压电陶瓷杆结构单双层球面网壳及杆件内力监测装置

摘要

一种压电陶瓷杆结构单双层球面网壳及杆件内力监测装置。球面网壳包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多个陶瓷杆连接件、多个螺栓球节点、若干个滑动铰支座和若干个固定铰支座。监测装置包括无线传感器、数据接收基站、数据分析器和导线。本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳具有抗震性能好、便于施工等优点。杆件内力监测装置具有结果准确度高；不受环境因素影响、抗老化能力强，可用于长期监测；不受杆件位置制约，不需要布置超长的数据线，便于开展实验；安全性高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，特别是涉及一种压电陶瓷杆结构单双层 球面网壳及杆件内力监测装置。

背景技术

随着大跨度空间结构的发展，网壳结构得到了广泛应用，如机场航站楼、 会展中心、收费站、剧场等建筑，均出现了网壳结构的应用实例。网架结构 受力合理、刚度大、重量轻，能够充分发挥材料的拉压性能，减小弯矩和剪 力对材料的不利影响，且造型多变，并可根据建筑使用要求调整网格尺寸， 建筑外观通透、美观，可有效利用自然采光、减少建筑能耗。但网壳结构的 跨度受到局部稳定和整体稳定的控制，因此应用范围也受到一定的限制。此 外，网壳结构目前主要使用钢材，尚未见其他材料应用于网壳结构的研究报 道。

压电陶瓷是1946年由美国麻省理工学院绝缘研究室研究人员发现的一 种新型材料。在机械外力作用下，该材料内部的正负电荷中心将发生相对位 移而引起极化，从而导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷。然而，现 有的压电陶瓷材料主要应用于蜂鸣器、扬声器、拾音器、变压器、点火器等 领域，未见其应用于建筑工程领域尤其是应用于网壳结构的研究报道。

另外，杆件内力监测是研究网壳结构的失效机理和进行倒塌过程分析的 一项重要内容。现有的监测方法主要有：贴应变片或应变传感器反算内力和 利用振动传感器采集杆件振动信号反算内力。然而，应变片或应变传感器使 用寿命较短，而且使用过程中受温度和零漂等因素影响，长期监测杆件内力 结果的准确性较差；振动信号采集法则受环境振动影响，振动传感器采集到 的杆件振动信号需要经过滤波处理，在滤波过程中结果难免出现失真的情 况。因此，研发网壳结构的杆件内力测量装置，提高测量结果的准确性，将 推动网壳结构理论研究和设计应用的进一步发展。

总之，如何将压电陶瓷这种新材料应用于壳体结构，通过合理的节点设 计使其作为空间结构的受力杆件，并且利用压电陶瓷的特性，根据杆件电压 值反算杆件受力，以便于实时动态监测杆件受力、验证理论分析结果，已成 为推广压电陶瓷应用及推进壳体结构发展的一个重要问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抗震性能好、便于施工 的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳。

本发明的另一个目的在于提供一种测量结果准确、安全性高的上述压电 陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力监测装置。

为了达到上述目的，本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳包括 多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多个陶瓷杆连接件、多个螺栓球节 点、若干个滑动铰支座和若干个固定铰支座；其中上弦杆、下弦杆和斜腹杆 均为压电陶瓷杆，每根上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端分别安装有一个陶瓷 杆连接件；带有陶瓷杆连接件的多根上弦杆、多根下弦杆和多根斜腹杆利用 多个螺栓球节点连接成传统形状的单双层球面网壳主体；所述的陶瓷杆连接 件包括多个预埋螺栓、端板、锥头和多个螺母；其中多个预埋螺栓安装在上 弦杆、下弦杆或斜腹杆的外端部边缘部位；端板上形成有多个与预埋螺栓位 置相对应的圆孔，利用螺母固定于上弦杆、下弦杆或斜腹杆的外端面上；锥 头为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔，下底面呈开口状，并且 下底面边缘连接在端板的外端边缘上；每个螺栓球节点包括多个高强螺栓、 多个封板、多个套筒、多个销钉和一个钢球；其中高强螺栓上的螺杆贯穿设 置在锥头上的圆孔内，并且螺栓头位于锥头的内部，同时螺杆的中部外圆周 面上沿径向形成有一个盲孔；封板安装在锥头的上底面外部，并且中心部位 形成有一个螺杆孔；套筒套在高强螺栓上位于封板外侧的螺杆上，并且套筒 的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉的前端穿过套筒上的销钉孔后插入 在高强螺栓上的盲孔内；钢球上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓上 螺杆的前端；若干个固定铰支座的上端相隔距离安装在网壳主体一侧的上弦 螺栓球节点上，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座的上端相隔距离 安装在网壳主体的其余上弦螺栓球节点上，下端以可移动的方式设置在结构 柱顶部。

所述的上弦杆、下弦杆和斜腹杆均为空心压电陶瓷圆杆。

所述的每个螺栓球节点上预埋螺栓和螺母的数量为5-7。

所述的预埋螺栓和端板的外表面均涂覆有绝缘涂层。

本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力监测装置包 括无线传感器、数据接收基站、数据分析器和导线；其中每根上弦杆、下弦 杆和斜腹杆上分别安装有一个无线传感器，同时每根上弦杆、下弦杆和斜腹 杆上预置有两根导线，每根导线的一端连接在上弦杆、下弦杆和斜腹杆的一 端，另一端与无线传感器相接；无线传感器与设置在地面上的数据接收基站 无线连接；而数据接收基站和数据分析器则通过数据线相接。

本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳具有如下优点：1)抗震 性能好：经通用有限元分析软件ANSYS计算后发现，压电陶瓷杆结构单双 层球面网壳的单根构件受力和结构整体静、动力变形均能满足使用要求。2) 便于施工：压电陶瓷杆的密度小于钢材，利用现有施工手段和设备即可完成 结构安装。

本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力监测装置具 有如下优点：1)根据压力和电压之间的互导公式，可精确测量杆件受力情 况，结果准确度高。2)不受环境因素影响、抗老化能力强，可用于长期监 测。3)利用无线传感器采集电压值，不受杆件位置制约，不需要布置超长 的数据线，便于开展实验。4)安全性高：可通过动态监测压电陶瓷杆两端 的电压实时计算杆件受力，可提高结构使用过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳平面图。

图2为图1中A-A向剖视图。

图3为本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳中连接在上弦杆、 下弦杆或斜腹杆端部的陶瓷杆连接件结构示意图。

图4为本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳中螺栓球节点部位 结构示意图。

图5为本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳与钢结构单双层 球面网壳自振频率曲线图。

图6为本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳与钢结构单双层球 面网壳竖向位移曲线图。

图7为本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力监测装 置组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球 面网壳及杆件内力监测装置进行详细说明。

如图1-图4所示，本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳包括 多根上弦杆1、多根下弦杆2、多根斜腹杆3、多个陶瓷杆连接件4、多个螺 栓球节点5、若干个滑动铰支座6和若干个固定铰支座7；其中上弦杆1、下 弦杆2和斜腹杆3均为压电陶瓷杆，每根上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的 两端分别安装有一个陶瓷杆连接件4；带有陶瓷杆连接件4的多根上弦杆1、 多根下弦杆2和多根斜腹杆3利用多个螺栓球节点5连接成传统形状的单双 层球面网壳主体；所述的陶瓷杆连接件4包括多个预埋螺栓8、端板9、锥头 10和多个螺母11；其中多个预埋螺栓8安装在上弦杆1、下弦杆2或斜腹杆 3的外端部边缘部位；端板9上形成有多个与预埋螺栓8位置相对应的圆孔， 利用螺母11固定于上弦杆1、下弦杆2或斜腹杆3的外端面上；锥头10为 空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔12，下底面呈开口状，并且下 底面边缘连接在端板9的外端边缘上；每个螺栓球节点5包括多个高强螺栓 13、多个封板14、多个套筒15、多个销钉16和一个钢球17；其中高强螺栓 13上的螺杆贯穿设置在锥头10上的圆孔12内，并且螺栓头位于锥头10的 内部，同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板14安装在锥 头10的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒15套在高强螺 栓13上位于封板14外侧的螺杆上，并且套筒15的圆周面上贯穿形成有一个 销钉孔；销钉16的前端穿过套筒15上的销钉孔后插入在高强螺栓13上的盲 孔内；钢球17上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓13上螺杆的前端； 若干个固定铰支座7的上端相隔距离安装在网壳主体一侧的上弦螺栓球节点 上，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座6的上端相隔距离安装在网 壳主体的其余上弦螺栓球节点上，下端以可移动的方式设置在结构柱顶部。

所述的上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3均为空心压电陶瓷圆杆，这样不 仅能够减轻整个结构的总体重量，而且可以降低成本。

所述的每个螺栓球节点5上预埋螺栓8和螺母11的数量为5-7。

所述的预埋螺栓8和端板9的外表面均涂覆有绝缘涂层。

本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳组装过程如下：

1)根据压电陶瓷杆结构单双层球面网壳的设计要求，确定上弦杆1、下 弦杆2和斜腹杆3的几何尺寸，并在加工上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的 过程中在其两个外端部边缘部位设置多个预埋螺栓8；

2)利用多个螺母11将一块端板9固定在每根上弦杆1、下弦杆2或斜 腹杆3的一个外端面上；

3)将高强螺栓13上的螺杆贯穿设置在锥头10上的圆孔12内，并且螺 栓头位于锥头10的内部；

4)将多个不同空间角度的上弦杆1、下弦杆2或斜腹杆3两端的锥头10 内的高强螺栓13连接于一个螺栓球节点5上，由此制成传统形状的单双层球 面网壳主体；

5)将多个固定铰支座7的上端相隔距离安装在网壳主体一侧的上弦螺 栓球节点5上，下端固定在结构柱顶部；将多个滑动铰支座6的上端相隔距 离安装在网壳主体的其余上弦螺栓球节点5上，下端以可移动的方式设置在 结构柱顶部，由此形成所述的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳。

为了分析本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳的抗震性能，本 申请人用有限元软件ANSYS比较了相同外观尺寸和截面面积的压电陶瓷杆 结构单双层球面网壳和钢结构单双层球面网壳的前8阶自振频率以及在水平 地震EL-Centro(1940)波作用下8秒内的竖向位移变化情况，结果见图5、图 6。由图5可见，二者前3阶自振频率值较接近，说明压电陶瓷杆结构单双层 球面网壳和钢结构单双层球面网壳的动力特性接近。由图6可见，压电陶瓷 杆结构单双层球面网壳在地震作用下的位移变化幅值略小于钢结构单双层 球面网壳，这是由结构自身重量轻而造成的，意味着地震作用下压电陶瓷杆 结构单双层球面网壳具有良好的抗震性能。通过上述计算及分析可见，本发 明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳安全可靠。

如图7所示，本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力 监测装置包括无线传感器18、数据接收基站19、数据分析器20和导线21； 其中每根上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3上分别安装有一个无线传感器18， 同时每根上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3上预置有两根导线21，每根导线21 的一端连接在上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的一端，另一端与无线传感器 18相接；无线传感器18与设置在地面上的数据接收基站19无线连接；而数 据接收基站19和数据分析器20则通过数据线相接。

现将本发明提供的压电陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力监测装 置工作原理阐述如下：在上述压电陶瓷杆结构单双层球面网壳使用过程中， 无线传感器18将实时采集上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3两端的电压力差， 并将该检测值无线传输给数据接收基站19；数据接收基站19将多个无线传 感器18采集的数据再传输给数据分析器20，数据分析器20根据上述检测值 及每根上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的设计参数计算动荷载作用下杆件的 内力值，由此实现对压电陶瓷杆结构单双层球面网壳上杆件内力的动态监 控。