[實用新型]一種鋼結(jié)構(gòu)的在線檢測控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201020660184.1
• 申請日: 2010-12-14
• 公開（公告）號: CN202083938U
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田鵬剛;高宗祺;田立奇;蒙偉;李妍
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西省建筑科學(xué)研究院
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;G01B7/16;G01L1/16
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技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及鋼結(jié)構(gòu)建筑檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，特別涉及一種基于壓電材料的主元桿件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)動態(tài)性能在線檢測、控制的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的工程結(jié)構(gòu)形式之一，如超高層建筑、機(jī)場、展覽館、大型橋梁等。這些公用建筑尤其對安全性要求較高。由于鋼材具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，截面比較開展纖細(xì)，因此常常造成結(jié)構(gòu)發(fā)生動力性能奇異失穩(wěn)破壞。并且這種破壞一旦發(fā)生，整體結(jié)構(gòu)將隨之坍塌，導(dǎo)致災(zāi)難性后果的發(fā)生。因此，研究鋼結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，掌握這一類結(jié)構(gòu)的振動幅值、應(yīng)力和頻率等特性，適時診斷其安全性，并采取相應(yīng)技術(shù)控制措施，對社會生產(chǎn)及生活具有重大意義。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識可以知道，鋼結(jié)構(gòu)帶病工作時，其振動幅值、應(yīng)力和頻率等動力特性會發(fā)生異常變化。檢測這些參數(shù)的變化，可以判斷鋼結(jié)構(gòu)的工作情況；必要時采取適當(dāng)措施，避免或防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。

現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)建筑檢測、控制技術(shù)存在如下不足：

(1)鋼結(jié)構(gòu)建筑檢測和控制技術(shù)是分開實施的，兩者之間未能有效結(jié)合起來，不能實現(xiàn)實時檢測與控制。

(2)傳統(tǒng)主要方法是增大桿件的截面面積或控制桿件的長細(xì)比等，是一種被動的設(shè)防方法：不能很好的利用材料的力學(xué)特性，往往為了一種偶然荷載過大增大截面尺寸等。

壓電材料是一種非常重要的功能性材料，具有獨特的正、逆壓電效應(yīng)。即在特定方向施加壓力或拉力都會使晶體表面產(chǎn)生電荷，并且電荷的密度與施加外力的大小成比例，這就是正壓電效應(yīng)。反之如果給壓電元件通以電流，則由于電場的作用會使壓電元件產(chǎn)生變形。這種效應(yīng)實質(zhì)上是一種機(jī)械場-電場等多物理場耦合的效應(yīng)，可據(jù)此進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)承力桿件的實時檢測和控制。

盡管現(xiàn)有的壓電應(yīng)變片測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但未能很好的將檢測和控制結(jié)合起來，未能與鋼結(jié)構(gòu)很好連接集成。

實用新型內(nèi)容

本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于，為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，及時掌握鋼結(jié)構(gòu)的工作性能，根據(jù)壓電主元桿件對鋼結(jié)構(gòu)主要承力構(gòu)件的動力特性進(jìn)行在線檢測和控制。

為了解決上述問題，本實用新型的技術(shù)方案是這樣的：

一種鋼結(jié)構(gòu)的在線檢測控制系統(tǒng)，其特征在于，在鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位集成壓電主元桿件。

所述的鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位是應(yīng)力最大或形變最大的桿件。

所述的壓電主元桿件焊接在所述的鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位。

所述的壓電主元桿件通過螺栓連接在所述的鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位。

鋼結(jié)構(gòu)在地震等隨機(jī)荷載的作用下，必然會產(chǎn)生相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)壓電主元桿件的傳感功能，即可監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動的動態(tài)應(yīng)變或變形，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號。然后，利用D/A轉(zhuǎn)換卡將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，同時根據(jù)一定的判別準(zhǔn)則對數(shù)字信號進(jìn)行判別，并根據(jù)相應(yīng)的控制律，利用電壓放大器將由A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號適當(dāng)放大，同時反饋給驅(qū)動器，由壓電主元桿件的驅(qū)動功能使其產(chǎn)生控制力，以減小結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。

本實用新型的主要優(yōu)點在于：利用本實用新型可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的測、控合一，可有效地對鋼結(jié)構(gòu)的安全狀況實施在線檢測，同時實時監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)發(fā)生異常時的狀況以便及時采取措施。

附圖說明

圖1是本實用新型的控制過程的信號變化圖。

圖2是電荷放大原理示意圖。

圖3是本實用新型的一實施例的流程示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合實施例對本實用新型作進(jìn)一步闡述。

如圖1所示是控制過程的信號變化。但由于結(jié)構(gòu)變形時，壓電主元桿件傳感功能收集到的電信號較小，故必須通過電荷放大器將電信號放大后才可進(jìn)入控制系統(tǒng)。電荷放大器的工作原理見圖2。

本實用新型的鋼結(jié)構(gòu)的在線檢測控制系統(tǒng)，是指在鋼結(jié)構(gòu)桿件的適當(dāng)部位設(shè)置若干壓電堆，如在鋼結(jié)構(gòu)的變形最大處設(shè)置等，以形成壓電主元桿件。然后，將壓電主元桿件通過焊接或螺栓連接于結(jié)構(gòu)受力或變形的關(guān)鍵部位。這樣，利用其傳感性能即可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)信號的采集，并根據(jù)一定的閾值判別來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動力特性監(jiān)測。當(dāng)然，也可根據(jù)控制的需要，采用相應(yīng)的控制率給壓電主元桿件施加激勵電壓，并利用其驅(qū)動性能促使壓電主元桿件產(chǎn)生驅(qū)動力或變形，從而給鋼結(jié)構(gòu)施加一定的驅(qū)動，以此來實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的智能控制。