實(shí)尺模型在高層建筑構(gòu)架研究中的應(yīng)用

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯Application of full-scale experiments for structural study of high-rise buildings, 2015, 123(6): 94-100.實(shí)尺模型試驗(yàn)在高層建筑物框架研究中的應(yīng)用阿里克謝·布爾加科夫 丹尼爾·夏克胡特迪諾夫 尼古拉·吉爾巴托科 希克馬戈蒙德·阿卡蒙多夫俄羅斯，庫(kù)爾斯克，萊特·奧克亞布拉亞大街94號(hào)，郵編305040，西南州立大學(xué)俄羅斯，新切爾卡斯克，普洛斯瓦?？四醽喗?32號(hào)，郵編346428，普拉托夫南俄州立理工大學(xué)摘 要 本文通

2、過(guò)對(duì)實(shí)尺寸模型的試驗(yàn)，開發(fā)設(shè)計(jì)出一種軟設(shè)備裝置，來(lái)考察高層建筑構(gòu)成要件中的鋼筋混凝土的強(qiáng)度。這種裝置的運(yùn)行基于一種幾何參數(shù)，即鐵磁體對(duì)它周圍的電磁場(chǎng)的依賴程度和由于鐵磁體受氧化帶來(lái)的電磁特性的減弱。為了得到電磁場(chǎng)的首要材料，我們將會(huì)用到一種傳統(tǒng)的測(cè)量工具，即高精度的電磁傳感器模型。為了確定被控物體的具體位置，我們會(huì)用到距離傳感器。測(cè)量的結(jié)果最終傳送到一套合適的計(jì)算機(jī)模型，用以證明傳感器附近的電磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)直接測(cè)量結(jié)果一致。要求的模型參數(shù)是螺紋鋼筋的幾何參數(shù)。為了滿足建筑物對(duì)測(cè)量裝置高度的要求，建議安裝四旋翼飛行直升機(jī)。荷蘭艾斯維爾有限公司版權(quán)所有，本文采用創(chuàng)作共用版權(quán)許可協(xié)議，對(duì)公開放。

3、關(guān)鍵詞 實(shí)尺寸模型試驗(yàn)；建筑結(jié)構(gòu)研究；四旋翼直升機(jī)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；非破壞性檢驗(yàn)1 簡(jiǎn)介建筑業(yè)在過(guò)去的幾十年有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，建筑技術(shù)也取得迅速發(fā)展。值得注意的是建筑工程因其用途、建筑材質(zhì)、高度要求、使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行的特點(diǎn)的不同而異。隨著建筑物實(shí)用功能的變化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高以及其他因素的作用，需要翻新的老式建筑群越來(lái)越多，因此對(duì)建筑技術(shù)、工藝和檢測(cè)的專業(yè)設(shè)備、建筑物的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)的要求也相應(yīng)提高。作為在建筑活動(dòng)中獨(dú)立的領(lǐng)域，對(duì)建筑機(jī)械工程的調(diào)查包括許多方面，比如確保建筑運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)施修理工作，還有對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施重建應(yīng)有的參考記載。近年來(lái)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性的調(diào)查與日俱增，很大程度上歸因于建筑物的廢舊

4、、過(guò)時(shí)或受到的損壞。由于種種原因，建筑運(yùn)行致使建筑結(jié)構(gòu)退化、承載力下降甚至消失，個(gè)體或整體原因?qū)е碌慕ㄖ饘贅?gòu)件磨損。為了恢復(fù)受損建筑（的外觀和功能），實(shí)施質(zhì)控調(diào)研十分必要，從而找出使金屬構(gòu)件折舊磨損、承載力下降的原因。通過(guò)對(duì)高層建筑的檢查，我們可以發(fā)現(xiàn)一連串問(wèn)題。本文將測(cè)量裝置安裝在四旋翼直升機(jī)，以滿足建筑物對(duì)裝置高度的要求1,2。非破壞性試驗(yàn)方法（簡(jiǎn)稱NDT）基于對(duì)被控建筑造成的輻射沖擊、電磁波和聲波對(duì)建筑的傳導(dǎo)機(jī)制、采用傳統(tǒng)顯微鏡和電子顯微鏡下觀察建筑材質(zhì)結(jié)構(gòu)的諸多研究之上，該方法以觀察法、記錄法為基礎(chǔ)，分析被控對(duì)象所受物理輻射、對(duì)化學(xué)成分依賴性、結(jié)構(gòu)性變化等。采用NDT法可以很容易解決

5、諸如工程承包商未遵守相關(guān)要求和不合理施工帶來(lái)的一系列問(wèn)題。被控建筑對(duì)象獨(dú)有的特性，決定了應(yīng)采取積極性的還是消極性的策略。第一種策略方法，被控建筑產(chǎn)生的聲波會(huì)被裝置記錄下來(lái)（通過(guò)運(yùn)行裝置發(fā)出的聲音可以判斷其適用性好壞）。積極性的方法是通過(guò)被控建筑對(duì)象傳遞出的聲波信號(hào)利用裝置檢測(cè)出聲音信號(hào)的密度,現(xiàn)在大多采用后者。根據(jù)積極質(zhì)控表現(xiàn)出的物理現(xiàn)象，可以歸結(jié)為四大類：聲波法、電磁法、渦電流法和無(wú)線電波法。聲波非破壞性檢測(cè)的方法，比如超聲波裂縫探測(cè)儀，它適用于檢查所有的聲波傳導(dǎo)材料；渦電流無(wú)損檢驗(yàn)法是建立在針對(duì)渦電流傳感器磁場(chǎng)與被控物體的磁場(chǎng)感應(yīng)相互作用的研究基礎(chǔ)上，此時(shí)后者渦電頻率達(dá)到1兆赫。在實(shí)際應(yīng)用

6、中，該法用于對(duì)傳導(dǎo)性材料制成的物體的檢測(cè)；無(wú)線電波無(wú)損檢驗(yàn)法的理論依據(jù)是被控對(duì)象電磁波（波長(zhǎng)介于0.011m）射頻參數(shù)變化的檢測(cè)和分析，其檢測(cè)精確到±5mm；電磁無(wú)損檢驗(yàn)法則是依據(jù)被控對(duì)象與其磁場(chǎng)的相互作用的分析。通常，該法根據(jù)確定的鐵磁材質(zhì)物體的相關(guān)參數(shù)，又可以分為磁性粒子法、磁閘法、感應(yīng)法和磁帶法。研究高層建筑，建議利用這樣一種測(cè)量裝置,其原理是磁感應(yīng)X線斷層成像3。其工作原理遵循上面提到的電磁感應(yīng)無(wú)損實(shí)驗(yàn)要求，該法使被控物體與鐵磁體的磁場(chǎng)相互作用更形象，電磁場(chǎng)的參數(shù)取決于被控物體的幾何參量，特別是氧化過(guò)程中電磁材料的性質(zhì)的弱化。另外，為使檢測(cè)效果達(dá)到最優(yōu)，該法在區(qū)分各種輻射參數(shù)

7、以及確定與鋼筋有關(guān)的幾何參量方面十分有效。2 測(cè)量裝置的開發(fā) 為了實(shí)行既定的無(wú)損實(shí)驗(yàn)法，建議使用如圖1的框圖測(cè)量裝置。測(cè)量裝置構(gòu)件包括：OPC一種微型計(jì)算機(jī)，用于監(jiān)控整個(gè)測(cè)量進(jìn)程并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，方便接下來(lái)的步驟；DAC一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，通過(guò)振蕩驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)探測(cè)功能；PA擴(kuò)音器，向DAC輸送、放大信號(hào)；D開關(guān)，用于調(diào)整高精度電磁傳感器矩陣（圖中電磁系統(tǒng)）釋放的線圈（數(shù)量）；MA多波段電勢(shì)信號(hào)的擴(kuò)音設(shè)備，輸出釋放到磁場(chǎng)未用的線圈 ADC一種多線路模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器，把導(dǎo)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼格式，保存在OPC存儲(chǔ)器中圖1. 測(cè)量裝置框圖圖示此外，該框圖還描述了一個(gè)SS有限元，它的作用是保持?jǐn)?shù)碼模擬轉(zhuǎn)換器D

8、AC，開關(guān)D，和模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器ADC同步運(yùn)行。3 電磁系統(tǒng)框圖的開發(fā)為調(diào)查圖1中電磁系統(tǒng)框圖的基本原理，我們引進(jìn)有限元求解器應(yīng)用程序包GMSH和Get DP。圖2將電磁系統(tǒng)框圖模型和被控對(duì)象結(jié)合在一起，相關(guān)記號(hào)有：1電磁傳感器模型矩陣，其實(shí)就是用一股股銅線圍城的感應(yīng)線圈；2被控對(duì)象，即一組鐵質(zhì)圓柱，給定其磁導(dǎo)率為µ，絕緣率為.待做的大量實(shí)驗(yàn)，需測(cè)量正弦電流對(duì)應(yīng)的每組感應(yīng)線圈（如圖2中1.1所示）之間的相交部分，記作磁通量.設(shè)磁通量是磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)，則如圖3，有：這里，i表示每組感應(yīng)線圈的序列號(hào).在圖3中，子圖3a，3b，3c表示直徑分別為12mm（紅線）、13mm（藍(lán)線）的樣本磁

9、感應(yīng)通量的模擬結(jié)果， 圖2中，在感應(yīng)線圈缺少檢測(cè)樣本（綠線表示）的前提下，樣本1.2、1.3、1.4分別對(duì)應(yīng)于圖3中a圖、b圖、c圖，感應(yīng)線圈樣本1.1正弦電頻等于1千赫，圖3中d、e、f顯示類似的結(jié)果，其正弦電流頻率為10千赫。圖2. 測(cè)量裝置：電磁傳感器矩陣模型圖3. GMSH+Get DP環(huán)境下模擬磁通量與時(shí)間t的依賴關(guān)系隨著時(shí)間t的加總，為了得到感應(yīng)線圈的更多特性，我們建議采用傳統(tǒng)的方法，即實(shí)足模型試驗(yàn)法。4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中利用實(shí)足模型確定鐵磁元的參數(shù)通常在分析高層建筑物的相關(guān)問(wèn)題時(shí)要引入磁感應(yīng)X線斷層攝影技術(shù)。這種方法通過(guò)研究線圈表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)，得到更形象直觀的導(dǎo)磁率分布，根據(jù)磁場(chǎng)

10、的反應(yīng)，我們會(huì)得到被控對(duì)象的磁感應(yīng)特性的有關(guān)信息，把它輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)學(xué)建模，利用相關(guān)軟件繪制出被控對(duì)象的磁場(chǎng)分布圖。在研究被控對(duì)象過(guò)程中，未知的鋼筋的磁導(dǎo)率分布和其幾何尺寸可以解決這種逆向問(wèn)題，這類方法被應(yīng)用于高層建筑物混凝土構(gòu)成要件的無(wú)損試驗(yàn)，而解決的這類逆向性問(wèn)題屬于數(shù)學(xué)物理范疇。為了解決這類問(wèn)題，通常引入一套方法，叫實(shí)尺模型實(shí)驗(yàn)法。關(guān)于該法確定電器產(chǎn)品磁性參數(shù)的效果請(qǐng)參閱文獻(xiàn)第4、5條4,5，它的特點(diǎn)是輸入數(shù)據(jù)模擬電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，用精確的數(shù)字作為解決問(wèn)題的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。為解決問(wèn)題，我們建議采用實(shí)足模型試驗(yàn)法，在磁感應(yīng)斷層X(jué)線成像環(huán)境下形成的計(jì)算程序：1. 測(cè)量磁場(chǎng)中電流脈沖得到勵(lì)磁線阻（

11、用Vobm表示）以及每個(gè)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為Bi*, 其中i=1,2，N, N 代表第N個(gè)待測(cè)量的傳感器；2. 設(shè)被控物體部分波段的電磁導(dǎo)率初始值為µi0，幾何參變量為gi0 3. 解決正演問(wèn)題。 磁場(chǎng)有形如等式 (1)其中，、是矢量，分別表示磁通量的密度和磁場(chǎng)力的大小，代表已知的勵(lì)磁繞組的電流密度.由(1)式得：=-； ；.根據(jù)方程式，磁矢量記號(hào),并令; . 然后對(duì)(1)式變形，結(jié)果得到： . (2)聯(lián)立方程組，得：; (3) 利用有限單元法可以很容易求出在條件(3)的情況下方程組(2)的解6 為求得(2)、(3)式函數(shù)極小值，經(jīng)整理(2)、(3)式得代數(shù)表達(dá)式：， k=1,2

12、, N (4)其中， ,和代表第k個(gè)有限元的初等函數(shù)；表示第k個(gè)有限元的表面積。通過(guò)解(4)式，我們得到(i=1,2,N) ，N表示第N個(gè)待測(cè)傳感器的序列號(hào).1、計(jì)算. 2. 檢查是否滿足條件，在這里表示確定函數(shù)極小值的精確度。3. 如果第4條滿足上式，則所求的解等于；否則，用梯度變化率法重新求函數(shù)的極小值，我們會(huì)得到下一個(gè)近似值，在這里要用到遞推關(guān)系式，其中代表矩陣對(duì)角線的階數(shù)。4. 返回第3個(gè)步驟，重新求的值.5 結(jié)論本文在研究高層建筑物鋼筋混凝土構(gòu)成要件的強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)采用實(shí)足模型，開發(fā)新的運(yùn)算方法和裝置。為了得到電磁場(chǎng)的原始信息，引入了高精度電磁傳感器模型，把測(cè)量的結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，

13、我們得到用傳感器周圍的電磁場(chǎng)模擬的結(jié)果與直接測(cè)量法，其結(jié)果是互相吻合的。結(jié)論研究的方法用于土木和醫(yī)療復(fù)雜系統(tǒng)的診斷。 參考文獻(xiàn)1 T·貝特曼, T·波克,阿里克謝·布爾加科夫.三維建筑模型概論，第31屆國(guó)際自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)交流會(huì)，2014年7月911日，澳大利亞，悉尼技術(shù)大學(xué)，2014，頁(yè)碼：778-783.2 L·瓦蘭德，霍夫曼，蔣軍松，J·托姆林.多自主體系統(tǒng)四旋翼螺旋飛行器控制測(cè)試：滑行模型與機(jī)器學(xué)習(xí)算法.智能機(jī)器人系統(tǒng)，2005年IROS會(huì)議，頁(yè)碼：3712-3717.3 M·蘇萊曼尼，W.R.B.里昂哈特.電器和電子工程師協(xié)會(huì)：復(fù)原三維靜磁導(dǎo)圖像，第1卷，第4期，2005年4月，頁(yè)碼：1274-1279.4 尼古拉·吉爾巴托科.鐵磁材質(zhì)產(chǎn)品的自