【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于建筑物清除冰雪，尤其涉及拱形结构除冰雪，具体为一种基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法。
技术介绍
1、一些拱形的建筑在冬季时顶部和外壁常会有冰雪冻结物不易清除，具有除冰雪需求。现有技术中一般采用除雪机或加热处理进行建筑外部冰雪的清除。但采用除雪机，往往需要设备在拱形建筑表面行走，需满布拱形架设轨道，非常不方便，而且成本较高。而如果采用加热的方式，建筑空间面积大，升温耗时长，消耗能源多，且存在火灾隐患。因此需要一种高效、节能、安全可靠的除雪方法。
技术实现思路
1、基于上述缺陷，本专利技术提供一种基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
2、一种基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，包括以下步骤：
3、步骤1：架设和调试设备：将振动加载设备固定于拱形结构拱架上；将形变量测设备固定于其下方的地面上；设定拱形结构拱架上的位点为记录形变特征点位，通过形变量测设备记录形变特征点位的初始位置s0；
4、步骤2：寻找拱形结构自振频率：通过振动加载设备对拱架持续施加周期往复荷载激励fi，
5、fi＝f0×g(fi,t)，
6、其中：g(fi,t)为与第i档荷载的激励频率fi和时间t相关的归一化周期往复荷载激励函数，fi为幅值为f0且形式为g(fi,t)的周期往复荷载；
7、fi根据设定的频率变化区间和频率变化间隔由低至高变化，并根据设定的每档周期往复荷载fi的作用时长或往复加载总圈数
8、步骤3：基于结构自振频率进行除冰雪加载：采用步骤2中获得的结构自振频率f0，通过振动加载设备对拱架持续施加周期往复荷载激励f：
9、f＝fj×g(f0,t)，
10、其中：g(f0,t)为与结构自振频率f0和时间t相关的归一化周期往复荷载激励函数；f为与预设的每档荷载激励幅值fj和形式g(f0,t)对应的周期往复荷载；
11、荷载激励幅值fj根据设定的振幅变化区间和振幅变化间隔由低至高变化，并根据设定的每档周期往复荷载f的作用时长或往复加载总圈数进行加载；逐级加大荷载激励振幅fj直到达到以下设定的任意一个条件后保持恒定：条件一、冰雪开始显著脱落；条件二、达到预先设定的不影响结构安全的最大值；
12、步骤4：完成除冰雪作业：达到设定的周期往复荷载作用总圈数或持续总时长后停止加载，或人工停止加载。
13、对于形变特征位点的设置，步骤1中，所述形变特征点位设置于拱形结构两个三分位点之间的任意一点。
14、更优选的方案为：所述形变特征点位设置于拱形结构的顶点。
15、对于振动加载设备位置的优选，所述振动加载设备设置于拱形结构两个对称设置的四分位点之间的任意一点或几点，设置多台振动加载设备时，各个振动加载设备之间等间距分布。
16、一种优选方案为：步骤1中设置有1台振动加载设备，所述振动加载设备设置于拱形结构的顶点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方。
17、第二种优选方案，步骤1设置有两台振动加载设备，两台振动加载设备分别设置于拱形结构的三分位点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方；步骤4中，两台振动加载设备同时施加对称向外侧或者向内侧的周期往复荷载f；或者同时施加反对称周期往复荷载f，一台施加向内侧的作用力，另一台施加向外侧的作用力。
18、第三种优选方案，步骤1中设有3台振动加载设备，3台振动加载设备分别设置于拱形结构的四分位点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方；步骤2中，分别获得中间振动加载设备的结构自振频率和左右两个振动加载设备的结构自振频率；3台振动加载设备中左右两台施加向内侧的作用力，中间一台施加与左右两台相反的向外侧的作用力；或者左右两台施加向外侧的作用力，中间一台施加与左右两台相反的向内侧的作用力；或者一侧的一台施加向内侧作用力，另一侧的一台施加与之相反的向外侧的作用力，中间加载设备施加与两侧设备合力同向的作用力。
19、所述振动加载设备优选为激振器。
20、所述周期往复荷载激励的形式包括正弦波激励、锯齿波激励、三角波激励和脉冲波激励。其中锯齿波加载较简单，为优选方案之一。脉冲波激励或正弦波激励也有各自的优势，脉冲波激励对于主体结构的瞬间动力效应最大，容易导致冰雪与主体结构的脱离。而正弦波激励是激振器中普遍存在的激励形式，可以降低对本方案采用的激振器的限制。
21、正弦波激励：
22、锯齿波激励：
23、三角波激励：
24、脉冲波激励：
25、其中：t为加载时间，f为加载频率，n为重复周期的数目，ξ0为每个周期内脉冲出现的时间位置。
26、本专利技术的技术原理：
27、(1)结构自身不同部位发生相对差异变形时，会导致覆盖其上的冰雪间撕裂，并使冰雪与结构间的粘结层开裂，从而有利于冰雪滑落；
28、(2)寻找到结构自振频率后以自振频率进行激励，可以以最小的激励荷载获得最大的结构变形，有利于控制成本，同时对结构造成的附加内力小，对结构安全有利；
29、(3)拱形结构以对称振型和非对称振型为最主要的振动模态，更高阶的模态不易被激振，需要的激振能量很大，对结构造成的附加内力大而可能影响结构安全，故主要针对对称振型和非对称振型进行激励荷载加载。附图2、3分别为拱形结构典型对称变形模态和非对称变形模态。
30、本专利技术的有益效果：
31、本专利技术的一种基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，能够有效且高效的清除拱形结构建筑的外壁的冰雪，且占地面积小、快捷、安全，成本低。具体如下：
32、1)均基于小型设备进行合理组合和运用，成本低廉；携带和安装方便，且无需在拱棚结构上提前架设轨道，施工快速简便；
33、2)均在拱棚内部进行作业(避免了下雪和结冰期间在外部甚至在拱棚顶部作业)，施工条件友好，可以更好地保障人员和设备安全；
34、3)由于当结构达到共振时仅需输入很少的能量即可产生显著变形，故除冰雪时消耗的能源显著低于传统方式(例如火烤、大型除雪设备等)；
35、4)撒除雪盐方式进行除雪其起效时间长，且工业用盐对土壤和水体的污染严重。本方法采用机械方式除冰雪，效果立竿见影，且无环保问题；
36、5)如果对拱棚结构采用拉索进行牵拉振动，由于拉索受力过程中弹性变形可能会降低激励荷载施加效率，故将设备直接固定在拱棚结构上施加荷载更加直接高效，对荷载施加的控制更加精准，对微小形变也能进行精度测量。
37、下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。
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1.一种基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中，所述形变特征点位设置于拱形结构两个三分位点之间的任意一点。
3.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中，所述形变特征点位设置于拱形结构的顶点。
4.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱形结构除冰雪方法，其特征在于：所述振动加载设备设置于拱形结构两个对称设置的四分位点之间的任意一点或几点，设置多台振动加载设备时，各个振动加载设备之间等间距分布。
5.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中设置有1台振动加载设备，所述振动加载设备设置于拱形结构的顶点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方。
6.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1设置有两台振动加载设备，两台振动加载设备分别设置于拱形结构的三分位点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方；步骤4中，两台
7.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中设有3台振动加载设备，3台振动加载设备分别设置于拱形结构的四分位点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方；步骤2中，分别获得中间振动加载设备的结构自振频率和左右两个振动加载设备的结构自振频率；3台振动加载设备中左右两台施加向内侧的作用力，中间一台施加与左右两台相反的向外侧的作用力；或者左右两台施加向外侧的作用力，中间一台施加与左右两台相反的向内侧的作用力；或者一侧的一台施加向内侧作用力，另一侧的一台施加与之相反的向外侧的作用力，中间加载设备施加与两侧设备合力同向的作用力。
8.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：所述振动加载设备为激振器。
9.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：所述周期往复荷载激励的形式包括正弦波激励、锯齿波激励、三角波激励和脉冲波激励。
...【技术特征摘要】
1.一种基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中，所述形变特征点位设置于拱形结构两个三分位点之间的任意一点。
3.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中，所述形变特征点位设置于拱形结构的顶点。
4.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱形结构除冰雪方法，其特征在于：所述振动加载设备设置于拱形结构两个对称设置的四分位点之间的任意一点或几点，设置多台振动加载设备时，各个振动加载设备之间等间距分布。
5.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1中设置有1台振动加载设备，所述振动加载设备设置于拱形结构的顶点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方。
6.根据权利要求1所述的基于共振效应的拱棚结构除冰雪方法，其特征在于：步骤1设置有两台振动加载设备，两台振动加载设备分别设置于拱形结构的三分位点；设置有1台形变量测设备，且设置在拱形顶点的正下方；步骤4中，两台...
【专利技术属性】
技术研发人员：张龑华，李伟，甄伟，盛平，张磊，张万开，邱意坤，张曼，王可，张逸清，
申请(专利权)人：北京市建筑设计研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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