公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法

621 编辑：中冶有色技术网来源：重庆大学

2024-05-31 15:13:27

权利要求书： 1.一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：通过现场预试验采集风机基础冲激响应时间历程，利用公式1求取测点传递函数，采用相邻敲击位置的传递函数相关值，作为一致性分析的特征参数对各测点传递函数进行一致性分析，传递函数相关值通过公式2算出；根据一致性分析结果确定公路隧道风机基础稳定性分析模型单元划分距离；

(1)将预埋钢板每隔1cm进行脉冲敲击试验，分别求取其传递函数，即公式1，并对相邻敲击位置作传递函数相关性分析，即公式2，计算其相关值r1；

式中：X(w)为脉冲激励信号的傅里叶变换；Y(w)为响应信号的傅里叶变换；为第j次脉冲敲击试验的传递函数的第i个元素；f为脉冲敲击试验次数；

(2)将预埋板每隔2cm,3cm,…,ncm进行脉冲敲击试验，分别求取其传递函数，并对相邻敲击位置作相关性分析，计算其相关值r2、r3…rn；

(3)相关值越大，表明两点的振动情况越一致，以此敲击距离为单元划分距离，单元数量太多，计算量大；反之，相关值越小，表明两点的振动情况差异越大；

根据冲激响应相关值R＝(r1,r2,...,rn)的分布，选取变化趋势突变点或r1,r2,...,rn中小于0.75的前一个点作为单元划分点，该单元划分点对应的敲击距离即为有限元模型中的单元划分距离；

S2：建立公路隧道风机基础稳定性分析模型，风机基础模型由预埋钢板和预埋钢筋组成，模型外观尺寸、材料和焊接方式取设计值；预埋钢筋远端和预埋钢板四周边界条件为钢板和混凝土紧密结合；预埋钢板单元尺寸取上述步骤中的单元划分距离；模型通过改变预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度模拟基础稳定状态，且能实现公路隧道风机基础冲激响应参数数值输出；

S3：通过模型数值模拟分析公路隧道风机基础稳定性，利用公式3求取公路隧道风机基础稳定性信息矩阵；

式中：aij为公路隧道风机基础模型中第i行第j列单元的稳定性信息值，计算方法为公式4：

式中：H(w)为该单元稳定状态下脉冲激励传递函数；H′(w)为该单元失稳状态下脉冲激励传递函数；δ为模型中该单元稳定状态下的预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度值；δ′为失稳状态下的预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度值；

S4：检测点的选取包含风机基础的失稳信息，将检测点的布设转换为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵区域优化划分的问题，即区域个数少且稳定信息值大为优，建立数学模型，目标函数为公式5：

λ1、λ2为模型参数，根据试验确定参数取值；n为区域个数；Θi为第i个区域内的公路隧道风机基础稳定性信息均值，计算方法为公式6：e为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中第i个区域内的元素个数；apq为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中第i个区域内的第p行第q列稳定性信息值；

S5：求解公路隧道风机基础稳定性检测点优化数学模型，得到测点个数和每个测点对应的公路隧道风机基础稳定性信息子矩阵；

S6：根据公路隧道风机基础稳定性信息子矩阵中每个元素的在公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中的位置和模型单元划分距离计算测点位置，最终得到检测点个数和测点位置。

2.根据权利要求1所述的一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法，其特征在于：所述公路隧道风机基础冲激响应参数包括各单元振动加速度、速度和位移。

3.根据权利要求1所述的一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法，其特征在于：所述步骤S5中求解公路隧道风机基础稳定性检测点优化数学模型的方法为枚举迭代、遗传、模拟退火或人工鱼群寻优算法。

说明书：一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法技术领域[0001] 本发明属于公路隧道风机技术领域，涉及一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法。

背景技术[0002] 公路隧道普遍设置有机械通风装置，而其中95％以上采用了悬挂式射流通风，所以悬挂的射流风机预埋基础的稳定性得到了人们的高度重视。

[0003] 如图1所示，射流风机的安装方式一般是先在隧道拱顶预埋钢板(A1)，预埋钢板与预埋钢筋焊(A0)接连接，然后将风机安装支架(A2)焊接在钢板上。由于风机(A3)较重，且在

运行中会产生一定的振动，对基础稳定性难免产生不良影响，所以有必要定期对预埋件基

础的稳定性进行检测。

[0004] 由于公路隧道悬挂射流风机基础稳定性检测需封闭隧道交通、高空作业、存在较大安全隐患。公路隧道风机基础稳定性检测需要布设多个测点，一般来说测点愈多，愈能全

面获取结构损伤信息，但由于现场检测时间紧、任务重，公路隧道风机基础稳定性检测点不

可能无限布设。此外，测点的布设位置也是影响公路隧道风机基础稳定性判别准确率的关

键因素。现有的公路隧道风机基础稳定检测技术中，检测位置的选取采用人工经验选点的

方式，对预埋钢板均匀布点，但这种主观布设的方式，对不同的检测人员可能不相同，不利

于该技术的具体实施且存在公路隧道悬挂射流风机基础稳定性误判的可能性。

发明内容[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法。

[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：[0007] 一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法，该方法包括以下步骤：[0008] S1：通过现场预试验采集风机基础冲激响应时间历程，利用公式1求取测点传递函数，采用相邻敲击位置的传递函数相关值，作为一致性分析的特征参数对各测点传递函数

进行一致性分析，传递函数相关值通过公式2算出；根据一致性分析结果确定公路隧道风机

基础稳定性分析模型单元划分距离；

[0009][0010][0011] 式中：X(w)为脉冲激励信号的傅里叶变换；Y(w)为响应信号的傅里叶变换；为第j次脉冲敲击试验的传递函数的第i个元素；f为脉冲敲击试验次数；

[0012] S2：建立公路隧道风机基础稳定性分析模型，风机基础模型由预埋钢板和预埋钢筋组成，模型外观尺寸、材料和焊接方式取设计值；预埋钢筋远端和预埋钢板四周边界条件

为钢板和混凝土紧密结合；预埋钢板单元尺寸取上述步骤中的单元划分距离；模型通过改

变预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度模拟基础稳定状态，且能实现公路隧道风机基础冲激响

应参数数值输出；

[0013] S3：通过模型数值模拟分析公路隧道风机基础稳定性，利用公式3求取公路隧道风机基础稳定性信息矩阵；

[0014][0015] 式中：aij为公路隧道风机基础模型中第i行第j列单元的稳定性信息值，计算方法为公式4：

[0016][0017] 式中：H(w)为该单元稳定状态下脉冲激励传递函数；H′(w)为该单元失稳状态下脉冲激励传递函数；δ为模型中该单元稳定状态下的预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度值；δ′为

失稳状态下的预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度值；

[0018] S4：基于公路隧道风机基础稳定性信息矩阵建立公路隧道风机基础稳定性检测点优化数学模型，模型以检测点个数少但尽可能的包含风机基础的稳定性信息为优，目标函

数为公式5：

[0019][0020] λ1、λ2为模型参数，根据试验确定去参数取值；n为区域个数；Θi为第i个区域内的公路隧道风机基础稳定性信息均值，计算方法为公式6：

[0021][0022] e为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中第i个区域内的元素个数；apq为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中第i个区域内的第p行第q列稳定性信息值；

[0023] S5：求解公路隧道风机基础稳定性检测点优化数学模型，得到测点个数和每个测点对应的公路隧道风机基础稳定性信息子矩阵；

[0024] S6：根据公路隧道风机基础稳定性信息子矩阵中每个元素的在公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中的位置和模型单元划分距离计算测点位置，最终得到检测点个数和测点

位置。

[0025] 进一步，所述公路隧道风机基础冲激响应参数包括各单元振动加速度、速度和位移。

[0026] 进一步，所述步骤S5中求解公路隧道风机基础稳定性检测点优化数学模型的方法为枚举迭代、遗传、模拟退火或人工鱼群寻优算法。

[0027] 本发明的有益效果在于：本发明能够避免在公路隧道风机基础稳定检测中，对预埋钢板均匀布点的主观布设的不同，从而避免公路隧道悬挂射流风机基础稳定性的误判。

[0028] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可

以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和

获得。

附图说明[0029] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

[0030] 图1为射流风机的安装方式图；[0031] 图2为本发明流程图；[0032] 图3为公路隧道风机基础有限元模型示意图。具体实施方式[0033] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实

施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离

本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示

意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相

互组合。

[0034] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不

代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是

可以理解的。

[0035] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系

为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或

暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述

位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术

人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0036] 本发明解决的技术问题在于提供一种公路隧道风机基础稳定性检测位置布设方法，如图2所示具体包括以下步骤：

[0037] 1基于冲激响应一致性分析确定公路隧道风机基础模型的单元划分距离。[0038] (1)将预埋钢板每隔1cm进行脉冲敲击试验，分别求取其传递函数(公式1)，并对相邻敲击位置作传递函数相关性分析(公式2)，计算其相关值r1；

[0039][0040][0041] 式中：X(w)为脉冲激励信号的傅里叶变换；Y(w)为响应信号的傅里叶变换；为第j次脉冲敲击试验的传递函数的第i个元素；f为脉冲敲击试验次数。

[0042] (2)将预埋板每隔2cm、3cm…ncm进行脉冲敲击试验，分别求取其传递函数，并对相邻敲击位置作相关性分析，计算其相关值r2、r3…rn；

[0043] (3)相关值越大，表明两点的振动情况越一致，以此敲击距离为单元划分距离，单元数量太多，计算量大；反之，相关值越小，表明两点的振动情况差异越大，以此距离为单元

划分距离，容易造成风机基础失稳信息的丢失。因此，根据冲激响应相关值R＝(r1,r2,...,

rn)的分布，选取变化趋势突变点或ri小于0.75的前一个点作为单元划分点，该点对应的敲

击距离即为有限元模型中的单元划分距离。

[0044] 2建立公路隧道风机基础有限元模型如图3所示，风机基础模型由预埋钢板和预埋钢筋组成，模型外观尺寸、材料、焊接方式等相关参数取设计值；预埋钢筋远端和预埋钢板

四周边界条件为钢板和混凝土紧密结合。预埋钢板单元尺寸取步骤1中的单元划分距离。

[0045] 3通过模型数值模拟分析公路隧道风机基础稳定性，求取公路隧道风机基础稳定性信息矩阵。

[0046] (1)在模型中通过改变预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度模拟基础稳定状态，稳定等级可分级制定；

[0047] (2)给模型施加脉冲激励，激励力幅值和频率范围根据公路隧道风机基础稳定性检测方法现场试验确定；

[0048] (3)计算模型脉冲激励下的公路隧道风机基础稳定性信息矩阵；[0049][0050] 式中：aij为公路隧道风机基础模型中第i行第j列单元的稳定性信息值，该值的计算方法如下：

[0051][0052] 式中：H(w)为该单元稳定状态下脉冲激励传递函数；H′(w)为该单元失稳状态下脉冲激励传递函数；δ该单元稳定状态下的预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度值；δ′该单元失稳

状态下的预埋钢筋和预埋钢板焊点的强度值。

[0053] 4检测点的选取应尽可能的包含风机基础的失稳信息，但由于现场检测安全和时间紧迫等因素不可能大规模的布设检测点。因此，可将检测点的布设转换为公路隧道风机

基础稳定性信息矩阵区域优化划分的问题，即区域个数少且稳定信息值大为优，建立数学

模型如下：

[0054] (1)目标函数：[0055][0056] λ1、λ2为模型参数，可根据试验确定去参数取值；n为区域个数；Θi为第i个区域内的公路隧道风机基础稳定性信息均值，计算方法如下：

[0057][0058] e为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中第i个区域内的元素个数；apq为公路隧道风机基础稳定性信息矩阵中第i个区域内的第p行第q列稳定性信息值。

[0059] (2)划分的同一区域内的稳定性信息矩阵元素必须相邻。[0060] 5求解步骤4所建立的数学模型，得到区域个数n和每个区域对应的公路隧道风机基础稳定性信息区域子矩阵Ai。具体求解方法可采用枚举迭代或遗传、模拟退火、人工鱼群

等寻优算法。

[0061] 6根据公路隧道风机基础稳定性信息区域子矩阵Ai中每个元素的在公路隧道风机基础稳定性信息矩阵A中的下标和模型单元划分距离计算测点位置，步骤5输出区域个数n

即为测点个数，每个区域的即为测点区域。

[0062] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技

术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明

的权利要求范围当中。