CN111578984B - 一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，包括监测部分、计算处理部分和预警评估部分；监测部分的监测内容包括结构应力应变监测、风力监测和结构温度监测；计算处理部分内部包括用于接收数据的接收器，用于数据处理的单片机，及用于数据修正的修正模块；预警评估部分包括可靠性分析模块、可靠性评价模块及寿命周期分析模块，可靠性评价模块及寿命周期分析模块的输出端口共同连接预警模块；本发明可大大提高监测数据的精度，能更好的监测站房钢结构的受力状况，考虑了实际情况下温度荷载的作用，较好地模拟了实际受力情况；同时还能提高缺失数据的重建的精度。

Description

一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***。

背景技术

自21世纪以来，各类科学技术迅猛发展，人们对于钢结构如机场、车站站房、体育馆、博物馆、博览馆等大型公共建筑结构等的需求越来越大，因此钢结构得到了迅速发展，大跨度空间结构的结构类型及空间布局也在逐渐变得多样化，其设计理论及施工技术都得到了不同程度的发展。虽然较大跨度的空间结构在受力上有其独特优势，但更为复杂，其安全性问题仍然需要特别关注。

在钢结构的安全事故中，由于构造与连接不当而引起的诸如失稳以及过度应

力集中等所造成的破坏占有一定的比例。无论是在施工过程中还是最终结构正常使用时，结构部件的正确性与可靠性是钢结构正常承载的重要保证，一旦结构部件出现问题，特别是施工中间构造出现问题，便会直接危及结构的安全和整体受力性能。因此，例如对大跨度站房钢结构在施工、使用、拆卸阶段进行监测，掌握其各阶段的受力状况，并对其进行安全监测评价非常重要。

一般严寒地区是指我国最冷月平均温度≤-10℃或日平均温度≤5℃的天数≥145天的地区，当站房位于严寒地区时，钢结构材料因热胀冷缩而产生温度应力，会影响结构的受力状态，特备是对于大跨度空间结构，其温度效应十分显著，对于超静定结构而言，由于结构的约束作用，温度变化引起结构的收缩或膨胀并不能完全自由的进行或者是无法进行，从而温度引起的应变在所测点应变中占有比较重要地位。然后现有技术的应力监测通常只是考虑到外在载荷对于钢结构应力的影响而忽略温度对应力的影响，或者只是研究在恒温条件下钢结构内部应力的变化，因此导致应力监测数据出现较大的误差。

另外，现有技术中，由于传感器失效、能量中断、通讯失败、意外破坏等因素，都会导致获得不正确的数据，甚至造成数据丢失。即使不断完善传感设备的耐久性与可靠性，尽最大可能保证设备得到及时维护，也无法完全保证监测数据的完整性和准确性，数据序列中总会存在或多或少的数据丢失现象。这将会对后续的结构分析与状态评估带来影响，甚至可能因此无法准确把握构件的真实受力规律和结构的实际工作状态。

发明内容

本发明针对背景技术所提出的当站房位于严寒地区时，钢结构材料因热胀冷缩而产生温度应力，会影响结构的受力状态，从而导致应力监测数据出现较大的误差问题，以及由于传感器失效、能量中断、通讯失败、意外破坏等因素，都会导致获得不正确的数据，甚至造成数据丢失的问题，而设计了一种基于5G和循环神经网络的摩擦模型建模及摩擦力矩补偿方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，包括监测部分、计算处理部分和预警评估部分；

所述监测部分的监测内容包括结构应力应变监测、风力监测和结构温度监测，所述结构应力应变监测是采用振弦式应变计，所述振弦式应变计是利用一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块牢固置于被测物表面，被测物的变形使得两端块相对移动并导致钢弦张拉变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率的改变来测量结构的变形；所述风力监测利用机械螺旋桨式风速仪来测量站房周围的风速，所述结构温度监测是利用数字温度传感器对所处的监测点进行测温；所述监测部分还包括将应力、温度、风速的模拟信号进行放大的放大器，将模拟信号转化为电信号的A/D转化器，将在线动态数据进行收集并储存的数据储存模块，及用于发送数据的发射器；所述监测部分在站房钢结构中的测点布置情况为：(1)在钢结构主桁架选取30～50个包含钢拉杆、弦杆、斜腹杆的监测点，其中位于受轴力和弯矩双重影响的杆件上的监测点应布置两个振弦式应变计，且两个振弦式应变计分别位于受轴力和弯矩双重影响的监测点的底面和侧面；(2)选取站房房顶的1～3处位置布置机械螺旋桨式风速仪，且所有机械螺旋桨式风速仪的高度均相同；(3)数字温度传感器的布置同振弦式应变计的布置，且可与振弦式应变计组装在一起；

所述计算处理部分内部包括用于接收数据的接收器，用于数据处理的单片机，及用于数据修正的修正模块；所述接收器的输入端口通过无线网络与所述发射器的输入端口连接，所述接收器的输出端口连接所述单片机的输入端口，所述单片机的输出端口连接所述修正模块的输入端口；所述单片机还能过滤掉监测***中离散型、几何参数不确定的数据，以及外界随机性的载荷。

所述预警评估部分包括可靠性分析模块、可靠性评价模块及寿命周期分析模块，所述可靠性评价模块及寿命周期分析模块的输出端口共同连接预警模块，所述预警模块的输出端口分别连接技术人员接收端与智能终端。

作为对上述方案的进一步改进，所述数字温度传感器监测的温度与站房钢结构材料本身应力之间存在着很强的相关性，以温度为自变量，以站房钢结构材料本身应力为因变量，对于测点的温度、应力数据进行线性拟合，温度与站房钢结构材料本身应力之间的关系可看做线性；斜腹杆测点温度和应力呈正相关性，且线性系数记作k₁；钢拉杆测点和弦杆测点温度和应力呈负相关性，且线性系数分别记作k₂和k₃。

作为对上述方案的进一步改进，所述振弦式应变计焊接在被测构件表面，且被测构件表面保持恒温时，使振弦式应变计与被测构件同步受力变形，钢弦谐振频率与钢弦张力之间的关系为：

其中，f为钢弦的谐振频率，L为钢弦的长度，T为钢弦的张力，M为钢弦的单位长度质量；

设钢弦的应力为σ、截面积为S、长度变化量为ΔL，材料弹性模量为E，则有T＝Sσ、σ＝E(ΔL/L)，将它们代入公式(1)得：

其中，ρ为钢弦的体密度，ε为钢弦的应变值，也为待测杆件的应变值；振弦式应变计在使用前，可通过压力机标定，获得多组频率f和应变ε数据点，并将获得的数据点拟合成S-f²直线表达式，在监测过程中，根据S-f²直线表达式，将监测得到的频率值转换成应变值，从而获得杆件的应力值σ_测。

作为对上述方案的进一步改进，所述修正模块对振弦式应变计监测的应力执行修正，需要将温度对钢结构材料应力的因素考虑进去，即对于斜腹杆的应力σ＝σ_测+k₁ΔT＝σ_测+k₁(T_n-T₀)，对于钢拉杆的应力σ＝σ_测+k₂ΔT＝σ_测+k₂(T_n-T₀)，对于弦杆的应力σ＝σ_测+k₃ΔT＝σ_测+k₃(T_n-T₀)，其中k₁大于0，k₂和k₃均小于0。

作为对上述方案的进一步改进，当所述结构应力应变监测的应力数据出现缺失时，可使用多重插补方法来弥补数据，多重插补方法的具体过程为：设σ_m的数据缺失，首先计算σ_m+1与σ_m-1的差值再求出它们区间的单位平均差量，即Δσ₁＝1/2(σ_m+1-σ_m-1)，接着计算σ_m+3与σ_m+1与的差值，σ_m-1与σ_m-3的差值，再求出它们区间的单位平均差量分别为Δσ₂＝1/2(σ_m+3-σ_m+1)，Δσ₃＝1/2(σ_m-1-σ_m-3)，如此循环，直至求出σ_m+n与σ_m+n-2与的差值，σ_m-n与σ_m-n的差值，再求出它们的单位平均差量为Δσ_2n＝1/2(σ_m+n-σ_m+m-2)，Δσ_2n＝1＝1/2(σ_m-n-σ_m-n-2)，求出估算平均差量为

接着即可估算σ_m的数值，即

作为对上述方案的进一步改进，当所述结构应力应变监测的应力数据出现缺失时，还可以使用对称测量法或者交换法，其中对称测量法的具体过程为：当σ_m对应的监测点与σ_p对应的监测点关于钢结构主桁架中轴线对称的监测点时，缺失的σ_m可用σ_p进行替换，即σ_m＝σ_p；交换法具体过程为：若钢结构主桁架中存在多个相同并循环重复设置的结构，缺失的σ_m可利用下一个相同结构且相同监测点的应力值σ_q进行替换，即σ_m＝σ_q。

作为对上述方案的进一步改进，所述机械螺旋桨式风速仪检测风速范围0～60m/s，风速精度±0.5m/s，风向范围0～360°，风向精度±2°，风速仪工作温度范围在-20℃～55℃之间。

作为对上述方案的进一步改进，所述可靠性分析模块是先分析钢构件的失效模式，接着确定钢构件的极限状态，然后根据极限状态确定钢构件的极限载荷；可靠性评价模块可以计算出实效概率、可靠度及可靠性指标。

作为对上述方案的进一步改进，所述数字温度传感器的测温范围为-50℃～120℃，增值为0.1℃。

作为对上述方案的进一步改进，所述智能终端用于接收危险预警信息，所述智能终端为智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环中的任意一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明由于监测的对象为严寒地区站房，因此需要将将温度对钢结构材料应力的因素考虑进去，***中修正模块正是对振弦式应变计监测的应力执行修正；以温度为自变量，以站房钢结构材料本身应力为因变量，对于测点的温度、应力数据进行线性拟合，温度与站房钢结构材料本身应力之间的关系可看做线性，由此可得出误差值，将误差值加至前一个位置监测点的振弦式应变计监测结果，从而可以大大提高监测数据的精度，能更好的监测站房钢结构的受力状况。因此在理论计算时根据工程进度实际考虑了温度荷载的作用，较好地模拟了实际受力情况。

2、本发明针对应力数据出现缺失的情况，对于监测点比较集中的区域可使用重插补方法来弥补数据，重插补方法首先利用依次缺失数据监测点左、右两侧多个监测点作为数据集，接着的两个相邻监测点之间的单位平均差量，再将多个单位平均差量累计相加再求出它们集体的单位平均差量，然后用前一个监测点的应力值加上这个单位平均差量即可求出该缺失数据，从而可以提高缺失数据的重建的精度，并且随着相关测点数目的增加，重建精度越高；对于较远的监测点数据缺失时，还可以使用对称测量法或者交换法，对称测量法的具体过程为：当σ_m对应的监测点与σ_p对应的监测点关于钢结构主桁架中轴线对称的监测点时，缺失的σ_m可用σ_p进行替换；交换法具体过程为：若钢结构主桁架中存在多个相同并循环重复设置的结构，缺失的σ_m可利用下一个相同结构且相同监测点的应力值σ_q进行替换，即σ_m＝σq。

3、本发明的监测***把监测部分、计算处理部分和预警评估部分集成一个整体，通过有限数量的传感器，就可以达到判断站房钢结构的工作状态；还通过对结构上有限数量损伤指标的测量，就可以自动确定结构损伤的位置、损伤的程度和损伤发生的时间；根据结构的实际工作状态和监测到的损伤情况，根据相关的结构安全评估理论，自动对当前结构安全性能做出评价，若监测值超过了初始设置的预警值，则会发出报警信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的***控制流程示意图；

图2为本发明中振弦式应变计的结构示意图；

图3为本发明中站房全钢结构及监测点的布置示意图；

图4为本发明具体应用时修正前后应力参数变化示意图；

图5为本发明使用多重插补方法来弥补数据的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，如图1所示，包括监测部分、计算处理部分和预警评估部分；

监测部分的监测内容包括结构应力应变监测、风力监测和结构温度监测，结构应力应变监测是采用振弦式应变计，振弦式应变计是利用一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块牢固置于被测物表面，被测物的变形使得两端块相对移动并导致钢弦张拉变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率的改变来测量结构的变形，振弦式应变计的结构可参阅图2；风力监测利用机械螺旋桨式风速仪来测量站房周围的风速，机械螺旋桨式风速仪检测风速范围0～60m/s，风速精度±0.5m/s，风向范围0～360°，风向精度±2°，风速仪工作温度范围在-20℃～55℃之间，站房周围的风速即所有机械螺旋桨式风速仪测得风速的平均值；结构温度监测是利用数字温度传感器对所处的监测点进行测温，数字温度传感器的测温范围为-50℃～120℃，增值为0.1℃；监测部分还包括将应力、温度、风速的模拟信号进行放大的放大器，将模拟信号转化为电信号的A/D转化器，将在线动态数据进行收集并储存的数据储存模块，及用于发送数据的发射器；

计算处理部分内部包括用于接收数据的接收器，用于数据处理的单片机，及用于数据修正的修正模块；接收器的输入端口通过无线网络与发射器的输入端口连接，接收器的输出端口连接单片机的输入端口，单片机的输出端口连接修正模块的输入端口；单片机还能过滤掉监测***中离散型、几何参数不确定的数据，以及外界随机性的载荷。

预警评估部分包括可靠性分析模块、可靠性评价模块及寿命周期分析模块，可靠性评价模块及寿命周期分析模块的输出端口共同连接预警模块，预警模块的输出端口分别连接技术人员接收端与智能终端，智能终端用于接收危险预警信息，所述智能终端为智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环中的任意一种或多种，从而便于提前通知群众，减少事故的伤亡率。其中，可靠性分析模块是先分析钢构件的失效模式，接着确定钢构件的极限状态，然后根据极限状态确定钢构件的极限载荷；可靠性评价模块可以计算出实效概率、可靠度及可靠性指标。

其中，测点布置要符合以下条件：(1)测点应布置在桁架受力较大杆件上；如桁架中钢拉杆、弦杆、斜腹杆等；(2)测点位置选取时应当综合考虑其经济性、合理性以及现场测试的方便性；(3)判断测点所选取杆件受力模式，将杆件受力模式分为两种即仅受轴力作用和轴力与弯矩双重作用，对于仅受轴力作用的测点布设一个应变计，对于受轴力与弯矩双重作用的测点应当布置两个应变计；(4)测点布置位置应优先选择施工干扰相对较小的区域，如主桁架斜腹杆；(5)测点应当避开钢结构焊接区域。如图3所示，本发明监测部分在站房钢结构中的测点布置情况为：(1)在钢结构主桁架选取30～50个包含钢拉杆、弦杆、斜腹杆的监测点，其中位于受轴力和弯矩双重影响的杆件上的监测点应布置两个振弦式应变计，且两个振弦式应变计分别位于受轴力和弯矩双重影响的监测点的底面和侧面；(2)选取站房房顶的1～3处位置布置机械螺旋桨式风速仪；(3)数字温度传感器的布置同振弦式应变计的布置，且可与振弦式应变计组装在一起。

其中，数字温度传感器监测的温度与站房钢结构材料本身应力之间存在着很强的相关性，以温度为自变量，以站房钢结构材料本身应力为因变量，对于测点的温度、应力数据进行线性拟合，温度与站房钢结构材料本身应力之间的关系可看做线性；斜腹杆测点温度和应力呈正相关性，且线性系数记作k₁；钢拉杆测点和弦杆测点温度和应力呈负相关性，且线性系数分别记作k₂和k₃。振弦式应变计焊接在被测构件表面，且被测构件表面保持恒温时，使振弦式应变计与被测构件同步受力变形，钢弦谐振频率与钢弦张力之间的关系为：

其中，f为钢弦的谐振频率，L为钢弦的长度，T为钢弦的张力，M为钢弦的单位长度质量；

设钢弦的应力为σ、截面积为S、长度变化量为ΔL，材料弹性模量为E，则有T＝Sσ、σ＝E(ΔL/L)，将它们代入公式(1)得：

其中，ρ为钢弦的体密度，ε为钢弦的应变值，也为待测杆件的应变值；振弦式应变计在使用前，可通过压力机标定，获得多组频率f和应变ε数据点，并将获得的数据点拟合成S-f²直线表达式，在监测过程中，根据S-f²直线表达式，将监测得到的频率值转换成应变值，从而获得杆件的应力值σ_测。

修正模块对振弦式应变计监测的应力执行修正，需要将温度对钢结构材料应力的因素考虑进去，即对于斜腹杆的应力σ＝σ_测+k₁ΔT＝σ_测+k₁(T_n-T₀)，对于钢拉杆的应力σ＝σ_测+k₂ΔT＝σ_测+k₁(T_n-T₀)，对于弦杆的应力σ＝σ_测+k₃ΔT＝σ_测+k₃(T_n-T₀)，其中k₁大于0，k₂和k₃均小于0。

如图5所示，当结构应力应变监测的应力数据出现缺失时，可使用多重插补方法来弥补数据，多重插补方法的具体过程为：设σ_m的数据缺失，首先计算σ_m+1与σ_m-1的差值再求出它们区间的单位平均差量，即Δσ₁＝1/2(σ_m+1-σ_m-1)，接着计算σ_m+3与σ_m+1与的差值，σ_m-1与σ_m-3的差值，再求出它们区间的单位平均差量分别为Δσ₂＝1/2(σ_m+3-σ_m+1)，Δσ₃＝1/2(σ_m-1-σ_m-3)，如此循环，直至求出σ_m+n与σ_m+n-2与的差值，σ_m-n与σ_m-n的差值，再求出它们的单位平均差量为Δσ_2n＝1/2(σ_m+n-σ_m+m-2)，Δσ_2n＝1＝1/2(σ_m-n-σ_m-n-2)，求出估算平均差量为

接着即可估算σ_m的数值，即σ_m＝σ_m-1+Δσ。

当结构应力应变监测的应力数据出现缺失时，还可以使用对称测量法或者交换法，其中对称测量法的具体过程为：当σ_m对应的监测点与σ_p对应的监测点关于钢结构主桁架中轴线对称的监测点时，缺失的σ_m可用σ_p进行替换，即σ_m＝σ_p；交换法具体过程为：若钢结构主桁架中存在多个相同并循环重复设置的结构，缺失的σ_m可利用下一个相同结构且相同监测点的应力值σ_q进行替换，即σ_m＝σ_q。

本发明的一个具体应用为：

一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，如图1所示，包括监测部分、计算处理部分和预警评估部分；

监测部分的监测内容包括结构应力应变监测、风力监测和结构温度监测，结构应力应变监测是采用振弦式应变计，振弦式应变计是利用一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块牢固置于被测物表面，被测物的变形使得两端块相对移动并导致钢弦张拉变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率的改变来测量结构的变形，振弦式应变计的结构可参阅图2；风力监测利用机械螺旋桨式风速仪来测量站房周围的风速，站房周围的风速即所有机械螺旋桨式风速仪测得风速的平均值；结构温度监测是利用数字温度传感器对所处的监测点进行测温；监测部分还包括将应力、温度、风速的模拟信号进行放大的放大器，将模拟信号转化为电信号的A/D转化器，将在线动态数据进行收集并储存的数据储存模块，及用于发送数据的发射器；

计算处理部分内部包括用于接收数据的接收器，用于数据处理的单片机，及用于数据修正的修正模块；接收器的输入端口通过无线网络与发射器的输入端口连接，接收器的输出端口连接单片机的输入端口，单片机的输出端口连接修正模块的输入端口；单片机还能过滤掉监测***中离散型、几何参数不确定的数据，以及外界随机性的载荷。

预警评估部分包括可靠性分析模块、可靠性评价模块及寿命周期分析模块，可靠性评价模块及寿命周期分析模块的输出端口共同连接预警模块，预警模块的输出端口分别连接技术人员接收端与智能终端。其中，可靠性分析模块是先分析钢构件的失效模式，接着确定钢构件的极限状态，然后根据极限状态确定钢构件的极限载荷；可靠性评价模块可以计算出实效概率、可靠度及可靠性指标；可靠性分析模块还能过滤掉监测***中离散型、几何参数不确定的数据，以及外界随机性的载荷。由此可以看出，本发明的监测***把监测部分、计算处理部分和预警评估部分集成一个整体，通过有限数量的传感器，就可以达到判断站房钢结构的工作状态；还通过对结构上有限数量损伤指标的测量，就可以自动确定结构损伤的位置、损伤的程度和损伤发生的时间；根据结构的实际工作状态和监测到的损伤情况，根据相关的结构安全评估理论，自动对当前结构安全性能做出评价，若监测值超过了初始设置的预警值，则会发出报警信号。

其中，本实施例监测部分在站房钢结构中的测点布置情况为：(1)在钢结构主桁架选取36个包含钢拉杆、弦杆、斜腹杆的监测点，其中位于受轴力和弯矩双重影响的杆件上的监测点应布置两个振弦式应变计，且两个振弦式应变计分别位于受轴力和弯矩双重影响的监测点的底面和侧面；(2)选取站房房顶的3处位置布置机械螺旋桨式风速仪；(3)数字温度传感器的布置同振弦式应变计的布置，且可与振弦式应变计组装在一起。

其中，数字温度传感器监测的温度与站房钢结构材料本身应力之间存在着很强的相关性，以温度为自变量，以站房钢结构材料本身应力为因变量，对于测点的温度、应力数据进行线性拟合，温度与站房钢结构材料本身应力之间的关系可看做线性；斜腹杆测点温度和应力呈正相关性，且线性系数记作k₁；钢拉杆测点和弦杆测点温度和应力呈负相关性，且线性系数分别记作k₂和k₃。振弦式应变计焊接在被测构件表面，且被测构件表面保持恒温时，使振弦式应变计与被测构件同步受力变形，钢弦谐振频率与钢弦张力之间的关系为：

其中，f为钢弦的谐振频率，L为钢弦的长度，T为钢弦的张力，M为钢弦的单位长度质量；

设钢弦的应力为σ、截面积为S、长度变化量为ΔL，材料弹性模量为E，则有T＝Sσ、σ＝E(ΔL/L)，将它们代入公式(1)得：

其中，ρ为钢弦的体密度，ε为钢弦的应变值，也为待测杆件的应变值；振弦式应变计在使用前，可通过压力机标定，获得多组频率f和应变ε数据点，并将获得的数据点拟合成S-f²直线表达式，在监测过程中，根据S-f²直线表达式，将监测得到的频率值转换成应变值，从而获得杆件的应力值σ_测。

修正模块对振弦式应变计监测的应力执行修正，需要将温度对钢结构材料应力的因素考虑进去，即对于斜腹杆的应力σ＝σ_测+k₁ΔT＝σ_测+k₁(T_n-T₀)，对于钢拉杆的应力σ＝σ_测+k₂ΔT＝σ_测+k₁(T_n-T₀)，对于弦杆的应力σ＝σ_测+k₃ΔT＝σ_测+k₃(T_n-T₀)，其中k₁大于0，k₂和k₃均小于0。

图4对1～12的监测点进行应力分析时，由图4的数据可以看出，斜腹杆测点温度和应力呈正相关性，从而修正后测得应力数据要大于修正前的应力数据；钢拉杆测点和弦杆测点温度和应力呈负相关性，从而修正后测得应力数据要小于修正前的应力数据；因此，可以大大提高监测数据的精度，能更好的监测站房钢结构的受力状况。因此在理论计算时根据工程进度实际考虑了温度荷载的作用，较好地模拟了实际受力情况。

如图5所示，当结构应力应变监测的应力数据出现缺失时，可使用多重插补方法来弥补数据，多重插补方法的具体过程为：设σ_m的数据缺失，首先计算σ_m+1与σ_m-1的差值再求出它们区间的单位平均差量，即Δσ₁＝1/2(σ_m+1-σ_m-1)，接着计算σ_m+3与σ_m+1与的差值，σ_m-1与σ_m-3的差值，再求出它们区间的单位平均差量分别为Δσ₂＝1/2(σ_m+3-σ_m+1)，Δσ₃＝1/2(σ_m-1-σ_m-3)，如此循环，直至求出σ_m+n与σ_m+n-2与的差值，σ_m-n与σ_m-n的差值，再求出它们的单位平均差量为Δσ_2n＝1/2(σ_m+n-σ_m+m-2)，Δσ_2n＝1＝1/2(σ_m-n-σ_m-n-2)，求出估算平均差量为

接着即可估算σ_m的数值，即

由此，可看出是利用依次缺失数据监测点左、右两侧多个监测点作为数据集，接着的两个相邻监测点之间的单位平均差量，再将多个单位平均差量累计相加再求出它们集体的单位平均差量，然后用前一个监测点的应力值加上这个单位平均差量即可求出该缺失数据，从而可以提高缺失数据的重建的精度，并且随着相关测点数目的增加，重建精度越高。

对于较远的监测点数据缺失时，还可以使用对称测量法或者交换法，其中对称测量法的具体过程为：当σ_m对应的监测点与σ_p对应的监测点关于钢结构主桁架中轴线对称的监测点时，缺失的σ_m可用σ_p进行替换，即σ_m＝σ_p；交换法具体过程为：若钢结构主桁架中存在多个相同并循环重复设置的结构，缺失的σ_m可利用下一个相同结构且相同监测点的应力值σ_q进行替换，即σ_m＝σ_q。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于，包括监测部分、计算处理部分和预警评估部分；

所述监测部分的监测内容包括结构应力应变监测、风力监测和结构温度监测，所述结构应力应变监测是采用振弦式应变计，所述振弦式应变计是利用一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块牢固置于被测物表面，被测物的变形使得两端块相对移动并导致钢弦张拉变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率的改变来测量结构的变形；所述风力监测利用机械螺旋桨式风速仪来测量站房周围的风速，所述结构温度监测是利用数字温度传感器对所处的监测点进行测温；

所述监测部分还包括将应力、温度、风速的模拟信号进行放大的放大器，将模拟信号转化为电信号的A/D转化器，将在线动态数据进行收集并储存的数据储存模块，及用于发送数据的发射器；其中，所述监测部分在站房钢结构中的测点布置情况为：（1）在钢结构主桁架选取30～50个包含钢拉杆、弦杆、斜腹杆的监测点，其中位于受轴力和弯矩双重影响的杆件上的监测点应布置两个振弦式应变计，且两个振弦式应变计分别位于受轴力和弯矩双重影响的监测点的底面和侧面；（2）选取站房房顶的1～3处位置布置机械螺旋桨式风速仪，且所有机械螺旋桨式风速仪的高度均相同；（3）数字温度传感器的布置同振弦式应变计的布置，且可与振弦式应变计组装在一起；

所述计算处理部分内部包括用于接收数据的接收器，用于数据处理的单片机，及用于数据修正的修正模块；所述接收器的输入端口通过无线网络与所述发射器的输入端口连接，所述接收器的输出端口连接所述单片机的输入端口，所述单片机的输出端口连接所述修正模块的输入端口；所述单片机还能过滤掉监测***中离散型、几何参数不确定的数据，以及外界随机性的载荷；

所述预警评估部分包括可靠性分析模块、可靠性评价模块及寿命周期分析模块，所述可靠性评价模块及寿命周期分析模块的输出端口共同连接预警模块，所述预警模块的输出端口分别连接技术人员接收端与智能终端；所述可靠性分析模块是先分析钢构件的失效模式，接着确定钢构件的极限状态，然后根据极限状态确定钢构件的极限载荷；可靠性评价模块计算出实效概率、可靠度及可靠性指标；

当所述结构应力应变监测的应力数据出现缺失时，可使用多重插补方法来弥补数据，多重插补方法的具体过程为：设σ_m的数据缺失，首先计算σ_m+1与σ_m-1的差值再求出它们区间的单位平均差量，即Δσ₁=1/2（σ_m+1-σ_m-1），接着计算σ_m+3与σ_m+1与的差值，σ_m-1与σ_m-3的差值，再求出它们区间的单位平均差量分别为Δσ₂=1/2（σ_m+3-σ_m+1），Δσ₃=1/2（σ_m-1-σ_m-3），如此循环，直至求出σ_m+n与σ_m+n-2的差值，σ_m-n与σ_m+n-2的差值,再求出它们的单位平均差量为Δσ_2n=1/2（σ_m+n-σ_m+m-2），Δσ_2n=1=1/2（σ_m-n-σ_m-n-2）,求出估算平均差量为

：

接着即可估算σ_m的数值，即

所述数字温度传感器监测的温度与站房钢结构材料本身应力之间存在着很强的相关性，以温度为自变量，以站房钢结构材料本身应力为因变量，对于测点的温度、应力数据进行线性拟合，温度与站房钢结构材料本身应力之间的关系可看做线性；斜腹杆测点温度和应力呈正相关性，且线性系数记作k₁；钢拉杆测点和弦杆测点温度和应力呈负相关性，且线性系数分别记作k₂和k₃。

2.根据权利要求1所述的一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于：所述振弦式应变计焊接在被测构件表面，且被测构件表面保持恒温时，使振弦式应变计与被测构件同步受力变形，钢弦谐振频率与钢弦张力之间的关系为：

（1）

其中，f为钢弦的谐振频率，L为钢弦的长度，τ为钢弦的张力，M为钢弦的单位长度质量；

设钢弦的应力为σ、截面积为Ｓ、长度变化量为ΔL，材料弹性模量为E，则有τ=Ｓσ、σ=E（ΔL/L），将它们代入公式（1）得：

（2）

其中，ρ为钢弦的体密度，ε为钢弦的应变值，也为待测杆件的应变值；振弦式应变计在使用前，可通过压力机标定，获得多组频率f和应变ε数据点，并将获得的数据点拟合成Ｓ-f²直线表达式,在监测过程中，根据Ｓ-f²直线表达式，将监测得到的频率值转换成应变值，从而获得杆件的应力值σ_测。

3.根据权利要求2所述的一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于：所述修正模块对振弦式应变计监测的应力执行修正，需要将温度对钢结构材料应力的因素考虑进去，即对于斜腹杆的应力σ=σ_测+k₁ΔT=σ_测+k₁（T_n-T₀），对于钢拉杆的应力σ=σ_测+k₂ΔT=σ_测+k₂（T_n-T₀），对于弦杆的应力σ=σ_测+k₃ΔT=σ_测+k₃（T_n-T₀），其中k₁大于0，k₂和k₃均小于0。

4.根据权利要求1所述的一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于：当所述结构应力应变监测的应力数据出现缺失时,还可以使用对称测量法或者交换法，其中对称测量法的具体过程为：当σ_m对应的监测点与σ_p对应的监测点关于钢结构主桁架中轴线对称的监测点时，缺失的σ_m可用σ_p进行替换，即σ_m=σ_p；交换法具体过程为：若钢结构主桁架中存在多个相同并循环重复设置的结构，缺失的σ_m可利用下一个相同结构且相同监测点的应力值σ_q进行替换，即σ_m=σ_q。

5.根据权利要求1所述的一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于：所述机械螺旋桨式风速仪检测风速范围0～60m/s，风速精度±0.5m/s，风向范围0～360°，风向精度±2°，风速仪工作温度范围在-20℃～55℃之间。

6.根据权利要求1所述的一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于：所述数字温度传感器的测温范围为-50℃～120℃，增值为0.1℃。

7.根据权利要求1所述的一种严寒地区站房全生命周期钢结构受力状态监测***，其特征在于：所述智能终端用于接收危险预警信息，所述智能终端为智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环中的任意一种或多种。

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