用于铁路屋盖网架的减震装置及其螺栓松动和裂纹扩展的检测方法

本发明属于铁路屋盖网架减震及健康监测领域，尤其涉及一种用于铁路屋盖网架的减震装置及其螺栓松动和裂纹扩展的检测方法。

背景技术：

1、在众多结构体系中，空间钢结构具有轻质高强、材质均匀、装配程度高等特点，相比于其他结构，钢结构的可拆可卸、安装简单、施工迅速等特点使钢结构在建筑领域占据了重要的位置。如今很多铁路屋盖都采用球节点网架结构，在铁路站这个应用场景中，振动是影响球节点网架结构服役寿命的一个重要影响因素，并且在长期复杂多变的环境以及工作状态下，很容易产生螺栓松动、裂纹扩展等问题。

2、由于网架结构跨度大，铁路屋盖网架处于长期使用的环境中，使得减震装置的安装以及结构的健康监测的具体实施十分困难，很多通过设计减震支座的方法并不适用于已经使用的网架结构，并且一种简便高效的检测方法来检测网架结构尤其节点连接处是否健康。

3、综上所述，需要设计一个适用于铁路屋盖网架结构的减震装置以及能够有效检测螺栓松动和裂纹扩展的方法。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明提出了一种用于铁路屋盖网架的减震装置及其螺栓松动和裂纹扩展的检测方法，该减震装置可以有效的削弱铁路屋盖网架的振动，延长网架结构的使用寿命，该检测方法可以通过一组传感器获得螺栓松动和裂纹扩展两种信息，且安装方便，检测精准。

2、本发明提供如下技术方案：

3、用于铁路屋盖网架的减震装置，铁路屋盖网架包括侧支管、上支管和球节点，侧支管和上支管固定连接在球节点上，整个装置对称于侧支管之间，包括第一减震模块、第二减震模块和第三减震模块。第一减震模块连接于上夹管和下夹管上并固定于侧支管上，第二减震模块承载于上内夹管通过滑轨活动连接，第三减震模块通过弹簧阻尼连接于上内夹管，通过弹性支柱支撑于下内夹管。压电陶瓷(ptz1)及相关电路板、信号放大器安置在上内夹管腔中，压电陶瓷(ptz2)及相关电路板、信号放大器安置在上支管管拖中。

4、作为本发明的进一步改进，所述第一减震模块包括上定位销、上顶轴、弹簧一、下顶轴、下定位销和侧支臂。上定位销通过槽口连接于上外夹管支臂孔。上定位销和上顶轴相连接，下顶轴和下定位销相连接，上顶轴和下顶轴分别设置旋钮一和旋钮二，可以控制弹簧一的长度。下定位销通过底柱连接于下外夹管支臂孔。上定位销和下定位销分别开设槽口一和槽口二，上支臂和下支臂可以在槽口中上下活动，侧支柱固定于上支臂和下支臂间，套筒内设有弹簧。

5、作为本发明的进一步改进，所述上外夹管支臂开设上外夹管支臂孔并连接于上外夹管支座，上外夹管与上内夹管固定连接，滑轨用于承载连接第二减震模块，方形槽用于连接弹簧阻尼。

6、作为本发明的进一步改进，所述下外夹管支臂开设下外夹管支臂孔并连接于下外夹管支座，下外夹管与下内夹管固定连接，圆形槽用于连接弹性支柱。

7、作为本发明的进一步改进，所述第二减震模块为左右对称分布，管拖内设有传感器、电路板、信号放大器等电子原件，竖向减震立于管拖和底板间，底板通过底部滑轨可以左右活动，横向减震和弹性支撑柱设置于顶板上。竖向减震由竖向支柱和弹簧二组成，横向减震由横向支柱和弹簧三组成。弹性支撑柱下面板固定于顶板上并由滑面、主支撑柱和弹性套共同组成，侧立板上的开口用于固定横向减震。

8、作为本发明的进一步改进，所述弹簧阻尼通过方形板与方形槽固定连接，与方形缓冲板、支座板固定销一相互连接，卡槽与固定销一连接，圆形缓冲板与弹簧支柱连接，弹簧四抵在圆形缓冲板上，弹簧支柱下端固定于圆形槽，固定销二用于与固定块相连。

9、作为本发明的进一步改进，所述弹性支柱通过圆形板与圆形槽连接，螺栓一固定方形固定板与活动块，大垫圈用于方形固定板缓冲，小垫圈用于活动块缓冲，螺栓二连接螺栓垫板与柔性块，基柱通过圆槽与柔性块连接.

10、作为本发明的进一步改进，所述第三减震模块包括固定块、固定块连接件和缓震中心，u形槽与弹簧阻尼连接，圆形固定槽与弹性支柱连接，固定块连接件通过滑槽连接固定块与缓震中心。

11、作为本发明的进一步改进，所述缓震中心由上夹板、下夹板和侧支撑板主要组成，方形孔用于连接固定块连接件，立柱用于不同方向配重，配重块连接横向支撑，柔性杆连接横向支撑与空腔，空腔用于空气减震，轴承连接下旋块。

12、本发明的另一个目的是提供一种网架结构螺栓松动监测方法，基于上述装置，包括如下步骤：

13、s11、将压电陶瓷(ptz1)安置在上内夹管腔中，压电陶瓷(ptz2)安置上支管管拖中。

14、s12、确认传感器的连接状态，需要连接对应的信号放大器、接收器以及计算机。

15、s13、当有振动激励时，pzt1自身的逆压电效应将电能转化成机械能，ptz1利用这种特性产生的应力波信号将从球节点经过节点与管道的相交处的螺栓上，再传输到管道处，直至ptz2接受到应力波信号第一次信号传递完成。

16、s14、ptz2接收到应力波信号后，利用自身既是传感器又是驱动器的特性，再由于时间反演特性，ptz2将正电压效应将机械能转换为电能，将电能作为新的信号向ptz1传输。

17、s15、ptz2的正电压效应和ptz1的逆电压效应共同传递至波源信号处形成聚焦信号。对比健康状态下的聚焦信号和损伤状态下的聚焦信号，如果对比一致表示损伤没有发生，如果对比不一致表明节点和管道连接处的螺栓产生了松动。

18、需要说明的是初始信号x(t)与聚焦信号y(t)的关系为x(t)＝cy(t)，式中c为结构本身的传递函数，初始信号为引起屋盖震动所产生的信号。

19、本发明的另一个目的是提供一种网架结构裂纹扩展检测方法，基于上述压电陶瓷工作原理，包括如下步骤：

20、s21、将压电陶瓷(ptz1)安置在上内夹管腔中，压电陶瓷(ptz2)安置上支管管拖中。

21、s22、确认传感器的连接状态，需要连接对应的信号放大器、接收器以及计算机。

22、s23、由于结构的机械抗阻和pzt的导纳值存在耦合关系，所以pzt片的导纳值变化可以反应结构损伤，获得健康状态和损伤状态下的应力波信号。

23、s24、根据健康工况下的导纳曲线确定敏感片段，将损伤工况下的敏感片段与健康工况下的敏感片段对比，确定是否有损伤发生。

24、s25、将公式作为损伤判定指标，将处理后的导纳值，输入到bp神经网络中，式中z1为健康状态下所采集的信号能量值，z0为实时损伤状态下所采集的信号能量值，i为频率点。

25、s26、神经网络通过大量的样本训练，建立bp神经网络，确定结构设计以及参数选择，最终完成对损伤的识别。

26、与原有技术相比，本发明可以在不改变网架结构的基础上直接在球节点与管道之间安装减震装置，并且减震装置具有良好的减震效果，可以极大的延长钢结构的使用寿命，并且提出了一种高效的检测方法，使用一套压电传感器即可获得螺栓松动和裂纹扩展两种信息，且极大的降低人力与时间的消耗，并保证施工人员的人身安全，具有极高的实用性。