本發(fā)明涉及土木工程，尤其涉及鋁合金結(jié)構(gòu)的篷房建造技術(shù)，具體是一種鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)穩(wěn)定計算方法及其預(yù)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在工程技術(shù)中，“門式剛架”為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，該類結(jié)構(gòu)的上部主構(gòu)架包括剛架斜梁、剛架柱、支撐。進(jìn)一步，在此基礎(chǔ)上，“鋁合金門式剛架”具體是指用鋁合金構(gòu)件組成的門式剛架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要的受力來自平面荷載，尤其來源于風(fēng)的作用，當(dāng)承受較大風(fēng)荷載時，鋁合金門式剛架結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大變形，從而影響正常使用功能，甚至發(fā)生倒塌破壞。其中，平面外方向（簡稱“面外”，如圖1中的箭頭標(biāo)記方向）是鋁合金門式剛架抗風(fēng)的弱方向。因此，往往需要在鋁合金門式剛架處設(shè)置斜撐（或剪刀撐）來加強鋁合金門式剛架處的剛性，使其具有可靠的抗彎抗側(cè)剛度，進(jìn)而避免被大風(fēng)吹倒的情況發(fā)生。

2、在上述對鋁合金門式剛架的加固過程中，由于缺乏理論計算方法的校驗輔助，經(jīng)常導(dǎo)致鋁合金門式剛架的斜撐設(shè)置過度或不足的問題發(fā)生。尤其當(dāng)斜撐設(shè)置不足時，整個鋁合金門式剛架依然存在因剛性不足而容易因外因?qū)е驴逅膯栴}；如此，當(dāng)前對鋁合金門式剛架的使用過程存在著安全隱患。

3、目前，關(guān)于門式剛架面外抗風(fēng)穩(wěn)定的校核方法主要集中于鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)形式的門式剛架主要通過控制排架側(cè)移來保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性能。而鋁合金的彈性模量約為鋼材的1/3，因此鋁合金結(jié)構(gòu)的變形機制與鋼結(jié)構(gòu)相比存在較大的不同。如此，現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)門式剛架的抗風(fēng)穩(wěn)定位移計算方法和限值無法套用在鋁合金門式剛架結(jié)構(gòu)的校核上。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提出一種針對鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)穩(wěn)定性的計算方法及其監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)而提高鋁合金門式剛架在使用過程中的安全性。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

3、一種鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法，包括以下步驟：

4、步驟1、根據(jù)鋁合金門式剛架的面外迎風(fēng)面和背風(fēng)面的面積及風(fēng)荷載作用計算鋁合金門式剛架的等效線荷載：

5、

6、式中：q為面外風(fēng)荷載產(chǎn)生的等效線荷載，wk為基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，aw為山墻面的面積，μz為風(fēng)壓高度系數(shù)，n為鋁合金門式剛架面外帶斜撐跨數(shù)，l為單跨鋁合金門式剛架梁柱長度的和；

7、步驟2、根據(jù)鋁合金門式剛架的風(fēng)荷載作用、幾何尺寸、鋁合金材性，借鑒現(xiàn)有關(guān)于交叉網(wǎng)格的面內(nèi)剛度計算公式，同時考慮鋁合金門式剛架結(jié)構(gòu)的面外抗風(fēng)特征，建立以下公式并計算鋁合金門式在等效線荷載作用下的跨中位移：

8、

9、式中：ex和ax分別為次構(gòu)件的彈性模型和截面面積，ec和ac分別為斜撐的彈性模量和截面面積，α為斜撐與鋁合金門式剛架梁、柱的夾角，q為面外荷載的等效風(fēng)荷載，n為半跨網(wǎng)格的數(shù)量,?x為沿跨度方向網(wǎng)格的長度，y為垂直跨度方向的網(wǎng)格長度；

10、步驟3、使用abaqus建立大量不同跨度和起拱角度的鋁合金門式剛架面外分析模型，向模型施加線荷載直至結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計值，然后記錄此時鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)位移限值；基于上述過程獲得的大量面外抗風(fēng)位移限值，擬合出鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)失穩(wěn)位移限值計算公式，即鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)位移限值：

11、

12、式中：[v]為跨中面外位移限值，h為鋁合金門式剛架柱高度，l為鋁合金門式剛架跨度，θ為鋁合金門式剛架梁柱的夾角；

13、步驟4、將鋁合金門式剛架依據(jù)步驟2計算所得的跨中位移數(shù)據(jù)與和步驟3所得的位移限值進(jìn)行比對，若前者大于后者，則結(jié)構(gòu)發(fā)生抗風(fēng)失穩(wěn)，反之則沒失穩(wěn)。

14、在上述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法中，鋁合金門式剛架的平面外風(fēng)荷載的等效作用形式為線荷載；其原因在于：面外風(fēng)荷載簡化為線荷載的方法較為成熟，既能保證結(jié)構(gòu)計算的安全性，同時計算簡單便于使用。

15、在上述基礎(chǔ)上，本發(fā)明還進(jìn)一步提出一種具有自動化監(jiān)控功能的鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，該預(yù)警系統(tǒng)依托于上述本發(fā)明提出的計算公式，并將其通過工業(yè)控制軟件和設(shè)備實現(xiàn)對鋁合金門式剛的抗風(fēng)能力自動化計算及安全監(jiān)測功能。

16、具體的，本發(fā)明提出的鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)包括經(jīng)過上述鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)穩(wěn)定計算方法核算后所搭建的鋁合金門式剛架，以及設(shè)置在所述鋁合金門式剛架帶斜撐的頂部跨中（即屋脊位置）的激光位移傳感器，所述激光位移傳感器用于觀測并采集鋁合金門式剛架的跨中面外位移量并將鋁合金門式剛架的實際跨中面外位移量向外界發(fā)送以便與經(jīng)計算方法計算后的跨中面外位移限值[v]進(jìn)行對比。

17、上述的預(yù)警系統(tǒng)，還包括無線或有線的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊及操作終端，所述網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將激光位移傳感器采集的鋁合金門式剛架的跨中面外位移量；發(fā)送至操作終端，以供按時觀測，所述激光位移傳感器在正常天氣情況下的監(jiān)測頻率為1次/天，在大風(fēng)天氣情況下的監(jiān)測頻率為1次/小時。

18、上述的預(yù)警系統(tǒng)，還包括操作終端，所述操作終端將所收到鋁合金門式剛架的實際跨中面外位移量與通過上述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法計算所得中通過計算公式計算所得的跨中面外位移限值[v]進(jìn)行對比，當(dāng)比值達(dá)到0.6時進(jìn)行初步預(yù)警，當(dāng)比值達(dá)到0.8時進(jìn)行正式預(yù)警，當(dāng)比值達(dá)到0.95時進(jìn)行嚴(yán)重預(yù)警。

19、綜上所述，本發(fā)明所提出的上述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法，不同于現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)形式門式剛架的校核方法，考慮到鋁合金材質(zhì)彈性模量的特性，本發(fā)明提出的計算方法將復(fù)雜的鋁合金門式剛架抗風(fēng)穩(wěn)定問題簡化為桁架變形的計算，從而確保本計算公式能夠在實際工程中的快速、準(zhǔn)確使地用。

20、進(jìn)一步，本發(fā)明提出的上述鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)穩(wěn)定計算方法，所涉及計算公式均經(jīng)過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)與足量數(shù)據(jù)擬合，充分保證了該計算方法的穩(wěn)定性。如此，即使鋁合金門式剛架被越來越廣泛地應(yīng)用于臨時性建筑，本發(fā)明提出的上述計算方法也可以為該類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供可靠的理論支撐，進(jìn)而提高鋁合金材質(zhì)臨時建筑的使用安全性。

21、由此，本發(fā)明提出的上述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法，可廣泛適用于通過鋁合金材質(zhì)的門式剛架梁、柱、次構(gòu)件及斜撐均構(gòu)成的鋁合金建筑。

技術(shù)特征：

1.一種鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法，其特征是：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法，其特征是：所述鋁合金門式剛架包括梁、柱、次構(gòu)件及斜撐并且均為鋁合金構(gòu)件。

3.一種基于權(quán)利要求1或2所述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法的鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，其特征是：包括經(jīng)過權(quán)利要求1所述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法核算后所搭建的鋁合金門式剛架，以及設(shè)置在所述鋁合金門式剛架帶斜撐的頂部跨中或屋脊位置的激光位移傳感器，所述激光位移傳感器用于觀測并采集鋁合金門式剛架的跨中面外位移量并將鋁合金門式剛架的實際跨中面外位移量向外界發(fā)送以便與經(jīng)計算方法計算后的跨中面外位移限值[v]進(jìn)行對比。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，其特征是：還包括無線或有線的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，所述網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將激光位移傳感器采集的鋁合金門式剛架的跨中面外位移量；發(fā)送至操作終端，以供實時觀測，所述激光位移傳感器在正常天氣情況下的監(jiān)測頻率為1次/天，在大風(fēng)天氣情況下的監(jiān)測頻率為1次/小時。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁合金門式剛架面外抗風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，其特征是：還包括操作終端，所述操作終端將所收到鋁合金門式剛架的實際跨中面外位移量與通過權(quán)利要求1所述鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法計算所得的跨中面外位移限值[v]進(jìn)行對比，當(dāng)比值達(dá)到0.6時進(jìn)行初步預(yù)警，當(dāng)比值達(dá)到0.8時進(jìn)行正式預(yù)警，當(dāng)比值達(dá)到0.95時進(jìn)行嚴(yán)重預(yù)警。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及鋁合金結(jié)構(gòu)的篷房建造技術(shù)，具體是一種鋁合金門式剛架的面外抗風(fēng)穩(wěn)定性計算方法，本發(fā)明旨在解決鋁合金門式剛架在平面外風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定承載力校核問題。通過將平面外風(fēng)荷載簡化為作用于鋁合金門式剛架梁柱的線荷載，將鋁合金門式剛架平面外抗側(cè)移結(jié)構(gòu)簡化為平面桁架，最終通過控制簡化后平面桁架在線荷載作用下的位移限值來實現(xiàn)抗風(fēng)穩(wěn)定的校核。本發(fā)明可通過快速的計算完成鋁合金門式剛架平面外抗風(fēng)穩(wěn)定的校核，從而確保了整體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定。

技術(shù)研發(fā)人員：王鋼,陳橋生,馬棟棟
受保護的技術(shù)使用者：上海寶冶集團有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30