[发明专利]压电陶瓷杆结构单双层球面网壳及杆件内力监测装置

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。