一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法及系统，该方法包括以下步骤：钢管结构几何物理参数监测；确定钢管单元在局部坐标系下的刚度矩阵；分析钢管单元物理参数与单元刚度矩阵的对应关系，将刚度矩阵表示为杆件截面面积与截面惯性矩的组合；建立钢管单元截面面积对壁厚损失的灵敏度；建立钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度；建立整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度；7)建立整体结构对壁厚损失的灵敏度；8)建立壁厚损失引起的钢管结构频率变化分析评价方法，并分析计算结构壁厚损失引起的动力特性变化。本发明专利技术利用结构动力修改原理，巧妙的将壁厚损失对结构的影响转化为对钢管单元截面面积及惯性矩的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法及系统
本专利技术涉及空间钢结构性能评估技术，尤其涉及一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法及系统。
技术介绍
空间结构是一种典型的土木基础设施，由于自重轻、跨度大、室内布置灵活、建筑面积利用率高等优点近年来得到了广泛的应用。经过多年发展，空间钢结构已形成多种不同的结构形式以满足不同的建筑和结构需要。空间钢管结构主要采用钢管构件作为主要的承载力构件，因此是钢结构的主要形式。实际空间钢结构长期在野外服役，遭受腐蚀、高温、强风强震等环境和荷载效应的持续作用，因此容易引起损伤累积甚至失效破坏。近年来国内外多有空间钢结构损伤破坏事故发生，造成严重的经济损失和次生灾害。因此，开展空间钢结构服役环境下的性能分析和安全评估具有重要的实际意义。钢管结构在自然环境中长期服役，不可避免的由于恶劣环境的腐蚀作用导致杆件截面损失。杆件截面的损失将导致钢管杆件横截面面积的减小和截面惯性矩的减小。将不可避免的导致杆件单元刚度的降低，进一步的将导致整体结构刚度的降低。结构的动力特性是反应结构在动力荷载作用下服役性能的重要指标，而动力特性则与结构的刚度直接相关。因此，结构刚度的减小不可避免的影响整体结构的动力特性。近年来随着数值计算技术的迅速发展，空间钢管结构的静动力分析得到了迅速发展，可以采用非线性有限元方法进行分析计算。目前有一些功能强大的有限元分析软件如ABAQUS、ANSYS等可以进行空间钢管结构的动力响应和动力特性计算。但是目前空间钢结构的有限元分析计算过程中，无法有效考虑结构中不同杆件壁厚损失对其刚度的影响，无法定量的评判不同杆件壁厚损失对结构刚度减小影响的差异。此外，目前传统方法无法快速准确评定壁厚损失对动力特性影响的规律。总体而言，对于空间钢管结构壁厚损失的评价方法还非常欠缺，尚有很多工作需要开展。目前这方面工作尚属空白，针对空间钢管结构壁厚损失的评价方法和系统还未有相关报道。因此，有必要系统研究空间钢管结构在恶劣服役环境下发生的杆件壁厚损失特点，有必要建立一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法及系统。在确保分析精度的前提下，快速有效地减小有限元建模和服役性能评定的工作量，这可以有效提高空间钢管结构的承载力计算效率和分析水平，提升大型空间钢管结构分析评估水平。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法及系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法，包括以下步骤：1)钢管结构几何物理参数监测：确定结构中钢管单元物理参数，包括各节点信息、杆件连接信息、杆件长度L、杆件内径rin、杆件外径rout、壁厚t在内的几何信息和弹性模量；2)确定钢管单元在局部坐标系下的刚度矩阵所述钢管单元的局部坐标系是指以钢管一端截面中心点为O点，轴向为x轴，径向为y轴，竖直方向为z轴；3)分析钢管单元物理参数与单元刚度矩阵的对应关系，将刚度矩阵表示为杆件截面面积与截面惯性矩的组合；4)根据刚度矩阵截面面积和壁厚的关系，建立钢管单元截面面积对壁厚损失的灵敏度其中，为钢管壁厚，ri,out为第i个钢管单元的外半径；5)根据刚度矩阵截面惯性矩和壁厚的关系，建立钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度和6)根据钢管单元截面面积对壁厚损失的灵敏度和钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度，建立整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度7)根据整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度，在整体坐标系下叠加所有钢管单元刚度矩阵，建立整体结构对壁厚损失的灵敏度8)建立壁厚损失引起的钢管结构频率变化分析评价方法，并分析计算结构壁厚损失引起的动力特性变化Δfr。按上述方案，所述步骤3)中将刚度矩阵表示为杆件截面面积与惯性矩的组合，具体如下：式中：其中：Ai为局部坐标系下第i个钢管单元的截面面积；式中：ri,in和ri,out分别第i个钢管单元的内半径和外半径；和分别为第i个钢管单元在x、y、z方向的惯性矩。按上述方案，所述步骤5)中，钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度的公式表示如下：按上述方案，所述步骤6)中，整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度的公式表示如下：按上述方案，所述步骤7)中，整体结构对壁厚损失的灵敏度的公式表示如下：按上述方案，所述步骤8)中，动力特性变化Δfr的公式表示如下：本专利技术还提供一种空间钢管结构壁厚损失的评价系统，包括：钢管结构几何物理参数监测模块，用于确定结构中各节点信息、杆件连接信息、杆件长度、杆件半径、壁厚等几何信息和弹性模量等材料参数等；钢管单元物理参数与单元刚度矩阵对应关系分析模块，用于将刚度矩阵表示为杆件截面面积与惯性矩的组合；钢管单元截面积对壁厚损失的灵敏度确定模块，用于分析计算单个钢管单元发生壁厚损失后的截面面积变化，进一步分析计算截面面积对壁厚损失的灵敏度；钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度确定模块，用于分析计算单个钢管单元发生壁厚损失后的截面惯性矩变化，进一步分析计算截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度；整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度确定模块，用于根据截面面积和惯性矩变化对单元刚度的影响，分析钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度；整体结构对壁厚损失的灵敏度确定模块，首先形成整体坐标系下的钢管结构整体刚度矩阵，然后建立单个钢管单元壁厚损失对整体结构某阶频率的灵敏度；钢管结构频率变化分析评价模块，用于建立壁厚损失引起的钢管结构频率变化分析评价方法，并分析计算结构壁厚损失引起的动力特性变化。本专利技术产生的有益效果是：一、本专利技术提出的一种空间钢管结构壁厚损失评价方法具有概念清晰、分析计算准确的优点。该分析方法和系统具有适用性，适用于各种不同跨度、高度和不同物理参数的空间钢管结构的壁厚损失分析评估。二、目前常用的方法是采用有限元方法进行空间钢管结构静动力性能的分析计算。但由于空间钢管结构由很多杆件所组成，因此分析过程中必须针对单根杆件分别建立精确的有限元模型，然后分别考虑各个杆件的壁厚损失并逐一进行动力性能分析计算，分析过程非常繁琐和复杂，实用性不强，从实际操作角度而言，特别是对于杆件众多的大型空间钢管结构，根本无法针对各个杆件建立精细的有限元分析模型并进行其壁厚损失的分析评估。而本专利技术提出的一种空间钢管结构壁厚损失评价方法，利用结构动力修改原理，通过建立钢管单元物理参数与单元刚度矩阵的对应关系，将其刚度矩阵表示为杆件截面面积与惯性矩的组合。巧妙的将壁厚损失对结构的影响转化为对钢管单元截面面积及惯性矩的影响。三、本专利技术创新的建立了钢管单元截面面积和截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度分析方法。建立了整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度以及整体结构刚度对壁厚损失的灵敏度。在此基础上，建立了壁厚损失引起的钢管结构频率变化的分析评价方法。通过这种方法实现了对钢管单元壁厚损失灵敏度的分析，实现了壁厚损失对结构服役性能影响的评估。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图；图2是本专利技术实施例的空间钢管结构的轴测图和立面图；图3是本专利技术实施例的钢管单元的局部坐标系示意图；图4是本专利技术实施例的钢管单元的壁厚损失随着服役年限的变化示意图；图5是本专利技术实施例的钢管单元发生壁厚损失本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)钢管结构几何物理参数监测：确定结构中钢管单元物理参数，包括各节点信息、杆件连接信息、杆件长度L、杆件内径rin、杆件外径rout、壁厚t在内的几何信息和弹性模量；2)确定钢管单元在局部坐标系下的刚度矩阵

【技术特征摘要】
1.一种空间钢管结构壁厚损失的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)钢管结构几何物理参数监测：确定结构中钢管单元物理参数，包括各节点信息、杆件连接信息、杆件长度L、杆件内径rin、杆件外径rout、壁厚t在内的几何信息和弹性模量；2)确定钢管单元在局部坐标系下的刚度矩阵所述钢管单元的局部坐标系是指以钢管一端截面中心点为O点，轴向为x轴，径向为y轴，竖直方向为z轴；3)分析钢管单元物理参数与单元刚度矩阵的对应关系，将刚度矩阵表示为杆件截面面积与截面惯性矩的组合；4)根据刚度矩阵截面面积和壁厚的关系，建立钢管单元截面面积对壁厚损失的灵敏度其中，为钢管壁厚，ri,out为第i个钢管单元的外半径；5)根据刚度矩阵截面惯性矩和壁厚的关系，建立钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度和6)根据钢管单元截面面积对壁厚损失的灵敏度和钢管单元截面惯性矩对壁厚损失的灵敏度，建立整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度7)根据整体坐标系下钢管单元刚度对壁厚损失的灵敏度，在整体坐标系下叠加所有钢管单元刚度矩阵，建立整体结构对壁厚损失的灵敏度8)建立壁厚损失引起的钢管结构频率变化分析评价方法，并分析计算结构壁厚损失引起的动力特性变化Δfr。2.根据权利要求1所述的空间钢管结构壁厚损失的评价方法，其特征在于，所述步骤3)中将刚度矩阵表示为杆件截面面积与惯性矩的组合，具体如下：式中：其中：Ai为局部坐标系下第i个钢管单元的截面面积；式中：ri,in和ri,out分别第i个钢管单元的内半径和外半径；和分别为第i个钢管单元在x、y、z方向的惯性矩。3.根据权利要求1所述的空间钢管结构壁厚损失的评价方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，陈国华，王弘洋，柳雅君，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42