标点在世界坐标系下的3×1扩充坐标矩阵，X、Y分别为目标点在世界平面上两个方向的坐标；H为3×3的映射矩阵，反映了图像像素坐标系和世界坐标系的坐标对应关系；A为3×3的相机的内参矩阵，同一相机固定焦距下A不会随相机移动、转动而发生变化；R为相机坐标系相对于世界坐标系的3×3转动矩阵，r1、r2和r3分别为R中第一列、第二列和第三列3×1列向量；t为相机坐标系相对于世界坐标系的3×1平移矩阵；[r1r2 t]为相机的3×3外参矩阵，其中r1和r2分别为R的第一、第二列元素；s为一尺寸系数，可由h31X+h32Y+h33求得；
(303)在钢桁架液压提升开始之前，通过Shi-Tomas特征点匹配算法识别出标志物中2×2黑白相间方格的中心点作为钢桁架重点监测部位的精确定位：
W(x,y)＝exp[-(x2+y2)/2σ2] (8)
min(λ1,λ2)＞c (9)
式中x，y为图像上一点的像素坐标；P为与某一像素点(xi，yi)对应的2×2对称矩阵；I为以(xi，yi)为中心的3×3的像素窗口；Ix和Iy分别为像素窗口I在x方向和y方向的灰度梯度值；W(x，y)为对应于窗口I的加权系数，σ为像素窗口I中所有像素灰度值的均方根；λ1和λ2为矩阵P的两个特征根，c为一常数；
现场调整常数c的值，当在标志物区域仅有唯一的像素点(xc0，yc0)满足矩阵P两个特征值都大于c时，则(xc0，yc0)为钢桁架重点监测部位在图像上的精确坐标；利用公式(1)中图像像素坐标和真实世界坐标之间的转换关系，得到钢桁架重点监测部位在世界坐标系下的坐标(Xc0，Yc0)：
(1/s)M＝H-1m (10)
式中H-1为3×3的映射矩阵H的逆矩阵；
(304)在钢桁架液压提升全过程中，先通过模板匹配跟踪算法实时获取各标志物的位置，再在标志物区域中运用Shi-Tomas特征点匹配算法和坐标变换获取各重点监测部位的世界坐标系下的实时坐标，t时刻的坐标记为(Xct，Yct)；
(305)计算t时刻重点监测部位的坐标变化：
(ΔXct,ΔYct)＝(Xct-Xc0,Yct-Yc0) (11)
式中ΔXct和ΔYct分别为t时刻世界坐标系下重点监测部位在X轴方向和Y轴方向的坐标变化值；
(4)以(ΔXct，ΔYct)作为t时刻的重点监测部位的坐标增量修改模板txt文件中对应的单元节点坐标，得到t时刻的txt文件；
(5)将t时刻的txt文件导入ANSYS中进行有限元分析，在分析结果中输出钢桁架应力分布云图以及各个单元的应力值，并计算应力比值：
k＝σei/σiMax (12)
式中k为单元i的应力比；σei为单元i的真实应力；σiMax的为单元i容许应力；当k>0.9时，则给出预警信号并结合应力分布情况有针对性地调整钢桁架提升方案。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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