本發(fā)明涉及建筑基坑施工監(jiān)測，尤其涉及一種裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力分析系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)因其高效、快捷的建造特點(diǎn)而在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，然而，這類結(jié)構(gòu)在使用期間會面臨各種外部荷載作用，如風(fēng)荷載、地震荷載、溫度變化等，這些作用可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力，進(jìn)而影響其長期安全性和耐久性，因此，對裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力分析和健康監(jiān)測至關(guān)重要。

2、現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)往往依賴于傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，這些傳感器可能無法提供足夠高的精度來監(jiān)測細(xì)微的應(yīng)變變化或快速的振動特性，此外，傳感器部署的密度和位置也往往不足以全面捕捉整個(gè)結(jié)構(gòu)的行為。

3、傳統(tǒng)的分析方法可能無法充分考慮到溫度變化對材料性能的影響，或者未能合理模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的非線性行為，現(xiàn)有的損傷識別技術(shù)可能無法及時(shí)準(zhǔn)確地檢測到早期的結(jié)構(gòu)損傷跡象，這限制了對結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的有效預(yù)測，此外，由于缺乏精準(zhǔn)的模型，現(xiàn)有的預(yù)測方法可能無法準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)在特定條件下剩余的可用時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了提供一種裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力分析系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明所要解決的問題是：解決裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力監(jiān)測與健康評估的問題，通過集成多種傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，建立應(yīng)力預(yù)測模型，以識別潛在損傷區(qū)域并預(yù)測結(jié)構(gòu)剩余使用壽命，從而保障結(jié)構(gòu)安全并指導(dǎo)維護(hù)決策。

3、一種裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力分析方法，所采用的技術(shù)方案如下：

4、s1：安裝高精度應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位的應(yīng)變變化，在結(jié)構(gòu)的不同部位部署多點(diǎn)加速度計(jì)，監(jiān)測振動特性，識別振動頻率和振幅，使用線性位移傳感器，測量結(jié)構(gòu)在不同位置的位移變化，布設(shè)溫度傳感器，監(jiān)測結(jié)構(gòu)各部分的溫度變化，安裝土壓力計(jì)，測量土體對結(jié)構(gòu)的壓力變化，在施工設(shè)備上安裝施工荷載傳感器，監(jiān)測施工荷載的變化，布設(shè)軸力傳感器，監(jiān)測張弦梁結(jié)構(gòu)支座以及連接節(jié)點(diǎn)的支撐軸力變化；

5、s2：結(jié)合有線和無線通信技術(shù)傳輸采集的數(shù)據(jù)，對傳輸中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，為不同類型的數(shù)據(jù)分配不同的優(yōu)先級，在數(shù)據(jù)包中加入crc碼檢測傳輸過程中的錯(cuò)誤，使用fec錯(cuò)誤糾正編碼技術(shù)在接收端自動修復(fù)數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤；

6、s3：采用基于角色的訪問控制機(jī)制，給予授權(quán)用戶訪問敏感數(shù)據(jù)的權(quán)限；

7、s4：清洗數(shù)據(jù)，去除無效以及錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，在時(shí)間上同步統(tǒng)一不同傳感器的數(shù)據(jù)，使用fft分析振動信號，提取張弦梁結(jié)構(gòu)的振動頻率和振幅，考慮溫度變化對材料性能的影響，調(diào)整應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，結(jié)合非線性材料特性和幾何非線性，模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載下的行為，利用土壤力學(xué)理論，評估地基對結(jié)構(gòu)的作用力；

8、s5：結(jié)合應(yīng)變變化、振動頻率和振幅、位移、溫度、壓力、施工荷載以及支撐軸力的數(shù)據(jù)，建立應(yīng)力預(yù)測模型，用于預(yù)測結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)；

9、s6：通過動態(tài)應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與設(shè)計(jì)允許的最大應(yīng)力進(jìn)行比較，識別潛在的損傷區(qū)域，基于損傷識別結(jié)果，預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命；

10、s7：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定預(yù)警閾值，監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，立即觸發(fā)報(bào)警，向相關(guān)人員發(fā)送通知，提醒采取行動，提供基于數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，輔助工程師和管理者做出及時(shí)有效的維護(hù)決策；

11、s8：開發(fā)用戶友好的界面，以圖形化方式展示監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，自動生成定期的監(jiān)測報(bào)告，總結(jié)結(jié)構(gòu)狀況及建議措施。

12、進(jìn)一步的，所述s1中安裝高精度應(yīng)變計(jì)，在結(jié)構(gòu)的不同部位部署多點(diǎn)加速度計(jì)，使用線性位移傳感器，布設(shè)溫度傳感器，安裝土壓力計(jì)，在施工設(shè)備上安裝施工荷載傳感器，布設(shè)軸力傳感器，包括：

13、應(yīng)變計(jì)設(shè)置監(jiān)測頻率5hz，數(shù)據(jù)記錄間隔1秒，安裝在張弦梁結(jié)構(gòu)的受力部位、連接節(jié)點(diǎn)，加速度計(jì)設(shè)置監(jiān)測頻率50hz，數(shù)據(jù)記錄間隔1秒，安裝在張弦梁結(jié)構(gòu)的頂部、中部和底部，位移傳感器設(shè)置監(jiān)測頻率0.5hz，數(shù)據(jù)記錄間隔5秒，安裝在張弦梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵支撐點(diǎn)和自由端，溫度傳感器設(shè)置監(jiān)測頻率0.5hz，數(shù)據(jù)記錄間隔5分鐘，安裝在張弦梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵部件和接頭處，土壓力計(jì)設(shè)置監(jiān)測頻率0.5hz，數(shù)據(jù)記錄間隔5分鐘，安裝在基坑周圍的土體中，施工荷載傳感器設(shè)置監(jiān)測頻率5hz，數(shù)據(jù)記錄間隔1秒，安裝在吊車的吊鉤，軸力傳感器設(shè)置監(jiān)測頻率1hz，數(shù)據(jù)記錄間隔為1秒，安裝在張弦梁結(jié)構(gòu)支座以及連接節(jié)點(diǎn)。

14、進(jìn)一步的，所述s2中為不同類型的數(shù)據(jù)分配不同的優(yōu)先級，在數(shù)據(jù)包中加入crc碼檢測傳輸過程中的錯(cuò)誤，使用fec錯(cuò)誤糾正編碼技術(shù)在接收端自動修復(fù)數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤，包括：

15、s21：將應(yīng)變數(shù)據(jù)、頻率和振幅數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)劃分為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)、土體壓力數(shù)據(jù)劃分為中優(yōu)先級數(shù)據(jù)，將施工荷載數(shù)據(jù)劃分為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，在傳輸層控制數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，在數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)置不同優(yōu)先級的隊(duì)列，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送；

16、s22：選擇crc-32生成多項(xiàng)式，在發(fā)送端，對每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行crc計(jì)算，并將crc值附加到數(shù)據(jù)包尾部，在接收端重新計(jì)算crc值并與接收到的crc值進(jìn)行比較，如果兩個(gè)crc值不匹配，則表明數(shù)據(jù)包在傳輸過程中發(fā)生了錯(cuò)誤；

17、s23：在發(fā)送端，為每個(gè)數(shù)據(jù)包添加冗余信息，選擇ldpc編碼對數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，生成額外的冗余數(shù)據(jù)包，在接收端，采用所生成的冗余數(shù)據(jù)包來解決所丟失的數(shù)據(jù)包恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

18、進(jìn)一步的，所述s3中采用基于角色的訪問控制機(jī)制，包括：

19、s31：數(shù)據(jù)查看權(quán)限為查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)修改權(quán)限為修改數(shù)據(jù)記錄，包括校正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)刪除權(quán)限為刪除無效以及過時(shí)的數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)導(dǎo)出權(quán)限為導(dǎo)出數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步分析，設(shè)備管理權(quán)限為配置和管理數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用戶管理權(quán)限為創(chuàng)建新用戶、分配角色和權(quán)限，系統(tǒng)配置權(quán)限為更改系統(tǒng)配置，包括報(bào)警閾值；

20、s32：給予項(xiàng)目管理員所有權(quán)限，給予數(shù)據(jù)工程師數(shù)據(jù)查看權(quán)限、數(shù)據(jù)修改權(quán)限、設(shè)備管理權(quán)限，給予結(jié)構(gòu)工程師數(shù)據(jù)查看權(quán)限、數(shù)據(jù)導(dǎo)出權(quán)限，給予現(xiàn)場技術(shù)人員數(shù)據(jù)查看權(quán)限、設(shè)備管理權(quán)限，給予質(zhì)量控制人員數(shù)據(jù)查看權(quán)限、數(shù)據(jù)修改權(quán)限，給予報(bào)告撰寫人數(shù)據(jù)查看權(quán)限、數(shù)據(jù)導(dǎo)出權(quán)限。

21、進(jìn)一步的，所述s4中清洗數(shù)據(jù)，在時(shí)間上同步統(tǒng)一不同傳感器的數(shù)據(jù)，提取張弦梁結(jié)構(gòu)的振動頻率和振幅，調(diào)整應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載下的行為，評估地基對結(jié)構(gòu)的作用力，包括：

22、s41：設(shè)置閾值，識別并移除超出正常范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用插值填充缺失以及異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

23、s42：同步所有傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的時(shí)間戳，通過時(shí)間戳對齊不同傳感器的數(shù)據(jù)；

24、s43：獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率、阻尼比和振型，采用快速傅里葉變換fft分析振動信號，提取張弦梁結(jié)構(gòu)本身的振動頻率和振幅；

25、s44：結(jié)合溫度變化對材料彈性模量、泊松比屬性的影響，根據(jù)溫度變化調(diào)整應(yīng)變計(jì)和位移傳感器的讀數(shù)，獲取應(yīng)變計(jì)和位移傳感器的溫度系數(shù)，即溫度變化時(shí)傳感器輸出的變化率，根據(jù)溫度系數(shù)調(diào)整應(yīng)變計(jì)以及位移傳感器的數(shù)據(jù)，調(diào)整后應(yīng)變值=原始應(yīng)變值+(應(yīng)變計(jì)溫度系數(shù)×(當(dāng)前溫度?基準(zhǔn)溫度))，調(diào)整后位移值=原始位移值+(位移傳感器溫度系數(shù)×(當(dāng)前溫度?基準(zhǔn)溫度))；

26、s45：采用有限元軟件abaqus模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載下的動態(tài)響應(yīng)，考慮非線性材料特性和幾何非線性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)分析，根據(jù)荷載特性和結(jié)構(gòu)特性選擇時(shí)間步長，輸出結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載下的動態(tài)響應(yīng)；

27、s46：采用土壓力計(jì)測量的數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤力學(xué)理論和有限元方法評估土體對結(jié)構(gòu)的壓力分布，采用有限元軟件abaqus建立包含土體和結(jié)構(gòu)的三維模型，分析土壓力隨時(shí)間和施工進(jìn)度的變化情況。

28、進(jìn)一步的，所述s5中結(jié)合應(yīng)變變化、振動頻率和振幅、位移、溫度、壓力、施工荷載以及支撐軸力的數(shù)據(jù)，建立應(yīng)力預(yù)測模型，包括：

29、s51：從應(yīng)變、振動、位移、溫度、壓力、施工荷載數(shù)據(jù)以及支撐軸力中選擇特征，選擇應(yīng)變均值、振動頻率、振幅峰值、位移均值、溫度變化、壓力均值、施工荷載均值、支撐軸力均值；

30、s52：從加速度計(jì)數(shù)據(jù)中提取加速度變化率，從應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)中提取應(yīng)變梯度，從溫度傳感器數(shù)據(jù)中提取溫度梯度，從施工設(shè)備上的傳感器數(shù)據(jù)中提取施工荷載的變化率；

31、s53：將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集，對s51和s52中所提取到的特征進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型，使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集驗(yàn)證模型的預(yù)測能力，計(jì)算預(yù)測值與實(shí)際值之間的誤差，驗(yàn)證模型融合的效果；

32、s54：得到應(yīng)力預(yù)測模型為，其中為結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)材料在室溫下的彈性模量，為結(jié)構(gòu)材料的溫度系數(shù)，為溫度變化量，為應(yīng)變，為施工荷載，為結(jié)構(gòu)截面積，為土體對結(jié)構(gòu)的壓力，為與結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的振動效應(yīng)系數(shù)，為振動的振幅，為振動頻率，為結(jié)構(gòu)的位移，為位移梯度，為支撐軸力，將實(shí)時(shí)的應(yīng)變、振動、位移、溫度、壓力和施工荷載的數(shù)據(jù)作為輸入，得到結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)的應(yīng)力值。

33、進(jìn)一步的，所述s6中基于損傷識別結(jié)果，預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，包括：

34、s61：結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命預(yù)測模型為，其中為結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，是對應(yīng)預(yù)測應(yīng)力水平的疲勞壽命，是在特定應(yīng)力水平下已經(jīng)發(fā)生的循環(huán)次數(shù)，為設(shè)計(jì)允許的最大應(yīng)力；

35、s62：采用s54中的應(yīng)力預(yù)測公式計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同條件下的總應(yīng)力，將與設(shè)計(jì)允許的最大應(yīng)力比較；

36、s63：統(tǒng)計(jì)在不同應(yīng)力水平下結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)，結(jié)合和s-n曲線計(jì)算對應(yīng)的疲勞壽命；

37、s64：通過計(jì)算得到的、、以及代入預(yù)測模型得到結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

38、進(jìn)一步的，一種裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力分析系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)任一項(xiàng)所述的一種裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力分析方法，所述裝配式張弦梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力分析系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集與環(huán)境監(jiān)測模塊，數(shù)據(jù)傳輸與安全模塊，數(shù)據(jù)處理與分析模塊，動態(tài)應(yīng)力分析與健康監(jiān)測模塊，預(yù)警與決策支持模塊，用戶界面與報(bào)告生成模塊；

39、數(shù)據(jù)采集與環(huán)境監(jiān)測模塊：采用高精度應(yīng)變計(jì)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化，部署多點(diǎn)加速度計(jì)監(jiān)測結(jié)構(gòu)在不同部位的振動特性，識別振動頻率和振幅，采用線性位移傳感器測量結(jié)構(gòu)的位移變化，布設(shè)溫度傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)各部分的溫度變化，采用土壓力計(jì)測量土體對結(jié)構(gòu)的壓力變化，安裝在施工設(shè)備上的施工荷載傳感器監(jiān)測施工荷載的變化，布設(shè)軸力傳感器監(jiān)測張弦梁結(jié)構(gòu)支座以及連接節(jié)點(diǎn)的支撐軸力變化；

40、數(shù)據(jù)傳輸與安全模塊：結(jié)合有線和無線通信技術(shù)，對傳輸中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，為不同類型的數(shù)據(jù)分配不同的優(yōu)先級，在數(shù)據(jù)包中加入crc碼檢測傳輸過程中的錯(cuò)誤，使用fec錯(cuò)誤糾正編碼技術(shù)在接收端自動修復(fù)數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤，采用基于角色的訪問控制機(jī)制，給予授權(quán)用戶訪問敏感數(shù)據(jù)的權(quán)限；

41、數(shù)據(jù)處理與分析模塊：去除無效以及錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，在時(shí)間上同步統(tǒng)一不同傳感器的數(shù)據(jù)，使用fft分析振動信號，提取張弦梁結(jié)構(gòu)的振動頻率和振幅，結(jié)合到溫度變化對材料性能的影響，調(diào)整應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，結(jié)合非線性材料特性和幾何非線性，模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載下的行為，利用土壤力學(xué)理論，評估地基對結(jié)構(gòu)的作用力；

42、動態(tài)應(yīng)力分析與健康監(jiān)測模塊：結(jié)合應(yīng)變變化、振動頻率和振幅、位移、溫度、壓力、施工荷載以及支撐軸力的數(shù)據(jù)，建立應(yīng)力預(yù)測模型，通過動態(tài)應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與設(shè)計(jì)允許的最大應(yīng)力進(jìn)行比較，識別潛在的損傷區(qū)域，基于損傷識別結(jié)果，預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命；

43、預(yù)警與決策支持模塊：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定預(yù)警閾值，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值，立即觸發(fā)報(bào)警，并向相關(guān)人員發(fā)送通知，提供基于數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，輔助工程師和管理者做出及時(shí)有效的維護(hù)決策；

44、用戶界面與報(bào)告生成模塊：開發(fā)用戶友好的界面，以圖形化方式展示監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，自動生成定期的監(jiān)測報(bào)告，總結(jié)結(jié)構(gòu)狀況及建議措施。

45、本發(fā)明的有益效果是：通過對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的高精度應(yīng)變計(jì)、多點(diǎn)加速度計(jì)、位移傳感器、溫度傳感器、土壓力計(jì)、施工荷載傳感器和軸力傳感器的部署，能夠全面監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)和環(huán)境影響因素，高頻次的數(shù)據(jù)記錄確保了監(jiān)測的精確性，有助于捕捉到瞬態(tài)現(xiàn)象，如施工過程中的沖擊荷載；

46、數(shù)據(jù)傳輸采用加密技術(shù)和錯(cuò)誤檢測與糾正機(jī)制，確保了數(shù)據(jù)的安全性和完整性，基于角色的訪問控制機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的隱私性，只有授權(quán)用戶才能訪問敏感數(shù)據(jù)；

47、數(shù)據(jù)清洗、校準(zhǔn)和同步提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，確保了后續(xù)分析的準(zhǔn)確性，使用fft分析和溫度補(bǔ)償技術(shù)能夠準(zhǔn)確提取和調(diào)整振動信號，反映真實(shí)的工作狀態(tài)，結(jié)合非線性材料特性和幾何非線性，使用有限元分析軟件模擬結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性；

48、建立的應(yīng)力預(yù)測模型綜合考慮了多個(gè)因素，能夠準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)，通過比較預(yù)測的應(yīng)力與設(shè)計(jì)允許的最大應(yīng)力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的損傷區(qū)域，預(yù)防重大事故的發(fā)生，對結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測為維護(hù)和管理提供了科學(xué)依據(jù)，有助于合理安排維修計(jì)劃；

49、設(shè)定預(yù)警閾值并在監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)立即觸發(fā)報(bào)警，有助于及時(shí)采取措施，避免事故的發(fā)生，提供的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和決策支持工具，幫助工程師和管理者作出更為精準(zhǔn)的判斷。