悬浇梁偏载智能监测及平衡方法与流程

本技术涉及建筑工程，更具体地说，涉及悬浇梁偏载智能监测及平衡方法。

背景技术：

1、在现代建筑工程中，悬浇梁作为一种常见的结构元件，承担着重要的荷载传递和支撑功能。然而，由于施工过程中的各种复杂因素，如材料特性变化、施工操作误差以及环境条件变化等，常导致悬浇梁出现偏载现象。偏载不仅会影响结构的整体稳定性和安全性，还可能加速结构疲劳、增加维护成本，甚至引发结构失效风险。

2、传统上，悬浇梁的偏载监测和调整通常依赖于定期的人工检查或间歇性的传感器监测，这种方式存在以下几个主要问题：一是无法实时捕捉和反映偏载的动态变化，导致难以及时采取有效的调整措施；二是依赖于人工判断和经验，容易受主观因素和误差影响，降低了调整的准确性和效率；三是缺乏系统化的智能分析和优化机制，无法在复杂工程环境中进行全面的结构性能评估和优化。

3、综上所述，如何实现悬浇梁结构的智能化监测和动态平衡调整，有效提升悬浇梁在施工过程中的结构安全性和稳定性，已经成为亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本技术的目的在于针对上述问题，提供悬浇梁偏载智能监测及平衡方法，包括以下步骤。

2、步骤1，在悬浇梁的两个悬臂端分别布置一系列测量传感器，实时获取两悬臂端的载荷、挠度和倾斜数据并传输至现场监测分析平台。

3、步骤2，在现场监测分析平台，实时计算梁身的受力状态，判断是否存在显著偏载情况。

4、步骤3，根据偏载程度与施工阶段因素，生成多个平衡方案；考虑施工便利性、经济性和安全性因素，求解最优平衡方案。

5、步骤4，将最优平衡方案分解为具体的施工作业流程并下发至施工现场执行。

6、步骤5，实时监测平衡调整过程中的载荷、挠度和倾斜数据，确保梁身受力状态得到有效改善。

7、步骤6，在平衡调整达到预期效果、梁身整体受力状态满足安全要求后，持续监测梁身状态，如出现新的显著偏载，则自动重复步骤3-5，进行新一轮主动平衡。

8、进一步的，步骤1包括以下步骤。

9、沿悬浇梁两个悬臂端的横向和纵向等间距布置应变传感器，用于测量梁身的应力分布情况。

10、在悬臂端区域安装高精度的位移传感器，测量梁身在垂直和水平两个方向上的挠度变形情况。

11、在梁端区域安装倾角传感器，准确测量梁身在俯仰面和横滚面的倾斜角度。

12、根据施工阶段和梁身跨度大小，确定各类传感器的数量和布置位置，并保证所有传感器正常工作和数据传输。

13、采用无线数据传输方式，将各传感器的测量数据实时传输至现场监测分析平台。

14、进一步的，步骤2包括以下步骤。

15、步骤2.1，建立悬浇梁的有限元分析模型，精确模拟梁身的几何形状、材料属性、边界条件和施工阶段。

16、步骤2.2，将步骤1获取的应变、挠度和倾斜数据导入有限元分析模型，作为输入载荷条件，进行有限元计算分析，具体计算公式为：p(t)=p0+∑i=1nwi·di(t)，其中，p(t)是时变载荷；p0是静态载荷；di(t)是第i个传感器测得的数据随时间变化的函数；wi是权重系数，用于调节各传感器数据对载荷的贡献；n为传感器的数量。

17、步骤2.3，结合有限元计算分析结果，预测梁身整体的内力和应力分布，包括正常力、剪力和扭矩，全面评估梁身的受力状态，其中，正常力n通过静力平衡方程得到：n=∫aσ·da；剪力v通过横截面的力的平衡得到：v=dm/dx；弯矩m通过横截面的力和力矩的平衡得到：m=-∫ay·σ·da，其中，σ是应力，σ=c·ε，c是材料的弹性模量，ε是应变；a是横截面的面积；y是到横截面某点的距离；dx是长度的微元。

18、步骤2.4，将预测的受力状态与设计标准和施工控制值进行对比，当某些区域的应力超过预警阈值时，判定存在显著偏载情况。

19、步骤2.5，基于预测的受力状态和偏载情况，对梁身承载能力进行评估，判断是否存在显著的偏载和失稳风险。

20、步骤2.6，如果未发现显著偏载，则持续实时监测，循环执行步骤2.1-步骤2.5，确保梁身受力状态长期安全稳定。

21、步骤2.7，如果发现存在显著偏载，则自动触发预警，并输出偏载的具体位置、程度和形态信息。

22、进一步的，建立悬浇梁的有限元分析模型，精确模拟梁身的几何形状、材料属性、边界条件和施工阶段包括以下步骤。

23、基于设计图纸,利用有限元建模软件准确创建梁身的几何模型,真实再现梁身的详细几何信息。

24、根据混凝土配合比设计和实测数据,为几何模型赋予材料属性参数,包括弹性模量、泊松比、压缩强度、拉伸强度和收缩系数。

25、将已知的边界条件引入几何模型,精准模拟梁身实际的受力和约束状况。

26、按照施工工序将浇筑过程分为多个阶段,在几何模型中逐步模拟梁身浇筑、混凝土养护和初步固化的过程。

27、针对不同施工阶段,动态调整几何模型中的混凝土材料参数和边界条件,精确再现梁身在各阶段的实际工况状态。

28、根据实际布设的传感器位置,对应调整几何模型中的节点载荷和约束位置,提高模型与实际状况的一致性。

29、进行有限元网格划分,并开展收敛性分析,优化网格密度和单元类型,确保计算结果的精确可靠。

30、进一步的，偏载评估采用如下公式：pload=f/a，其中，pload是载荷应力；f是梁受到的载荷力，若pload超过材料的屈服强度或许可应力，则判断存在偏载情况；a为梁的横截面积。

31、失稳风险评估采用临界载荷分析，具体公式为：pcr=π2ei/(kl)2，其中，pcr是梁的临界压强，即失稳载荷；e是材料的弹性模量；i是梁的惯性矩；k是修正系数，l是梁的长度；若梁所受载荷超过了其临界载荷pcr，则存在失稳风险。

32、进一步的，步骤3包括以下步骤。

33、步骤3.1，根据步骤2输出的偏载位置、程度和形态信息，结合当前施工阶段的约束条件，生成多个初始平衡方案。

34、步骤3.2，建立平衡方案优化模型，将施工便利性、经济性和安全性因素形式化为目标函数，并根据实际需求为各目标函数赋予权重系数。

35、步骤3.3，将初始平衡方案导入平衡方案优化模型，采用多目标优化算法，在满足约束条件的前提下，生成一组pareto最优解，以在不同目标函数下分别达到最优。

36、步骤3.4，基于目标函数权重系数，对pareto最优解进行综合评判，并从中选出一个权衡各目标函数后的总体最优方案，作为施工指令的决策依据。

37、进一步的，步骤3.1中，初始平衡方案集合k平衡表示为：k平衡={∑j=1m(wp·pj+wd·dj+ws·sj)+wc·c}，其中，m是偏载位置的数量；pj表示第j个偏载位置，pj∈p，p为偏载位置向量，p=[p1,p2,…,pm]；dj表示偏载程度向量中的第j个元素，dj∈d，d为偏载程度向量，d=[d1,d2,…,dm];sj表示偏载形态向量中的第j个元素，sj∈s，s为偏载形态向量，s=[s1,s2,…,sm];c表示当前施工阶段的约束条件；wp,wd,ws,wc为各因素的权重系数，用来调节各因素对初始平衡方案的贡献。

38、进一步的，步骤3.2中，平衡方案优化模型的总目标函数ftotal表示为：ftotal=we·fe+wc·fc+ws·fs，其中，fe,fc,fs分别表示施工便利性、经济性和安全性的目标函数；we,wc,ws分别为施工便利性、经济性和安全性目标函数的权重系数，满足we+wc+ws=1。

39、进一步的，步骤3.1包括以下步骤。

40、从步骤2获取偏载的具体位置信息，判断出发生偏载的梁身区段。

41、根据偏载区段的应力分布形态，分析引发偏载的主要原因。

42、评估偏载的程度，计算出偏载区段的应力值与设计允许值的偏差，确定是属于临界偏载还是潜在安全隐患。

43、结合当前施工阶段的实际条件，确定平衡施工可能受到的各种约束。

44、针对不同偏载形态，在满足约束条件的前提下，制定出多种可能的平衡调整方案。

45、对于每个可能的平衡调整方案，进行受力分析，预判其对偏载的平衡效果，形成多个候选的初始平衡施工方案。

46、进一步的，偏载区段的应力值与设计允许值的偏差通过以下公式计算：△σ=σactual-σallowable，其中，△σ为偏载区段的应力偏差；σallowable是设计允许的应力值；σactual是偏载区段的实际应力值，σactual的计算公式为：σactual=f偏载/a偏载,f偏载是偏载区段所受的载荷力，a偏载是偏载区段的截面积；当△σ大于临界应力偏差阈值σcritical时，为临界偏载状态，表示偏载严重，需要立即采取措施进行调整和平衡，以确保结构安全；当△σ介于安全应力偏差阈值σsafe与临界应力偏差阈值σcritical之间时，为潜在安全隐患状态，表示存在偏载，但还没有达到危险程度，需要监控或进行适当调整；当△σ小于或者等于安全应力偏差阈值σsafe时，为安全状态，表示不需要采取平衡措施。

47、进一步的，对于每个可能的平衡调整方案，进行受力分析，预判其对偏载的平衡效果，形成多个候选的初始平衡施工方案，包括以下具体步骤。

48、将每个可能的平衡调整方案转化为梁身有限元模型中的载荷和约束条件变化。

49、在修改后的有限元模型中进行受力分析计算，得到平衡调整后梁身整体的内力和应力分布情况，并与调整前的受力状态进行对比。

50、针对每一种可能的平衡调整方案，根据其对偏载区段应力的改善效果，计算一个定量化的平衡效率评分，作为形成候选初始方案的判据。

51、对评分较高且平衡效率较佳的调整方案，结合施工现场的约束条件进行进一步分析，评估其施工的可行性和所需资源消耗，并适当调整方案细节。

52、将综合评分较高、平衡效果好且施工可行的调整方案，正式确定为候选的初始平衡施工方案，并输出其实施步骤与所需资源清单信息，为后续优化提供初始方案储备。

53、进一步的，针对每一种可能的平衡调整方案，根据其对偏载区段应力的改善效果，计算一个定量化的平衡效率评分，包括以下步骤。

54、对于每种平衡调整方案，计算调整后的应力分布，具体计算公式为：σadjusted(x)=(madjusted(x)/i)·y，其中，σadjusted(x)是调整后距离梁起点x处的应力；是调整后距离梁起点x处的弯矩；i是梁的截面惯性矩；y是截面内某点到截面重心的距离。

55、计算偏载区段调整前后的应力均方根值，具体计算公式为：rmsadjusted=√(1/l·∫0lσadjusted(x)2dx),rmsoriginal=√(1/l·∫0lσoriginal(x)2dx)，其中，l是偏载区段的长度；dx表示积分过程中的微元；∫0l表示对整个偏载区段进行积分；σoriginal(x)是调整前距离梁起点x处的应力；rmsoriginal是调整前的应力均方根值；rmsadjusted是调整后的应力均方根值。

56、计算平衡效率评分，具体计算公式为：e=(rmsoriginal-rmsadjusted)/rmsoriginal×100%，其中，e是平衡效率评分，表示应力改善的百分比。

57、进一步的，步骤3.2包括以下步骤。

58、针对施工便利性因素,量化施工作业量、作业时间、人力投入和材料消耗指标,将其形式化为第一个目标函数,以最小化总体施工难度为优化目标。

59、对于经济性因素,计算各平衡方案所需的成本支出,将其形式化为第二个目标函数,以最小化总体经济成本为优化目标。

60、针对安全性因素,评估各方案在实施过程中的潜在安全风险,将其量化为风险发生率,形式化为第三个目标函数,以最小化安全事故风险为优化目标。

61、根据工程实际情况的需求,对上述三个目标函数分别赋予权重系数,以体现不同目标在决策中的重要程度。

62、将施工便利性、经济性和安全性三个目标函数及其权重系数,统一纳入多目标优化模型的目标函数中。

63、将施工现场的实际条件形式化为优化模型的约束条件。

64、进一步的，步骤3.3包括以下步骤。

65、将多个初始平衡方案，以规范化的数据格式导入平衡方案优化模型的求解空间中。

66、对平衡方案优化模型的目标函数和约束条件进行符号化表达，并选择多目标优化算法作为求解器。

67、启动多目标优化算法，在满足施工现场约束条件的前提下，遍历求解空间中所有可能的解，寻找在不同目标函数下分别最优的解。

68、对于每一个目标函数，多目标优化算法均输出一个最优解，并组成一个pareto最优解集。

69、从pareto最优解集中，筛选出在各目标函数下均达到较优水平的解，作为候选的综合平衡施工方案储备。

70、进一步的，步骤3.4包括以下步骤。

71、对步骤3.3输出的pareto最优解进行遍历，计算每个解在各目标函数上的加权得分。

72、根据加权得分从高到低的顺序，对pareto最优解集进行排序，将综合得分最高的解暂定为潜在的总体最优方案。

73、对潜在总体最优方案在各目标函数上的具体表现进行分析，评估其在施工便利性、经济性与安全性方面的优缺点。

74、依次检视其他综合得分较高的解，对比它们在不同目标函数下的权衡情况。

75、如果发现有其他解在某些目标函数下的表现明显优于潜在总体最优解，则需要综合权衡各目标的重要程度，并确定一个最终的总体最优平衡施工方案，同时给出该方案在各目标函数下的具体取值。

76、将确定的总体最优方案输出，并形成规范的施工作业指令，作为后续步骤4的决策依据。

77、进一步的，步骤4包括以下步骤。

78、步骤4.1，按照施工工序、作业内容和作业位置，对最优平衡方案进行分解，生成详细的施工作业清单。

79、步骤4.2，依据施工作业清单，为每一施工作业制定具体的作业指导书，明确作业要求和实施步骤。

80、步骤4.3，将作业指导书数字化，按照各工序的时间节点，有序下发至现场施工人员，同时合理安排物资进场计划。

81、步骤4.4，按顺序有序实施各项施工作业，实时采集作业进度数据并反馈至现场监测分析平台。

82、步骤4.5，如遇实际情况与预期不符，现场监测分析平台根据反馈信息实时优化调整作业指导书，确保安全高效实施。

83、进一步的，步骤5包括以下步骤。

84、步骤5.1，在平衡调整施工作业实施过程中，持续对梁身的应力、挠度和倾斜角度进行实时监测，以秒级采样频率收集数据。

85、步骤5.2，将实时监测数据持续传输至现场监测分析平台，并导入有限元分析模型中进行动态计算分析，实时更新梁身整体的受力状态。

86、步骤5.3，对比平衡调整前后的受力状态变化情况，评估偏载区域的应力是否得到显著改善，确认平衡效果是否达标。

87、步骤5.4，若检测到偏载区域的应力调整幅度不够理想，现场监测分析平台将自动优化调整施工作业指令，实时下发至施工现场。

88、步骤5.5，根据优化调整的作业指令，调整平衡施工方案的实施步骤和作业位置，以进一步改善梁身受力状态。

89、步骤5.6，重复执行步骤5.1-5.5，持续监测和动态优化调整，直至偏载区域的应力降至安全水平，确保梁身受力状态得到根本改善。

90、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果。

91、1）本技术通过在悬臂端部署多种传感器实时监测载荷、挠度和倾斜数据，并结合有限元分析模型精确评估梁身的受力状态。

92、2）本技术基于实时监测数据和有限元分析结果，能够快速判断偏载情况并生成多个优化平衡方案，考虑施工便利性、经济性和安全性因素，从中选取最优方案进行施工调整，不仅确保了悬浇梁结构的长期安全稳定，还提高了施工效率和资源利用率，有效降低了工程风险和成本。