基于變形分解的平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于變形分解的平面鋼構(gòu)件 穩(wěn)定性監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼結(jié)構(gòu)由于其強度高、質(zhì)量輕、力學性能好、工廠化制造、安裝簡捷、施工周期短、 抗震性能好、環(huán)境污染少等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但同時，由于自身易失穩(wěn)，且無 明顯征兆的缺點，使得鋼構(gòu)件穩(wěn)定性有效的監(jiān)測方法成為亟待解決的工程實際問題。
[0003]目前，針對鋼構(gòu)件的檢測方法有：根據(jù)結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定性的相關(guān)性，以振動頻率作 為監(jiān)控參數(shù)進行穩(wěn)定性監(jiān)測；利用鋼構(gòu)件的紅外線熱像及紅外輻射溫度特征，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu) 或構(gòu)件的失穩(wěn)監(jiān)測；在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位布置雙鋼管失穩(wěn)監(jiān)控部件，當構(gòu)件承受的軸向荷載達 到一定值時，內(nèi)鋼管發(fā)生失穩(wěn)，與外鋼管內(nèi)壁接觸后橫向變形受到抑制，并發(fā)出失穩(wěn)警報； 利用應(yīng)變和位移傳感器，根據(jù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時的鋼構(gòu)件應(yīng)變和位移規(guī)律進行穩(wěn)定性監(jiān)測。
[0004] 就目前的監(jiān)測方法而言，振動頻率監(jiān)測法和紅外線監(jiān)測法均有操作復(fù)雜，成本較 尚的缺點；雙鋼管失穩(wěn)檢測法則由于內(nèi)鋼管失穩(wěn)后，方能進彳丁穩(wěn)定性判定，故具有一定的滯 后性；而普通的應(yīng)變和位移監(jiān)測法，由于難以直接獲取反映結(jié)構(gòu)失穩(wěn)本質(zhì)的豎向彎曲變形 信息，而難以成為鋼構(gòu)件穩(wěn)定性監(jiān)測的有效方法。鋼構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)是由于其豎向彎曲變形 過大造成的，基于正交理論的變形分解法可以在實現(xiàn)剛?cè)岱蛛x的同時，分解出鋼構(gòu)件的豎 向彎曲變形以及豎向變形在柔性變形中所占比例，并對鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性進行有效監(jiān)測，因 此，基于變形分解的平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性檢測在建筑行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有重要的意義。 目前，基于變形分解的平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性監(jiān)測方法尚未發(fā)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種基于變形分解的平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性監(jiān)測 方法。
[0006] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于變形分解的平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0008] (1)取待監(jiān)測平面鋼構(gòu)件，沿高度方向，由側(cè)面底部向上依次以鋼構(gòu)件寬度b為單 位，進行bXb正方形網(wǎng)格劃分，直至距鋼構(gòu)件頂部距離小于桿件寬度b為止，得到N個正方 形網(wǎng)格，然后在各網(wǎng)格頂點處均布置一個位移傳感器；
[0009] (2)待平面鋼構(gòu)件投入使用后，通過位移傳感器檢測，可得到第j(j= 1、2…N)個 正方形網(wǎng)格的4個頂點的位移向量：
[0010] (Uw乂於uJ2vJ2uJ3vJ3uJ4vJ4) (1)
[0011] 其中：Ujji= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網(wǎng)格四個頂點水平方向的位移值；
[0012] Vji(i= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網(wǎng)格四個頂點豎直方向的位移值；
[0013] (3)根據(jù)變形分解法，對第j(j= 1、2…N)個正方形網(wǎng)格所圍區(qū)域的變形進行基 本位移和變形的分解，得到：
[0014]dj=AjBt (2)
[0015]其中矩陣B為四節(jié)點正方形單元基矩陣：
[0016]
[0017] 四節(jié)點正方形單元基矩陣B行向量所表示的基向量依次為：水平方向剛體位移基 向量、豎向剛體位移基向量和剛體轉(zhuǎn)動位移基向量，以及水平方向拉壓變形基向量、豎向拉 壓變形基向量、水平方向彎曲變形基向量、豎向彎曲變形基向量和剪切變形基向量；
[0018]dj為正方形網(wǎng)格j所圍區(qū)域的變形在單元基矩陣上的投影向量：
[0019] dj= (dj!dJ2 dJ3 dJ4 dJ5 dJ6 dJ7 dJ8)(4)
[0020] 其中'a= 1，2. .. 8)為第j個正方形網(wǎng)格所圍區(qū)域的變形在第i種基本位移或 變形上的投影系數(shù)；
[0021] (4)舍去前三項剛體位移，以實現(xiàn)剛?cè)岱蛛x；并由：
[0022]
[0023] 可得豎向彎曲變形在各種基本變形中所占比例；
[0024] 進而，平面鋼構(gòu)件豎向彎曲變形所占比例為
[0025]
[0026] (5)根據(jù)得到的平面鋼構(gòu)件豎向彎曲變形所占比例與預(yù)警豎向彎曲變形比例相比 較，進行平面鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性的判別；當平面鋼構(gòu)件豎向彎曲變形所占比例為5%時，為黃 色預(yù)警；當平面鋼構(gòu)件的豎向彎曲變形所占比例為 1〇%時，為橙色預(yù)警；當平面鋼構(gòu)件的 豎向彎曲變形所占比例為20%時，為紅色預(yù)警。
[0027] 本發(fā)明的增益效果是：
[0028] 本發(fā)明在基于正交理論的變形分解法基礎(chǔ)上，可以對平面鋼構(gòu)件的變形進行剛?cè)?分離，通過對平面鋼構(gòu)件在軸向荷載作用下變形中豎向彎曲變形所占比例的提取分析，即 可進行平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性的判別；當為黃色預(yù)警時，提示對平面鋼構(gòu)件進行定期觀測，并采 取必要的穩(wěn)定性增強措施；當為橙色預(yù)警時，應(yīng)對平面鋼構(gòu)件的缺陷、裂縫等進行檢測，并 及時實施平面鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性加固；當為紅色預(yù)警時，提示結(jié)構(gòu)即將發(fā)生失穩(wěn)破壞，迅速組 織相關(guān)人員和設(shè)備的疏散工作，禁止任何人員靠近。本方法操作簡單，能夠快速的判別出平 面鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性，具有重要的實際意義。
【附圖說明】
[0029] 圖1為平面鋼構(gòu)件A的傳感器的布置圖。
[0030]圖2為平面鋼構(gòu)件A在軸向荷載作用下的豎向彎曲變形所占比例。
[0031] 圖3為不同長細比的平面鋼構(gòu)件的臨界彎曲比。
[0032] 圖4為不同長細比的平面鋼構(gòu)件在豎向彎曲變形所占比例達到20%時所承受的 軸向荷載值相對于失穩(wěn)臨界荷載值所占比例。
[0033] 圖5為平面鋼構(gòu)件B的傳感器的布置圖。
[0034]圖6為平面鋼構(gòu)件B在軸向荷載作用下的豎向彎曲變形所占比例。
【具體實施方式】
[0035] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0036] 參見圖1和圖5,圖中序號：1為位移傳感器。
[0037]實施例一：如圖1所示，下端固結(jié)、上端自由的平面鋼構(gòu)件A，其材料選用Q235 鋼，彈性模量為2. 06GPa，密度為7. 85X103kg/m3,平面鋼構(gòu)件高度為370mm，橫斷面邊長為 20_，平面鋼構(gòu)件A的長細比為128,其穩(wěn)定性檢測方法如下：
[0038] (1)取平面鋼構(gòu)件A，在平面鋼構(gòu)件A的側(cè)面沿高度方向從平面鋼構(gòu)件的底部向上 依次以平面鋼構(gòu)件寬度20mm為單位，進行20mm*20mm正方形網(wǎng)格劃分，直至平面鋼構(gòu)件頂 部的距離小于平面鋼構(gòu)件A寬度為止，得到18個正方形網(wǎng)格，然后在各網(wǎng)格頂點處均布置 一個位移傳感器；
[0039] (2)通過位移傳感器檢測，可得到第j(j= 1、2~18)個正方形網(wǎng)格的4個頂點的 位移向量：
[0040]Aj=(Ujl乂於uJ2vJ2uJ3vJ3uJ4vJ4) (7)
[0041] 其中：Ujji= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網(wǎng)格四個頂點水平方向的位移值；Vji(i= 1，2, 3, 4)為第j個正方形網(wǎng)格四個頂點豎直方向的位移值；
[0042] (3)根據(jù)變形分別法，對第j(j= 1、2~18)個正方形網(wǎng)格所圍區(qū)域的變形進行基 本位移和變形的分解，得到：
[0043] dj=AjBt (8)
[0044]其中矩陣B為四節(jié)點正方形單元基矩陣：
[0045]
[0046] 四節(jié)點正方形單元基矩陣B行向量所表示的基向量依次為：水平方向剛體位移基 向量、豎向剛體位移基向量和剛體轉(zhuǎn)動位移基向量，以及水平方向拉壓變形基向量、豎向拉 壓變形基向量、水平方向彎曲變形基向量、豎向彎曲變形基向量和剪切變形基向量；
[0047] dj為正方形網(wǎng)格j所圍區(qū)域的變形在單元基矩陣上的投影向量：
[0048] dj= (dj!dJ2dJ3dJ4dJ5dJ6dJ7dJ8) (10)
[0049] 其中c^a= 1，2. .. 8)為第j個正方形網(wǎng)格所圍區(qū)域的變形在第i種基本位移或 變形上的投影系數(shù)，
[0050] (4)實施剛?cè)岱蛛x后，由：
[0051]
[0052] 可得豎向彎曲變形在各種基本變形中所占比例，如圖2所示；
[0053] 進而，平面鋼構(gòu)件A豎向彎曲變形所占比例為
[0054]
[0055] 從而可以得到不同軸向力作用下平面鋼構(gòu)件A的豎向彎曲變形所占比例。
[0056] (5)依據(jù)前4步，在很小水平干擾力的作用下，對平面鋼構(gòu)件A的軸向不斷增加荷 載力，直至平面鋼構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)，這樣可以得到不同軸向力作用下的平面鋼構(gòu)件A的豎向 彎曲變形所占比例，如圖2所示。
[0057] 在未達到屈服時，平面鋼構(gòu)件的豎向彎曲變形所占的比例是隨著軸向荷載的增加 而增加的，但在即將達到臨界荷載時，平面鋼構(gòu)件的豎向彎曲變形所占的比例是急劇增加 的，在達到失穩(wěn)時豎向彎曲變形所占比例突然減小，呈現(xiàn)出明顯的拐點。平面鋼構(gòu)件在豎 向彎曲變形所占比例發(fā)生急劇增加的點對應(yīng)的比例為5%，而在平面鋼構(gòu)件的豎向彎曲變 形所占比例達到5%之前，其變化幾乎是平穩(wěn)的，此時軸向荷載值占到臨界荷載值的70% 以上；在平面鋼構(gòu)件的豎向彎曲變形所占比例達到10%時，軸向荷載值占到臨界荷載值的 90%左右，平面鋼構(gòu)件接近失穩(wěn)；在平面鋼構(gòu)件的豎向彎曲變形所占比例達到20%時，軸 向荷載值近似為臨界荷載值，平面鋼構(gòu)件將發(fā)生失穩(wěn)，具體分析結(jié)果如表1所示。
[0058] 表1平面鋼構(gòu)件A的穩(wěn)定性分析結(jié)果
[0059] CN 104990532 A ^7L m ti 5/8頁
[0060] 在此分析基礎(chǔ)上，本發(fā)明可以依據(jù)平面鋼構(gòu)件在豎向彎曲變形所占比例的大小， 判別此時平面鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性。例如，依據(jù)本發(fā)明得到平面鋼構(gòu)件A的豎向彎曲變形所 占比例為7. 72 %，此時所承受的軸向荷載相對于失穩(wěn)臨界荷載值的比例為82. 30 %，而 7. 72%介于5%與10%之間，平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性較差，應(yīng)對平面鋼構(gòu)件的缺陷、裂縫等進行 檢測，并及時實施平面鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性加固。
[0061] 表2任一工況下平面鋼構(gòu)件A的穩(wěn)定性分析結(jié)果
[0062]
[0063]在平面鋼構(gòu)件穩(wěn)定性分析中，隨著平面鋼構(gòu)件軸向力的增加，荷載逐漸接近鋼構(gòu) 件失穩(wěn)的臨界