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CN114398703A - 一种既有空间管桁架结构加固方法 - Google Patents

一种既有空间管桁架结构加固方法 Download PDF

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CN114398703A
CN114398703A CN202111673550.6A CN202111673550A CN114398703A CN 114398703 A CN114398703 A CN 114398703A CN 202111673550 A CN202111673550 A CN 202111673550A CN 114398703 A CN114398703 A CN 114398703A
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China
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truss structure
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space pipe
reinforcing
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CN202111673550.6A
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周锋
武诣霖
陈晓明
贾宝荣
袁鼎
金伟峰
张宗早
严斌
马良
罗建冬
刘伟
薛世亮
李显松
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Shanghai Mechanized Construction Group Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Mechanized Construction Group Co Ltd
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Abstract

本发明涉及钢结构工程建造技术领域，公开一种既有空间管桁架结构加固方法。对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行结构力学分析，得到既有空间管桁架结构的剩余承载力；根据既有空间管桁架结构的剩余承载力，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计；将深化加固设计的设计结果输入加工设备，对既有空间管桁架结构进行加固。本发明提供的既有空间管桁架结构加固方法，能够在充分评估既有空间管桁架剩余承载力的前提下，更为有效地对其节点、杆件进行外包加固，并使外包构件与既有构件完美贴合，确保了加固施工的精度和质量，延长了既有空间管桁架结构的使用寿命，降低了既有空间管桁架结构的维护维修成本。

Description

一种既有空间管桁架结构加固方法
技术领域
本发明涉及钢结构工程建造技术领域，尤其涉及一种既有空间管桁架结构加固方法。
背景技术
随着金属结构的大力推广和钢结构技术的不断成熟，金属结构的应用范围日益广泛，金属结构的数量也增长迅速。在众多的结构形式中，空间管桁架结构以其众多的优点广受推崇。大量既有空间管桁架结构公共建筑经过长时间服役，已经进入功能退化期，其在建造与服役期间产生、积累的缺陷与损伤已对其结构抗力产生了重大影响。将这些既有结构建筑全部拆除重建是不现实的，因此，需要将这些既有空间管桁架结构建筑加固、改造后继续服役。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种既有空间管桁架结构加固方法，能够对既有空间管桁架结构进行加固，延长了既有空间管桁架结构的使用寿命，降低了既有空间管桁架结构的维护维修成本。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种既有空间管桁架结构加固方法，包括以下步骤：
S1、对既有空间管桁架结构进行三维扫描，得到包含有若干个反射坐标点的整体点云模型；
S2、截取既有空间管桁架结构需加固的部位，得到局部点云模型；
S3、对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合，得到杆件拟合中心线和杆件外径；
S4、将杆件拟合中心线和杆件外径引入结构计算模型，建立包含有几何缺陷的既有空间管桁架结构的真实几何模型；
S5、对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行结构力学分析，得到既有空间管桁架结构的剩余承载力；
S6、根据既有空间管桁架结构的剩余承载力，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计；
S7、将深化加固设计的设计结果输入加工设备，对既有空间管桁架结构进行加固。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，采用最小二乘法对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，最小二乘法的目标函数为杆件拟合中心线与反射坐标点之间距离组成的数集的方差最小。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，若杆件拟合中心线与反射坐标点之间距离组成的数集的方差大于预设方差时，则将直线拟合修正为曲线拟合或分段折线拟合。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，既有空间管桁架结构的真实几何模型包括杆件的几何线性参数、节点坐标、空间相贯关系和截面真实尺寸。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，采用外包钢骨法对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，在既有空间管桁架结构的空间圆管的相贯节点外套设加固圆管作为外包钢骨。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，在空间圆管的相贯节点设置三角形加劲板。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，加工设备在程序控制下对加固圆管进行相贯线切割、马鞍口切割以及开槽。
作为本发明的既有空间管桁架结构加固方法的可选方案，几何缺陷包括节点几何坐标偏差和杆件弯曲。
本发明的有益效果为：
本发明提供的既有空间管桁架结构加固方法，首先，对既有空间管桁架结构进行三维扫描，得到包含有若干个反射坐标点的整体点云模型；其次，截取既有空间管桁架结构需加固的部位，得到局部点云模型；然后，对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合，得到杆件拟合中心线和杆件外径；然后，将杆件拟合中心线和杆件外径引入结构计算模型，建立包含有几何缺陷的既有空间管桁架结构的真实几何模型；然后，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行结构力学分析，得到既有空间管桁架结构的剩余承载力；然后，根据既有空间管桁架结构的剩余承载力，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计；最后，将深化加固设计的设计结果输入加工设备，对既有空间管桁架结构进行加固。本发明提供的既有空间管桁架结构加固方法，能够在充分评估既有空间管桁架剩余承载力的前提下，更为有效地对其节点、杆件进行外包加固，并使外包构件与既有构件完美贴合，确保了加固施工的精度和质量，延长了既有空间管桁架结构的使用寿命，降低了既有空间管桁架结构的维护维修成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式提供的既有空间管桁架结构加固方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种既有空间管桁架结构加固方法，该既有空间管桁架结构加固方法包括以下步骤：
S1、对既有空间管桁架结构进行三维扫描，得到包含有若干个反射坐标点的整体点云模型；
S2、截取既有空间管桁架结构需加固的部位，得到局部点云模型；
S3、对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合，得到杆件拟合中心线和杆件外径；
S4、将杆件拟合中心线和杆件外径引入结构计算模型，建立包含有几何缺陷的既有空间管桁架结构的真实几何模型；
S5、对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行结构力学分析，得到既有空间管桁架结构的剩余承载力；
S6、根据既有空间管桁架结构的剩余承载力，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计；
S7、将深化加固设计的设计结果输入加工设备，对既有空间管桁架结构进行加固。
空间管桁架结构是由张力杆和压力杆组成的结构，处在三维度空间的受力状态下，能承受来自各个方向的载荷，应用于大跨距抗震建筑物。空间管桁架结构具有以下优点：方便携带，可被完全拆除，正常放于集装箱由卡车运送；无需焊接；可以减轻70％～80％重量，节省大量水泥和模板。
三维扫描仪是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型。三维扫描仪可类比为照相机，它们的视线范围都呈现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。
点云是某个坐标系下的点的数据集。主要是通过三维激光扫描仪进行数据采集获取点云数据，其次通过二维影像进行三维重建，在重建过程中获取点云数据。高精度三维点云数据通过算法拟合生成曲面，用于三维建模，精度高，细节更精细，同时，建模速度快。
采用最小二乘法对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合。最小二乘法是一种在误差估计、不确定度、系统辨识及预测、预报等数据处理诸多学科领域得到广泛应用的数学工具。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。
最小二乘法的目标函数为杆件拟合中心线与反射坐标点之间距离组成的数集的方差最小。目标函数f(x)就是用设计变量来表示的所追求的目标形式，所以目标函数就是设计变量的函数，是一个标量。方差是在概率论和统计方差衡量随机变量或一组数据时离散程度的度量。概率论中方差用来度量随机变量和其数学期望(即均值)之间的偏离程度。统计中的方差(样本方差)是每个样本值与全体样本值的平均数之差的平方值的平均数。
若杆件拟合中心线与反射坐标点之间距离组成的数集的方差大于预设方差时，则将直线拟合修正为曲线拟合或分段折线拟合。直线拟合即线性拟合，线性拟合是曲线拟合的一种形式。设x和y都是被观测的量，且y是x的函数：y＝f(x；b)，曲线拟合就是通过x,y的观测值来寻求参数b的最佳估计值，及寻求最佳的理论曲线y＝f(x；b)。当函数y＝f(x；b)为关于b的i线性函数时，称这种曲线拟合为线性拟合。曲线拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系的一种数据处理方法。
既有空间管桁架结构的真实几何模型包括杆件的几何线性参数、节点坐标、空间相贯关系和截面真实尺寸。采用外包钢骨法对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计。在既有空间管桁架结构的空间圆管的相贯节点外套设加固圆管作为外包钢骨。在空间圆管的相贯节点设置三角形加劲板，增强节点的强度与刚度，以免主管在支管较大的轴力作用下屈曲。
深化加固设计的设计结果以节点坐标、管径、壁厚等典型数据的形式直接输入至智能建造加工设备，加工设备在程序控制下对加固圆管进行相贯线切割、马鞍口切割以及开槽，并最终生产出满足工程要求的构件，全过程实现了数字化高精度智能加工。几何缺陷包括节点几何坐标偏差和杆件弯曲。
本实施例提供的既有空间管桁架结构加固方法，首先，对既有空间管桁架结构进行三维扫描，得到包含有若干个反射坐标点的整体点云模型；其次，截取既有空间管桁架结构需加固的部位，得到局部点云模型；然后，对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合，得到杆件拟合中心线和杆件外径；然后，将杆件拟合中心线和杆件外径引入结构计算模型，建立包含有几何缺陷的既有空间管桁架结构的真实几何模型；然后，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行结构力学分析，得到既有空间管桁架结构的剩余承载力；然后，根据既有空间管桁架结构的剩余承载力，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计；最后，将深化加固设计的设计结果输入加工设备，对既有空间管桁架结构进行加固。
本实施例提供的既有空间管桁架结构加固方法，能够在充分评估既有空间管桁架剩余承载力的前提下，更为有效地对其节点、杆件进行外包加固，并使外包构件与既有构件完美贴合，确保了加固施工的精度和质量，延长了既有空间管桁架结构的使用寿命，降低了既有空间管桁架结构的维护维修成本。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对既有空间管桁架结构进行三维扫描，得到包含有若干个反射坐标点的整体点云模型；
S2、截取既有空间管桁架结构需加固的部位，得到局部点云模型；
S3、对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合，得到杆件拟合中心线和杆件外径；
S4、将杆件拟合中心线和杆件外径引入结构计算模型，建立包含有几何缺陷的既有空间管桁架结构的真实几何模型；
S5、对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行结构力学分析，得到既有空间管桁架结构的剩余承载力；
S6、根据既有空间管桁架结构的剩余承载力，对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计；
S7、将深化加固设计的设计结果输入加工设备，对既有空间管桁架结构进行加固。
2.根据权利要求1所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，采用最小二乘法对局部点云模型中从属于同一杆件的若干个反射坐标点进行拟合。
3.根据权利要求2所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，最小二乘法的目标函数为杆件拟合中心线与反射坐标点之间距离组成的数集的方差最小。
4.根据权利要求3所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，若杆件拟合中心线与反射坐标点之间距离组成的数集的方差大于预设方差时，则将直线拟合修正为曲线拟合或分段折线拟合。
5.根据权利要求1所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，既有空间管桁架结构的真实几何模型包括杆件的几何线性参数、节点坐标、空间相贯关系和截面真实尺寸。
6.根据权利要求1所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，采用外包钢骨法对既有空间管桁架结构的真实几何模型进行深化加固设计。
7.根据权利要求6所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，在既有空间管桁架结构的空间圆管的相贯节点外套设加固圆管作为外包钢骨。
8.根据权利要求7所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，在空间圆管的相贯节点设置三角形加劲板。
9.根据权利要求7所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，加工设备在程序控制下对加固圆管进行相贯线切割、马鞍口切割以及开槽。
10.根据权利要求1-9任一项所述的既有空间管桁架结构加固方法，其特征在于，几何缺陷包括节点几何坐标偏差和杆件弯曲。
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