一种预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警方法及系统与流程

本发明涉及工业软件与智能运维，具体涉及一种预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警方法及系统。

背景技术：

1、在建筑工程施工中，预制桩（如预制混凝土管桩、预制混凝土方桩）和预制混凝土柱的端部连接是确保上部结构荷载有效传递至地基的关键环节。以预制桩为例，沉桩完成后，桩与桩之间的竖向连接通常采用焊接、法兰螺栓连接或灌浆套筒连接。然而，这些连接方式存在以下突出问题：

2、第一．预应力损失不可监测：预制桩在沉桩和后续荷载作用下，桩头连接部位的预紧力会因土体蠕变、温度循环、打桩振动等因素逐渐衰减。预紧力不足将导致桩头连接松动，影响桩身完整性，严重时引发桩身偏位或断裂。然而，现有技术缺乏对桩头连接部位预紧力状态的实时监测手段，更缺乏针对摩擦型桩头连接的专用状态评估方法，导致预紧力衰减成为隐蔽性极强的安全隐患。对此，虽有专利文献试图解决螺栓预紧力监测问题。例如，公开号为cn221198747u的中国专利申请公开了一种“摩擦阻尼器螺栓预紧力自动调整及监测系统”，其通过在垫片处布置荷载传感器实现对摩擦阻尼器螺栓预紧力的监测。然而，该系统针对的是建筑抗震用摩擦阻尼器，并非预制桩桩头连接工况，其传感器布置于螺栓端部垫片处，无法获取摩擦面内部的压应力空间分布信息，因而不能识别摩擦垫局部磨损不均导致的压应力分布畸变。又如，公开号为cn113380013a的中国专利申请公开了一种"具有安装提示功能的螺栓预紧力报警环件"，其采用机械式触点结构在预紧力低于设定阈值时触发报警，但该方案仅能实现单点式的超限报警，无法对预紧力衰减量进行定量计算，更无法根据衰减量换算补偿扭矩值，难以指导精准的预紧力补偿维护。

3、第二．桩头连接质量隐蔽性强：传统的焊接或灌浆连接属于隐蔽工程，连接质量难以在桩基施工完成后进行无损检测，更无法在使用过程中持续监测，给工程留下安全隐患。

4、第三．摩擦型桩头连接缺乏专用运维方法：部分工程采用摩擦型连接件进行桩头对接，但现有技术未形成针对摩擦型桩头连接的专用监测预警方法，无法根据摩擦面状态预测连接件寿命，也无法指导精准的预紧力补偿维护。

5、第四．摩擦垫寿命判定无据可依：现有技术通常采用固定年限更换或人工目视检查的方式，前者造成过早更换的资源浪费，后者则因无法及时发现内部磨损而导致过晚更换的安全风险。更为关键的是，现有技术尚未建立基于多源监测数据的摩擦垫剩余寿命量化判定算法，无法实现从"定时更换"向"预测性更换"的转变。

6、第五．预紧力补偿缺乏数据指导与闭环验证：现有技术未建立预紧力衰减量与补偿扭矩值之间的定量换算模型，也未形成补偿执行后的效果验证闭环，导致维护工作盲目、粗放。

7、第六．摩擦垫更换后监测数据断层：即使部分方案在连接件上布置了传感器，但传感器与摩擦垫多为分体结构，更换摩擦垫时必须单独拆装传感器并重新进行现场标定。这不仅操作繁琐，更导致同一位置的历史监测数据在更换后出现基准值跳变，无法形成全生命周期的连续趋势分析，严重制约了数据驱动的预测性维护。例如，公开号为cn103898928a的中国专利申请公开了一种改进型高应变法，其在预制管桩桩壁开设凹槽布设应变传感器和加速度传感器，用于桩基承载力检测。但该方案中的传感器用于检测桩身应变和加速度，并非针对桩头连接部位的预紧力状态监测，更未涉及摩擦垫更换后的数据连续性问题。同样，公开号为cn105155598a的中国专利申请公开了一种预制桩桩身表面应变计与桩侧土压力盒现场布设方法，解决了传感器安装成活率低的问题，但其应用场景仍为桩基水平承载力测试及监测，未涉及桩头连接摩擦面的预紧力监测与摩擦垫更换后的标定数据动态匹配。

8、第七．现有检测方法存在根本性缺陷：现有技术中，虽有在连接件上布置应变片或压力传感器并上传数据的方案，但多停留在单一物理量的采集与展示层面，存在以下根本性缺陷：（1）现有方案未考虑摩擦面压应力的空间分布特性，仅采用单点或表面测量，无法识别摩擦垫局部磨损不均导致的压应力分布畸变；（2）现有方案未建立预紧力衰减与补偿量的定量换算模型，维护人员只能凭经验操作；（3）现有方案未解决摩擦垫更换后的数据连续性问题，每次更换导致监测历史断层；（4）现有方案未形成“监测—评估—预警—决策—执行—验证”的完整闭环，数据价值未得到充分挖掘。因此，现有技术尚未形成适用于预制桩摩擦阻尼连接的全生命周期数据驱动运维软件系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警方法及系统，通过构建面向预制桩摩擦阻尼连接特性的专用工业软件系统，解决现有技术中预紧力状态不可精准评估、摩擦垫寿命不可量化判定、预紧力补偿无数据指导、更换后数据断层、硬件与软件割裂的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警方法，包括以下步骤：

4、s1：通过嵌入摩擦阻尼垫黄铜耗能层内的薄膜压力传感器阵列，采集摩擦面内部的压应力分布数据；

5、s2：根据所述压应力分布数据，计算平均压应力值和压应力分布均匀度指数，并结合时间序列趋势分析计算预紧力衰减率；

6、s3：根据所述预紧力衰减率和预设阈值进行分级预警，当所述预紧力衰减率大于或等于预设的第一衰减率阈值时，判定进入待补偿状态并生成相应的预警信息；

7、s4：当判定为所述待补偿状态时，根据预紧力衰减量计算补偿预紧力增量，并根据预存的扭矩-预紧力标定曲线换算为目标扭矩值，生成包含所述目标扭矩值的数字化工单；

8、s5：根据所述数字化工单，使用电动扭矩扳手将后张紧连接件的螺母拧紧至所述目标扭矩值，并回传实际扭矩值进行闭环验证；

9、s6：在持续运行过程中，并行执行摩擦垫寿命双指标判定，当累积滑移位移超过预设位移阈值，或所述压应力分布均匀度指数超过预设劣化阈值时，判定摩擦垫达到设计寿命，生成更换工单；

10、s7：维护人员根据更换工单到达现场进行摩擦垫的更换操作，当摩擦垫更换后，读取新摩擦垫端部存储芯片中的传感器身份识别码，在云端标定数据库中查询与所述传感器身份识别码对应的出厂标定曲线，根据所述出厂标定曲线自动更新基准压应力值，实现监测数据的零断层连续记录。

11、进一步地，所述步骤s2中，所述压应力分布均匀度指数u的计算公式为：

12、，其中，为各测点压应力值的标准差，为所述平均压应力值；当u超过预设均匀度阈值时，判定摩擦垫存在局部磨损不均；所述时间序列趋势分析采用移动平均法或卡尔曼滤波法，用于滤除短期荷载波动引起的瞬态噪声，提取反映材料蠕变和长期衰减的趋势压应力值；所述预紧力衰减率η的计算公式为： ，其中，为初始基准压应力值。

13、进一步地，所述步骤s3中的分级预警逻辑为：当  且 时，判定为正常状态；当  或 时，判定为预警状态，生成预警信息；当时，判定为超限状态，生成紧急报警信息；其中为第一衰减率阈值，为第二衰减率阈值，且。

14、进一步地，所述步骤s4中，所述补偿预紧力增量δn的计算公式为：，其中，为补偿系数，为摩擦面的有效接触面积；所述扭矩-预紧力标定曲线通过出厂标定试验获得，反映了特定规格后张紧连接件在特定碟簧组刚度下的扭矩与预紧力对应关系。

15、进一步地，所述步骤s5中的闭环验证逻辑为：比对所述实际扭矩值 与所述目标扭矩值，当相对偏差在预设容差范围内时，判定补偿合格，更新全生命周期数字档案；当相对偏差超出所述预设容差范围时，判定补偿不合格，重新生成数字化工单；所述步骤s6中的双指标耦合判定逻辑为：当所述累积滑移位移s超过预设位移阈值，或所述压应力分布均匀度指数u超过预设劣化阈值时，判定摩擦垫达到设计寿命；所述累积滑移位移s通过微位移传感器监测数据或基于摩擦事件能量估算法计算获得；所述步骤s7中，所述出厂标定曲线包括各传感器的零点偏移、灵敏度系数、温度修正系数。

16、一种预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警系统，包括运行于云端服务器的计算机程序，所述计算机程序用以实现本技术所述的预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警方法，所述计算机程序包括：

17、数据采集与边缘预处理模块，用于接收来自监测终端上传的摩擦面压应力分布数据，并对所述数据进行异常值剔除、时间对齐和格式标准化预处理；

18、状态评估软件模块，用于根据预处理后的所述压应力分布数据，计算平均压应力值、压应力分布均匀度指数，并结合时间序列滤波计算预紧力衰减率；

19、分级预警软件模块，用于根据所述预紧力衰减率和所述压应力分布均匀度指数执行分级预警运算；

20、补偿决策软件模块，用于当所述预紧力衰减率达到或超过预设的第一衰减率阈值时，计算补偿预紧力增量，并根据预存的扭矩-预紧力标定曲线换算为目标扭矩值，生成包含所述目标扭矩值的数字化工单；

21、闭环验证软件模块，用于接收维护人员执行补偿后回传的实际扭矩值，并与所述目标扭矩值进行比对验证；

22、摩擦垫寿命双指标判定软件模块，用于并行执行累积滑移位移估算和压应力分布劣化趋势分析，并执行双指标耦合判定；

23、标定数据动态匹配软件模块，用于当摩擦垫更换后，根据新摩擦垫的传感器身份识别码在云端标定数据库中匹配出厂标定曲线，自动更新基准压应力值。

24、一种预制桩摩擦阻尼连接预紧力监测预警系统，还包括预制桩摩擦阻尼连接件、薄膜压力传感器阵列、监测终端和所述的云端服务器，所述预制桩摩擦阻尼连接件包括第一端部连接盒体、第二端部连接盒体、预紧力连接件、可更换摩擦阻尼垫，所述第一端部连接盒体和第二端部连接盒体，分别预埋于第一预制桩和第二预制桩的端部，所述预紧力连接件包括螺栓、螺母和碟簧，螺栓穿过第一端部连接盒体端部的第一法兰和第二端部连接盒体端部的第二法兰与螺母连接，碟簧设在第二法兰与螺母之间；所述可更换摩擦阻尼垫铺设于所述第一端部连接盒体的底面与所述第二端部连接盒体的顶面之间，由上至下依次包括石墨润滑层、黄铜耗能层和不锈钢防锈层，所述石墨润滑层、所述黄铜耗能层和所述不锈钢防锈层在侧面周边通过封装胶固定连接，所述封装胶不覆盖所述石墨润滑层的摩擦面，且不覆盖所述不锈钢防锈层的底面, 所述不锈钢防锈层的两侧对称设有拉耳，所述拉耳与所述不锈钢防锈层一体成型，用于换垫时勾挂抽出；所述黄铜耗能层的上表面开设有多个呈网格状分布的安装槽，所述薄膜压力传感器阵列中的薄膜压力传感器对应安装在各个所述的安装槽中，并且薄膜压力传感器的上表面与所述黄铜耗能层的上表面齐平；所述薄膜压力传感器阵列的引线沿与所述安装槽连通的引线槽引出并汇聚连接于所述黄铜耗能层外的柔性排线，所述柔性排线与接插件公头连接；所述监测终端安装于所述第一端部连接盒体外的侧壁上并通过接插件母头与所述接插件公头连接，用以通过无线通信网络与所述云端服务器数据交互；所述监测终端的存储芯片中预存有该可更换摩擦阻尼垫的出厂标定系数、传感器身份识别码及累计使用寿命数据。

25、进一步地，所述第一法兰与第二法兰分别与第一端部连接盒体端部和第二端部连接盒体端部平齐，所述第一法兰的底面设有至少两个剪力键，所述第二法兰的顶面开设有与所述剪力键相配合的剪力键槽，所述剪力键的底面伸入到对应的所述的剪力键槽内；所述可更换摩擦阻尼垫在第二端部连接盒体端部的铺设区域与所述剪力键及所述剪力键槽在水平投影上无重叠。

26、进一步地，所述剪力键的数量为两个或三个，沿所述第一法兰的底面周向均匀布置；所述剪力键的高度为9mm～18mm，宽度为15mm～25mm；所述剪力键槽的深度为4mm～10mm，宽度为18mm～28mm，所述剪力键与所述剪力键槽之间的间隙为1mm～3mm。

27、进一步地，所述薄膜压力传感器阵列由多个薄膜压力传感器呈矩阵式布置而成，相邻薄膜压力传感器之间的间距为20mm～50mm；所述薄膜压力传感器的厚度不大于0.2mm，其上表面与所述黄铜耗能层的表面齐平，允许偏差为0mm～0.05mm；所述可更换摩擦阻尼垫的总厚度为5mm～10mm；其中，所述石墨润滑层的厚度为0.5mm～1mm，所述黄铜耗能层的厚度为3mm～6mm，所述不锈钢防锈层的厚度为1mm～2mm。

28、本发明的有益效果是：

29、一是本技术构建了一套面向预制桩摩擦阻尼连接特性的专用工业软件系统，区别于现有技术中通用的物联网数据展示平台，本发明针对预制桩桩头连接的物理特性，开发了状态评估、分级预警、补偿决策、闭环验证、寿命判定、标定匹配六大专用软件模块，形成了“数据采集—边缘预处理—云端智能计算—数字化工单生成—人工执行—效果回传验证”的完整软件闭环，实现了从“数据透传”到“智能决策”的跨越；

30、二是本技术提出了一种基于摩擦面压应力分布场的预紧力状态评估算法，通过分布均匀度分析子模块和时间序列滤波子模块的协同运算，实现了预紧力衰减的早期精准识别，能够同时发现预紧力的整体衰减和摩擦垫的局部磨损不均，区别于现有技术中基于单点测量的粗放式评估；

31、三是本技术提出了一种摩擦垫寿命双指标耦合判定算法，通过累积滑移位移估算子模块与分布劣化趋势分析子模块的并行运算，实现了摩擦垫从“定时更换”向“预测性更换”的转变；

32、四是本技术提出了一种数字化工单的自动生成与闭环验证算法，通过补偿决策软件模块的扭矩换算子模块和闭环验证软件模块的协同运行，将预紧力补偿从“凭经验估算”提升为“数据驱动精准计算+执行效果自动验证”的闭环管理，补偿精度由传统方式的±20%提升至±5%以内；

33、五是本技术提出了一种出厂标定数据的云端动态匹配算法，通过标定数据动态匹配软件模块的uuid识别与数据库查询，实现了摩擦垫更换后监测数据的零断层连续记录；

34、六是本技术传感-摩擦一体化硬件装置为软件系统提供高精度数据基础，薄膜压力传感器阵列嵌入黄铜耗能层表面的浅槽内，感压面与黄铜层齐平，封装胶仅固定侧面及底面，不覆盖感压面，确保摩擦面完整连续的同时，为状态评估软件模块提供真实的空间分布数据；引线封装于垫层内部的柔性排线中，与垫层一体成型，更换时随垫抽拉，保障软件系统的数据连续性；

35、七是本技术法兰外移限位硬件构造保障软件系统的可维护性，剪力键布置于法兰面上，摩擦垫铺设于中央区域，两者水平投影无重叠，换垫时无需大幅顶升，确保软件系统发出的更换工单能够在现场高效执行；

36、八是本技术预紧力补偿直接拧螺母即可实现，与软件系统高度协同，云端软件自动计算目标扭矩值，维护人员仅需按数字化工单使用电动扭矩扳手拧紧螺母，执行结果自动回传软件系统验证，形成人机协同的精准运维模式；

37、九是本技术特别适用于预制桩、预制混凝土柱等建筑预制构件的端部连接运维，实现了桩基施工后连接质量的可视化、可量化、可追溯管理，将传统隐蔽工程转化为可监测、可预警、可维护的智慧工程，为建筑施工企业提供了从施工到运维的完整数据链条。