金屬屋面損傷評估方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開一般涉及建筑物強(qiáng)度評估領(lǐng)域，尤其涉及金屬屋面損傷評估方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬屋面是指采用金屬板材作為屋蓋材料，用金屬板材將結(jié)構(gòu)層和防水層包覆在 內(nèi)的屋蓋形式。金屬板材的種類很多，例如，鋅板、鍍鋁鋅板、鋁合金板、鋁鎂合金板、鈦合金 板、銅板、不銹鋼板等。
[0003] 建筑物例如金屬屋面的損傷評估由于技術(shù)的限制現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用是依靠維修人 員的檢修，檢測的依據(jù)主要靠維修人員的經(jīng)驗(yàn)和輔以一定的主動(dòng)檢測設(shè)備。近些年一些大 橋和大壩等大型建筑采用了先進(jìn)的健康管理的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的監(jiān)測并依此進(jìn)行視 情維修，具有無線傳感器，數(shù)據(jù)管理，遠(yuǎn)程遙控的健康管理系統(tǒng)是現(xiàn)階段建筑物健康管理系 統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
[0004] 然而，現(xiàn)有技術(shù)中，金屬屋面的設(shè)計(jì)校核階段主要考慮的是屋面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并沒 有考慮到實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)使用過程中的損傷積累。一般的建筑物使用人工進(jìn)行檢修費(fèi)時(shí)費(fèi) 力，并不能取得很好的結(jié)果。大部分健康管理系統(tǒng)一般只對一些被監(jiān)測量（應(yīng)力、形變）設(shè) 定預(yù)定形變量，當(dāng)超出預(yù)定形變量后進(jìn)行警報(bào)和維修，這樣雖然節(jié)約了維護(hù)成本，只是解決 了健康管理的初級問題即損傷的監(jiān)測，并沒有對損傷的發(fā)展過程和損傷的程度有直觀的認(rèn) 識。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷或不足，期望提供一種金屬屋面損傷評估方法和系 統(tǒng)，旨在解決如上所述的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)問題。
[0006] 第一方面，本申請實(shí)施例提供了一種金屬屋面損傷評估方法，包括：獲取金屬屋面 的狀態(tài)參數(shù)，其中，狀態(tài)參數(shù)包括金屬屋面的實(shí)際形變量；基于實(shí)際形變量大于預(yù)定形變 量，確定與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷；基于與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷確定損傷積累；以及基 于損傷狀態(tài)量確定金屬屋面的損傷狀態(tài)，其中，損傷狀態(tài)量包括損傷積累。
[0007] 第二方面，本申請實(shí)施例還提供了一種金屬屋面損傷評估系統(tǒng)，包括：獲取裝置， 用于獲取金屬屋面的狀態(tài)參數(shù)，其中，狀態(tài)參數(shù)包括金屬屋面的實(shí)際形變量；損傷確定裝 置，用于基于實(shí)際形變量大于預(yù)定形變量，確定與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷；損傷積累確定裝 置，用于基于與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷確定損傷積累；以及損傷狀態(tài)確定裝置，用于基于損 傷狀態(tài)量確定金屬屋面的損傷狀態(tài)，其中，損傷狀態(tài)量包括損傷積累。
[0008] 本申請實(shí)施例提供的金屬屋面損傷評估方法和系統(tǒng)，通過對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，歷史 數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫的算法設(shè)計(jì)，能夠?qū)饘傥菝娴膿p傷程度給出指標(biāo)并進(jìn)行剩余壽 命預(yù)測，為設(shè)計(jì)校核階段的提供數(shù)據(jù)支撐并且對金屬屋面的視情維護(hù)提供有力的依據(jù)。
【附圖說明】
[0009] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本申請的其它 特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0010] 圖1示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的金屬屋面損傷評估方法的示意性流程圖；
[0011] 圖2示出了金屬屋面的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的示意圖；
[0012]圖3示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的金屬屋面損傷評估系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖；
[0013] 圖4示出了本申請的金屬屋面損傷評估系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用場景的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本申請作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。可以理解的是，此處所描 述的具體實(shí)施例僅用于解釋相關(guān)發(fā)明，而非對該發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便 于描述，附圖中僅示出了與發(fā)明相關(guān)的部分。
[0015] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相 互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本申請。
[0016] 參見圖1所示，為根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的金屬屋面損傷評估方法的示意性流程 圖 100〇
[0017] 具體而言，在步驟110中，獲取金屬屋面的狀態(tài)參數(shù)。其中，狀態(tài)參數(shù)包括金屬屋 面的實(shí)際形變量。
[0018] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，例如，可以在金屬屋面的一些位置設(shè)置傳感器，以采集 金屬屋面的狀態(tài)參數(shù)。在這里，狀態(tài)參數(shù)例如可以包括金屬屋面的實(shí)際形變量等。
[0019] 接著，在步驟120中，基于實(shí)際形變量大于預(yù)定形變量，確定與實(shí)際形變量對應(yīng)的 損傷。在這里，"損傷"一詞的含義例如可以是金屬屋面在復(fù)雜的天氣載荷下，由細(xì)觀結(jié)構(gòu)的 缺陷造成的材料結(jié)構(gòu)和性能的逐漸劣化。
[0020] 損傷在微觀上最初表現(xiàn)為肉眼不能夠觀察的裂紋。隨著損傷的積累，裂紋擴(kuò)展，變 為外觀上能夠辨識的裂紋和塑性形變，最終裂紋積累到一定程度材料發(fā)生斷裂，即破壞。性 能上的劣化例如可以表現(xiàn)在屈服強(qiáng)度和楊氏模量的減小。受此影響，金屬屋面在載荷下的 形變會(huì)變大，承載能力相應(yīng)降低，進(jìn)而增大發(fā)生事故的幾率。
[0021] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，可以對損傷進(jìn)行定量的表示。例如，可以根據(jù)金屬屋面 的形變量的具體數(shù)值來獲得損傷的具體數(shù)值。
[0022] 或者，在另一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，也可以對損傷進(jìn)行定性的表示。例如，可以根 據(jù)金屬屋面的形變量所處的值域范圍，來定性地將損傷分為小損傷、中等損傷和大損傷。
[0023] 在本步驟中，僅在實(shí)際形變量大于預(yù)定形變量時(shí)，確定與該實(shí)際形變量對應(yīng)的損 傷。由于損傷與實(shí)際形變量正相關(guān)，通過適當(dāng)選擇預(yù)定形變量的大小，可以平衡計(jì)算代價(jià)和 計(jì)算得到的金屬屋面損傷的準(zhǔn)確程度。也即是說，在預(yù)定型變量選擇恰當(dāng)時(shí)，可以較為客 觀、準(zhǔn)確地得到金屬屋面的損傷的定量描述，并且計(jì)算量在可接受的范圍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 例如，可以采用實(shí)驗(yàn)的方式來確定預(yù)定形變量的具體數(shù)值。
[0024] 接著，在步驟130中，基于與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷確定損傷積累。
[0025] 由于損傷積累會(huì)導(dǎo)致金屬屋面性能劣化，因此判斷金屬屋面失效的條件并不是材 料發(fā)生疲勞破壞時(shí)，而是在金屬屋面達(dá)到一定的損傷程度，使得金屬板的性能難以滿足建 筑結(jié)構(gòu)的功能需求時(shí)。
[0026] -般工程上金屬材料的塑性形變達(dá)到工件使用長度的一定比例就視為失效。在一 些實(shí)現(xiàn)方式中，例如可以用損傷度D來描述金屬屋面的損傷程度。例如，損傷度D可以由如 下公式計(jì)算：
[0027] (1)
[0028] 損傷度的物理意義是表示由于損傷而喪失承載能力的面積與初始無損傷面積之 比，其中j為材料的有效承載面積，A表示原面積。因此，基于公式（1)，損傷度是一個(gè)0~ 1的值，〇表示完全沒有損傷，1表示發(fā)生疲勞破壞。損傷度的定義是從細(xì)觀上進(jìn)行定義的， 而實(shí)際情況下我們幾乎不可能直接監(jiān)測到金屬面的損傷程度，需要通過損傷積累的模型進(jìn) 行計(jì)算或者找到表征損傷程度的宏觀上的特征變量例如塑性形變量。
[0029] 接著，在步驟140中，基于損傷狀態(tài)量確定金屬屋面的損傷狀態(tài)，其中，損傷狀態(tài) 量包括損傷積累。
[0030] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，例如可以將預(yù)定形變量設(shè)定為與金屬屋面不產(chǎn)生塑性 形變的最大形變對應(yīng)的形變量。
[0031] 參見圖2所示，為金屬屋面的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線可以材料的固有力學(xué)性能， 在彈性形變范圍內(nèi)，如圖2所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線往返的路徑是一致的。例如，當(dāng)應(yīng)力小于 門限值〇s時(shí)（對應(yīng)曲線上的A點(diǎn)），隨著應(yīng)力〇的增大，應(yīng)變e增大，而當(dāng)應(yīng)力減少至零 時(shí)，應(yīng)變量隨之減小至零。
[0032] 然而當(dāng)應(yīng)力。超過〇；3后，去掉應(yīng)力作用時(shí)，金屬屋面不能恢復(fù)原形，有一部分形 變會(huì)保存下來。在應(yīng)力去掉以后立即消失的形變（即圖2中C、E二點(diǎn)之間的距離）為彈性 形變，除此之外被保留下來的部分（即圖2中0、C二點(diǎn)之間的距離）為非彈性形變（即塑 性形變）。在彈性形變中，有一部分（即圖2中D、C二點(diǎn)之間的距離）會(huì)隨時(shí)間增長而消 失，最后不能消失的部分（即圖2中0、D二點(diǎn)之間的距離）為永久形變，這一部分能量殘余 造成了金屬屋面裂紋的拓展和塑性形變的積累。因此，將預(yù)定形變量設(shè)定為與金屬屋面不 產(chǎn)生塑性形變的最大形變對應(yīng)的形變量，可以只對這些形變量計(jì)算金屬屋面相應(yīng)的損傷， 從而可以減小計(jì)算量，提高計(jì)算效率。
[0033] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，步驟120中的基于實(shí)際形變量大于預(yù)定形變量，確定 與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷可以采用如下公式（2)來進(jìn)行計(jì)算：
[0034] d, =rHr!(2)
[0035] 其中，Di為第i次損傷，為第i次形變的形變量，< 為金屬屋面所采用的金屬材 料的極限撓度。金屬材料的極限撓度例如可以通過對金屬材料進(jìn)行單項(xiàng)拉伸試驗(yàn)來獲得。
[0036] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，步驟130的基于與實(shí)際形變量對應(yīng)的損傷確定損傷積 累可以采用如下公式（3)來進(jìn)行計(jì)算：
[0037] D= 2 0 見 (3)
[0038]其中，D為損傷積累，0i為與第i次損傷對應(yīng)的權(quán)值，由于形變量越大，對金屬屋 面造成的損傷越大，因此，在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，權(quán)值0 ,與第i次形變的形變量f正 相關(guān)。
[0039] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，損傷狀態(tài)量除了包括損傷積累之外，還可以包括塑性 型變量和金屬屋面的連接件狀態(tài)。
[0040] 在這些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，步驟140的基于損傷狀態(tài)量確定金屬屋面的損傷狀態(tài) 還可以包括：
[0041] 基于與損傷積累對應(yīng)的損傷狀態(tài)、與塑性型變量對應(yīng)的損傷狀態(tài)和與金屬屋面的 連接件狀態(tài)對應(yīng)的損傷狀態(tài)之和，確定金屬屋面的損傷狀態(tài)。
[0042] 其中：
[0043] 與損傷積累對應(yīng)的損傷狀態(tài)盡，=f。
[0044] 在這里，D為損傷積累，D。為金屬屋面達(dá)到疲勞極限時(shí)的損傷積累臨界值。
[0045] 與塑性型變量對應(yīng)的損傷狀態(tài)氧=fp
[0046] 在這里，R為塑性形變量的測量值，例如，可以通過傳感器獲取。R。為塑性形變量 的閾值，例如，一般工程上可以以材料使用長度的5%作為塑性變量的閾值。
[0047] 與金屬屋面的連接件狀態(tài)對應(yīng)的損傷狀態(tài)H。為
[0048]
[0049] 在一些可選的實(shí)現(xiàn)方式中，例如，連接件可以是螺栓或者是銷釘?shù)冗B接件。在這些 可選的實(shí)現(xiàn)方式中，例如，可以采用接近開關(guān)來采集連接件狀態(tài)。當(dāng)連接件和與之連接的被 連接件之間的距離超過一預(yù)設(shè)值時(shí)，可認(rèn)為連接件松動(dòng)，此時(shí)，&= 1。當(dāng)連接件和與之連 接的被連接件之間的距離未超過該預(yù)設(shè)值時(shí)，可認(rèn)為連接件處于正常工作狀態(tài)，此時(shí)，Hq = 0〇
[0050] 這樣一來，金屬屋面的損傷狀態(tài)可以用公式（4)來計(jì)算：
[0051]
⑷
[0052] 從公式⑷中可以看出，損傷狀態(tài)H的取值范圍介于0~1之間。且H值越小，可 說明當(dāng)前金屬屋面的損傷越小，反之，H值越大，說明當(dāng)前金屬屋