武汉游泳馆屋顶网架结构安全预警系统设计

摘要

网架结构具有空间刚度大、体系稳定、抗震性能好、受力合理等优点，已被普遍接受，但网架结构的尺寸巨大、受到的荷载作用大多具有随机性，在服役期间时刻暴露在恶劣环境中，荷载的长期效应和一些不可预知的突变效应使结构不可避免地发生损伤的积累和承载能力的下降，从而使抵抗自然灾害的能力下降，影响其正常的使用功能，在极端的情况下会发生灾难性的事故。本文以武汉游泳馆屋顶网架结构为工程背景，对其安全预警系统进行了研究。该安全预警系统由网架结构关键杆件工作状态实时安全度自动评定子系统和网架结构的积雪自动报警子系统组成，有效地实现了对在役结构的实时监测，和对结构损伤与突发事件进行及时的反馈与预警。 本文主要完成了以下工作：首先总结了结构的健康监测的发展历程及相关理论，提出了本文的研究的内容。以空间杆系有限单元法对武汉游泳馆屋顶网架结构进行在设计荷载作用下的静力计算分析，对网架结构的承载能力和结构的内力分布有了一定程度的了解。由于网架结构尺寸巨大、受到的荷载作用大多具有随机性，为了研究结构不确定性基本变量对网架结构的影响，对网架结构的可靠度进行了有限元分析。由此判断必须对屋顶网架结构的雪荷载进行实时识别和对屋顶网架结构杆件的工作状况进行监测和预警，为网架安全预警系统的建立奠定了基础。然后对武汉游泳馆屋顶网架结构安全预警系统进行了详细探讨。由于网架结构的杆件众多，为了全面了解网架结构的工作状态，采用基于结构体系可靠性理论的空间结构中各构件权系数的计算方法，得到了对结构可靠度影响较大的关键构件，并给出了工作状态安全度评定方法，建立了网架结构关键杆件工作状态实时安全度自动评定子系统。通过在网架结构易积雪的天窗处布置应变传感器采集应变信息，采用模糊模式识别理论，实时自动识别作用在网架结构天窗处的积雪厚度，及时告知用户，来达到对该网架结构的积雪厚度进行安全预警的目的，建立了网架结构安全预警系统中的积雪自动报警子系统。本文完成了对服役期间大跨钢结构的使用运行情况的实时健康监测，实现了对大型空间结构工程灾变现象的预测、预报，为提前采取防灾、减灾措施，避免或减少人民生命财产损失提供了一定的科学依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的工程背景

1.2课题的提出与有关现状的研究

1.2.1大跨度空间结构监测预警的研究背景

1.2.2大跨空间结构监测预警现状与意义

1.2.3结构健康监测存在的问题

1.3武汉游泳馆屋顶网架结构安全预警系统简介

1.4本文的主要研究内容

第2章屋顶网架结构有限元分析

2.1屋顶网架结构有限元模型的建立

2.2屋顶网架结构的工程概况及有限元静力分析

2.3屋顶网架结构的不确定性基本变量及可靠度有限元分析

2.3.1影响结构不确定性的基本变量及结构的可靠度方法

2.3.2建筑钢结构安全性与适用性的随机性

2.3.3各基本随机变量对结构性能的影响程度及相关性分析

2.4本章小结

第3章屋顶网架结构安全预警系统的关键技术

3.1网架关键杆件工作状态实时安全度自动评定子系统

3.1.1评判结构体系可靠度的关键杆件概述

3.1.2评判关键构件的分析方法

3.1.3采用响应面法分析结构的可靠度实现关键构件的评判

3.1.4网架结构关键杆件工作状态实时安全度自动评定原则

3.2积雪自动报警子系统

3.2.1武汉游泳馆屋顶网架结构的积雪厚度

3.2.2雪荷载作用下天沟板的有限元分析

3.2.3积雪厚度的模糊模式识别原理

3.2.4积雪报警子系统的实现

3.3本章小结

第4章屋顶网架结构安全预警系统的构建

4.1屋顶网架安全预警系统的组成及工作流程

4.1.1数据采集模块

4.1.2数据分析模块

4.1.3数据反馈模块

4.1.4系统的工作流程

4.2屋顶网架安全结构预警系统硬件系统

4.3屋顶网架结构安全预警系统的人机交互界面

4.3.1屋顶网架结构关键杆件工作状态界面

4.3.2积雪厚度监测界面

4.4本章小结

第5章结论与展望

5.1主要研究成果

5.2不足与展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表和完成的论文及完成的研究报告