一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统技术方案

本发明专利技术公开了一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统。首先，通过对摩擦摆隔震支座进行有限元分析与计算，得到支座运行工况下的滞回曲线与应力阈值变化特性；其次，通过搭建支座状态监测及故障诊断系统硬件，完成对支座内部各组成单元及支座整体结构的应力、加速度和位移状态的实时采集与传输；再次，根据有限元分析结果精确布置系统应用传感器；最后，结合支座状态监测及故障诊断系统软件，实现对多元数据的预处理、深度学习和信息存储。本发明专利技术可及时准确的监测评估支座运行状态和分析诊断支座健康状态，防止支座因长期受运行工况和环境等因素影响，产生疲劳损伤和结构破坏而造成支座运行可靠性和服役安全性的降低。低。低。

【技术实现步骤摘要】
一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统


[0001]本专利技术涉及建筑支座
，具体为一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统。
技术背景
[0002]摩擦摆隔震支座作为一种安装在建筑物上部结构与基础牢固之间，通过调整支座等效曲率半径改变支座隔震周期、水平刚度和阻尼比，以减小地震对上部结构损坏的震动控制技术，目前在建筑隔震领域已得到广泛应用。然而，支座在使用过程中，因长期经受竖向压力、横向剪切力及环境等因素影响，造成的支座疲劳损伤和结构破坏，将直接对建筑物的整体安全性产生严重威胁。为确保支座服役过程中的运行稳定性和服役安全性，设计研发一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，实现对重要支座性能的实时监测与评估，是赋予工程结构更安全、更健康、更智能的重要举措。
[0003]在工程实际中，摩擦摆隔震支座长期使用所面临的问题主要有三种：一是支座长期在中高负载重压下，摩擦材料与隔震支座整体的结构变形与损伤；二是支座受环境因素如潮湿、干燥、高温、低温等因素影响，隔震功能的减弱及丧失；三是支座隔震过程中滑动能力、抗平扭能力、抗张拔能力和复位能力的准确监测与评估。受限于摩擦摆隔震支座的工程环境和人工检测方法的局限性，支座性能的状态监测及故障诊断往往难以及时有效的被发现与处理，且支座作为主要的承重构件和隔震装置，灾害问题的发生将对国计民生造成巨大的损失。因此，如何及时准确的监测评估支座运行状态和分析诊断支座健康状态成为提升摩擦摆隔震支座性能的关键技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，用以及时准确的监测评估支座运行状态和分析诊断支座健康状态，防止支座因长期受运行工况和环境等因素影响，产生疲劳损伤和结构破坏，进而造成支座运行可靠性和服役安全性的降低，确保支座负载性能和隔震性能的稳定运行，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，由四个部分构成，包括S1：摩擦摆隔震支座性能的有限元分析与计算、S2：支座状态监测及故障诊断系统硬件、S3：系统应用中支座传感器的布置、S4：支座状态监测及故障诊断系统软件。
[0006] 优选地，本专利技术提供的一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其中，所述S1具体为：根据工程实际中建筑物上部结构所提摩擦摆隔震支座设计方案，确定支座结构模型，通过有限元分析计算支座在实际工况下的滞回曲线与应力阈值变化特性，结合有限元分析结果对支座性能技术参数进行求取，其中，支座动摩擦系数与屈服后刚度计算表达式：
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(1)式中：为支座初始刚度；为支座承载竖向载荷力；为屈服位移；为等效曲率半径，支座滞回耗能计算表达式：
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(2)式中：为支座弹性变形能；为等效刚度；为支座水平位移，支座结构的Von Mises应力计算表达式：
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(3)式中：为第一主应力；为第二主应力；为第三主应力，通过在S4：支座状态监测及故障诊断系统软件部分的深度学习网络设定支座性能技术参数指标，对支座失效性行为进行诊断。
[0007]优选地，本专利技术提供的一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其中，所述S2具体为：智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统硬件主要分为四部分：S201：支座材料应变性能采集系统由应变传感器、桥盒、应变测试仪、数据采集器和上位机组成，该模块旨在采集支座内部各组成单元间的动态应力，以便上位机监测和诊断系统对支座长期服役过程中结构机械性能的准确识别，根据摩擦摆支座有限元分析应力阈值变化特性，支座应力主要集中在球冠体与上下支座板的滑动面之间，且支座常用摩擦材料为弹性模量280 MPa、设计强度30 MPa的聚四氟乙烯，由于支座服役过程中长期受高压负载和环境因素易引起摩擦材料的结构变形与损伤，在摩擦材料与上下支座板连结的应力集中处需内嵌应变传感器实时采集支座内部动态应力变化，应变性能采集系统的应变传感器有六组，每组包含有：工作应变片S1、补偿应变片S2和补偿应变片S3，六组应变片组成全桥并通过桥盒与应变测试仪连接，再接由数据采集器将采集的应变信号传输至上位机；S202：支座光电位移采集系统由反射型光电传感器、数据采集器和上位机组成，该模块旨在采集支座服役过程中上下支座板间竖向距离和切向滑移距离，以便于上位机监测和诊断系统对支座的负载性能、抗张拔性能、隔震性能和自回复性能进行识别，根据摩擦摆支座有限元分析滞回曲线，支座滑动时上下支座板应始终保持同向水平运动，且在无切向激励下支座可依靠重力自动回复原始中心位置，无残余位移，光电位移采集系统的光电传感器胶粘在支座的下支座板限位器外侧，在上支座板的平行线处绘制有不同颜色的标识点，当光照射到标识点后经反射传入传感器，即可将采集到的位移信号由连接的数据采集器传输至上位机；S203：支座加速度采集系统由加速度传感器、数据采集器和上位机组成，该模块旨在采集支座隔震过程中的加速度变化，以便上位机搭载监测和诊断系统对支座的滞回耗能
效果进行识别，根据摩擦摆支座有限元分析滞回曲线，支座滑动时滞回曲线所包围面积为滞回耗散能量，若等效刚度与支座弹性变形能保持常量不变，支座滞回耗能效果稳定，加速度采集系统的加速度传感器胶粘在支座的上支座板限位器外侧，当上支座板发生往复滑移时，传感器将采集到的加速度信号由连接的数据采集器传输至上位机；S204：支座状态监测及故障诊断系统的上位机采用树莓派微型计算机，设备拥有SOC芯片、USB接口、DSI显示器、Wi
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Fi和蓝牙模块等，可在内部构建软件系统，实现对多元数据的处理、分析和存储，同时，树莓派可安装拓展板进一步丰富监测及诊断系统的功能，如安装蜂鸣器或指示灯用于系统的安全警报，安装电源控制模块使系统可长期独立工作，安装无线传输模块实现与互联网的联通，安装存储拓展模块增强系统的信息存储量等。
[0008]优选地，本专利技术提供的一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其中，所述S3具体是：系统应用中应变传感器、反射型光电传感器和加速度传感器的布置方法：S301：应变传感器分两处布置，一处内嵌在摩擦材料与上支座板连接的应力集中处；另一处内嵌在摩擦材料与下支座板连接的应力集中处，每处含有三组应变传感器，每组包含有：工作应变片S1、补偿应变片S2和补偿应变片S3，应变片应在支座设计组装过程中完成嵌入；S302：反射型光电传感器布置在支座的下支座板限位器外侧，且在上支座板的平行线处绘制有不同颜色的标识点；S303：加速度传感器布置在支座的上支座板限位器外侧，优选地，本专利技术提供的一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其中，所述S4具体为：搭载于树莓派上位机的支座本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其特征在于，由四个部分构成，包括S1：摩擦摆隔震支座性能的有限元分析与计算、S2：支座状态监测及故障诊断系统硬件、S3：系统应用中支座传感器的布置、S4：支座状态监测及故障诊断系统软件。2.根据权利要求1所述的一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述S1具体为：根据工程实际中建筑物上部结构所提摩擦摆隔震支座设计方案，确定支座结构模型，通过有限元分析计算支座在实际工况下的滞回曲线与应力阈值变化特性，结合有限元分析结果对支座性能技术参数进行求取，其中，支座动摩擦系数与屈服后刚度计算表达式：
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(1)式中：为支座初始刚度；为支座承载竖向载荷力；为屈服位移；为等效曲率半径，支座滞回耗能计算表达式：
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(2)式中：为支座弹性变形能；为等效刚度；为支座水平位移，支座结构的Von Mises应力计算表达式：
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(3)式中：为第一主应力；为第二主应力；为第三主应力，通过在S4：支座状态监测及故障诊断系统软件部分的深度学习网络中设定支座性能技术参数指标，对支座失效性行为进行诊断。3.根据权利要求1所述的一种智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述S2具体为：智能摩擦摆隔震支座及状态监测与故障诊断系统硬件主要分为四部分：S201：支座材料应变性能采集系统由应变传感器、桥盒、应变测试仪、数据采集器和上位机组成，该模块旨在采集支座内部各组成单元间的动态应力，以便上位机监测和诊断系统对支座长期服役过程中结构机械性能的准确识别，根据摩擦摆支座有限元分析应力阈值变化特性，支座应力主要集中在球冠体与上下支座板的滑动面之间，且支座常用摩擦材料为弹性模量280 MPa、设计强度30 MPa的聚四氟乙烯，由于支座服役过程中长期受高压负载和环境因素易引起摩擦材料的结构变形与损伤，在摩擦材料与上下支座板连结的应力集中处需内嵌应变传感器实时采集支座内部动态应力变化，应变性能采集系统的应变传感器有六组，每组包含有：工作应变片S1、补偿应变片S2和补偿应变片S3，六组应变片组成全桥并通过桥盒与应变测试仪连接，再接由数据采集器将采集的应变信号传输至上位机；
S202：支座光电位移采集系统由反射型光电传感器、数据采集器和上位机组成，该模块旨在采集支座服役过程中上下支座板间竖向距离和切向滑移距离，以便于上位机监测和诊断系统对支座的负载性能、抗张拔性能、隔震性能和自回复性能进行识别，根据摩擦摆支座有限元分析滞回曲线，支座滑动时上下支座板应始终保持同向水平运动，且在无切向激励下支座可依靠重力自动回复原始中心位置，无残余位移，光电位移采集系统的光电传感器胶粘在支座的下支座板限位器外侧，在上支座板的平行线处绘制有不同颜色的标识点，当光照射到标识点后经反射传入传感器，即可将采集到的位移信号由连接的数据采集器传输至上位机；S203：支座加速度采集系统由加速度传感器、数据采集器和上位机组成，该模块旨在采集支座隔震过程中的加速度变化，以便上位机搭载监测和诊断系统对支座的滞回耗能效果进行识别，根据摩擦摆支座有限元分析滞回曲线，支座滑动时滞回曲线所包围面积为滞回耗散能量，若等效刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴思远，查赵栓，圣成矢一，谢秋林，孔伟明，
申请(专利权)人：智性科技南通有限公司，
类型：发明
国别省市：