技术领域
[0001] 本
发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及预制装配构件安装的一种预制装配式构件密封垫非线性弹性反力形心算法。
背景技术
[0002]
橡胶密封垫通常被用于预制装配式结构拼装缝的防
水，构件拼装时通过
混凝土构件对橡胶密封垫的
挤压压缩，形成防水密封。根据防水密封功能要求，橡胶密封垫在构件的
接触面表面均为连续线性分布，其型式可以为直线形、曲线形或由直线和曲线共同组成的复杂线形。当构件尺度较大时，有时也会布置两条(双重密封)或更多的橡胶密封垫来强化防水性能。
[0003] 如图1A和图1B所示例，装配式构件拼装时，每一个构件(包括移动构件B-1和固定构件B-2)都需要利用若干千斤顶进行多个
螺栓孔位1的点位张拉，促使橡胶密封垫(如移动构件B-1的橡胶密封垫6和固定构件B-2的橡胶密封垫7)压缩
变形，拼装构件之间的缝隙8、9、10(以下称为接缝宽度Zi，)代表了橡胶密封垫的压缩程度，构件拼装的目标就是利用千斤顶在若干点位的张拉，使拼装构件间的各处接缝宽度8、9、10尽可能均匀。但是在装配式构件拼装张拉施工过程中，由于构件形状和橡胶密封垫的形状不规则，采用目前凭经验与观察以逐步逼近和不断调整的方法进行张拉施工无法精准确定各张拉点的张拉荷载，因此难以保证拼装构件所有接缝宽度始终一致，影响构件拼装就位
精度和
质量。与此同时，各张拉点荷载的不协调会使构件产生非预期的附加
应力。
[0004] 因此确定预制装配式构件密封垫反力形心
位置，在构件拼装过程中，尽量使橡胶密封垫的反力形心与拼装构件的几何形心重合，是保证橡胶密封垫能够被均匀挤压的重要前提。
[0005] 由于橡胶密封垫为典型的弹性非线性材料，因此其被压缩时的压缩量和反力值并非呈线性关系，尤其在接缝宽度8、9、10不同的情况下沿橡胶密封垫分布的反力是非常复杂的，在采用千斤顶对构件进行预应力张拉时，各千斤顶所施加的张拉荷载必须根据橡胶密封垫反力作用的形态来确定。当接缝宽度8、9、10均匀时，橡胶密封垫的压缩量一致，橡胶密封垫的反力形心与其几何形心是重合的；当接缝宽度8、9、10不均匀时，反力形心就会偏离几何形心，构件拼装张拉的过程实际上就是不断调整各千斤顶的张拉荷载，通过外力调整密封垫反力形心不断逼近几何形心的过程，因此，在不同的接缝宽度状态下，计算密封垫反力形心位置是确定各千斤顶张拉荷载和确保拼装张拉到位的重要前提。
[0006] 为此，本发明的设计者针对上述复杂问题，通过潜心研究，创造性的提出了一种可用于预制装配式结构构件张拉过程中计算弹性非线性橡胶密封垫整体弹性反力形心的计算方法，并可用于
计算机编程和实际应用。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种预制装配式构件密封垫非线性弹性反力形心算法，在预制装配式结构构件拼装过程中，能计算构件之间设置的防水橡胶密封垫被张拉荷载压缩至不同状态情况下计算非线性特性材料的橡胶密封垫的整体弹性反力合力形心，从而确定张拉千斤顶下一时刻的张拉荷载，以逐步逼近装配式构件张拉的目标位置，并达到事先设定的接缝宽度且保证接缝宽度均匀。
[0008] 为实现上述目的，本发明公开了一种预制装配式构件密封垫非线性弹性反力形心算法，其特征在于包括如下步骤：
[0009] 步骤一：得到预制装配式构件的图像，以确定预制装配式构件的构件结构外轮廓线、螺栓孔位和橡胶密封垫的位置；
[0010] 步骤二：对得到的图像进行校正，以更好的保持构件平面的图像与真实的一致；
[0011] 步骤三：提取图像的关键信息，获取构件平面的构件边缘、橡胶密封垫边缘以及螺栓孔位
边缘图像；
[0012] 步骤四：校正图像中构件关键信息；
[0013] 步骤五：建立构件关键图像点的坐标集，对校正后只包含构件结构外轮廓线、橡胶密封垫以及螺栓孔位的关键信息的图像，在图像上建立
坐标系，建立二维平面坐标系，定义为XOY平面坐标系，建立构件结构外轮廓线图像点坐标集、螺栓孔位中心点图像点坐标集和橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集；
[0014] 步骤六：计算橡胶密封垫几何形心K，橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的任何一点都代表了一个正方形的橡胶密封垫微段，微段长度与密封垫宽度λ等长，正方形橡胶密封垫微段的面积均为 A0＝λ2，对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点的坐标及面积对X轴、Y轴求面积距，从而计算橡胶密封垫的几何形心K，微段中心点坐标集Ω有n个点，几何形心K在XOY平面的坐标通过如下公式1和2计算：
[0015]
[0016]
[0017] 步骤七：计算橡胶密封垫的反力形心KF，待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面完全接触后，获取n个待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面的接缝宽度监测值Zi，其中i＝1,2,...,n，橡胶密封垫的实际压缩量为橡胶密封垫的初始厚度Z0与实际接缝宽度实测值的1/2 即 的减值，为 根据
传感器监测得到的n个橡胶密封垫的压缩量实测值，并在橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω对应的同一平面坐标系内建立面方程，并根据每一个点的坐标计算接缝宽度及其变形量，并按时间顺序建立动态
数据库Z。
[0018] 建立橡胶密封垫在不同压缩量下对应的变形模量数量集Es，橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点计算橡胶密封垫的弹性反力 对所有点的弹性反力Fi对坐标系X轴，Y轴求力矩，根据合力力矩与微段力矩之和相等的原则，计算橡胶密封垫的反力形心KF的坐标通过公式3和4得到：
[0019]
[0020]
[0021] 其中：步骤一中通过摄像设备拍摄橡胶密封垫所在预制装配式构件的平面，拍摄时保持相机成像平面与构件平面保持平行，以及构件平面的边缘与成像平面尽量保持平行。
[0022] 其中：步骤二中校正包含图像畸变和倾斜失真校正，利用图像畸变校正算法和倾斜校正算法对步骤一拍摄的橡胶密封垫所在的构件平面的图像进行较正处理，保证橡胶密封垫所在的构件平面图像与实际一致。
[0023] 其中：步骤四中获取只包括构件结构外轮廓线、橡胶密封垫以及螺栓孔位的关键图像信息，剔除其他非关键图像信息，其中可包含如下子步骤：
[0024] 子步骤4.1：校正构件结构外轮廓线，对构件结构外轮廓线所在区域标注全部包含结构外轮廓线的轮廓线辅助线，以辅助准确识别构件结构外轮廓线图像信息；
[0025] 子步骤4.2：校正橡胶密封垫，对构件橡胶密封垫所在区域标注全部包括橡胶密封垫的密封垫辅助线，以辅助准确识别橡胶密封垫图像信息；
[0026] 子步骤4.3：校正螺栓孔位，对构件螺栓孔位所在区域标注全部包括螺栓孔位的螺栓孔位辅助线，以辅助准确识别螺栓孔位图像信息。
[0027] 其中：步骤五中包含如下子步骤：
[0028] 子步骤5.1：针对图像中的构件结构外轮廓线识取最外端或最内端的边缘
像素点，利用图像图幅每个像素点对应的距离信息，按X 轴、Y轴顺序建立所有边缘像素点坐标集，定义为构件结构外轮廓线点坐标集Γ；
[0029] 子步骤5.2：针对图像中的螺栓孔位识取最外端或最内端的边缘像素点，由于螺栓孔位为规则形状，通过图像中心点识别算法确定螺栓孔位中心点坐标，对图像内所有螺栓孔位中心点建立坐标集，定义为螺栓孔位点坐标集Π；
[0030] 子步骤5.3：识取橡胶密封垫图像的骨架轮廓线，并对橡胶密封垫图像的骨架轮廓线的中心线进行识别，识取中心线后，建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集，橡胶密封垫中心线按照一系列直线正方形微段组成，微段长度取与密封垫宽度等长，建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω。
[0031] 其中：建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω采用以下两种方法中任一：
[0032] 1)圆截取轴线法：根据XOY平面坐标系，识取橡胶密封垫中心线任意点为起始点，以橡胶密封垫宽度λ为半径画圆，取圆与中心线的交点，并以交点为新的圆心，以橡胶密封垫宽度λ为半径再画圆，取圆与中心线的交点为下一个新的圆心，以橡胶密封垫宽度λ为半径再画圆，循环直至密封垫中心线的终点或回到起始点，按顺序记录所有交点坐标，构成橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω；
[0033] 2)坐标值遍历法：
[0034] 根据XOY平面坐标系建立橡胶密封垫中心线的坐标集Ψ，橡胶密封垫的宽度为λ，对橡胶密封垫中心线的坐标集Ψ取子集作为橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω，取橡胶密封垫的
角点Ψi为起始点，对邻近坐标点按邻近顺序逐个计算与起始点的绝对距离，当与起始点邻近的第n个点Ψi+n(n＝1,2,...,n)与起始点的绝对距离δn≥λ，其中，将点Ψi+n记入坐标集Ψ的橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω，并将点Ψi+n作为新的起始点，直至遍历坐标集Ψ的所有坐标点。
[0035] 通过上述结构可知，本发明的预制装配式构件密封垫非线性弹性反力形心算法具有如下效果：
[0036] 1、实现千斤顶作用形心的合理调整，使得密封垫反力形心与密封垫形心重合，从而实现构件拼装完成时，构件间各处密封垫压缩程度一致，构件接缝宽度一致。
[0037] 2、建立密封垫非线性弹性反力形心算法，应用于预制构件拼装，可提高预制构件拼装就位精度、质量和拼装效率。
[0038] 3、简单易用，方便实际应用。
[0039] 4、可应用在如
铁路和城市轨道交通车站、区间、出入口、
风道等装配式结构、大型地下空间开发装配式结构、地
下管线和综合管廊装配式结构、城市地下人行通道、地下行车隧道装配式结构、其他采用预制装配方式建造的类似工程，具有广泛的推广意义。
[0040] 本发明的详细内容可通过后述的说明及所
附图而得到。
附图说明
[0041] 图1A和图1B显示了本发明的预制装配式构件拼装前后的示意图。
[0042] 图1C显示了图1B中缝隙部分的放大示意图。
[0043] 图2A和图2B显示了本发明的取像位置示意图。
[0044] 图3显示了本发明的提取图像关键信息。
[0045] 图3A显示了图3中的放大示意图。
[0046] 图4显示了建立关键图像点的坐标集；
[0047] 图5A至图5C显示了本发明的一种反算橡胶密封垫各处接缝宽度的方法。
[0048] 附图标记：
[0049] 1、螺栓孔位；3、构件结构外轮廓线；7、橡胶密封垫；103、构件结构外轮廓线点坐标集Γ；101、螺栓孔位点坐标集Π；107、橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω；12、橡胶密封垫几何形心；11、橡胶密封垫的反力形心；13、橡胶密封垫微段。
具体实施方式
[0050] 参见图1A、图1B、图1C、图2A、图2B、图3、图3A、图4、图5A、图5B、图5C，显示了本发明的预制装配式构件密封垫非线性弹性反力形心算法。
[0051] 所述预制装配式构件密封垫非线性弹性反力形心算法包括如下步骤：
[0052] 步骤一：得到预制装配式构件的图像，以确定预制装配式构件的构件结构外轮廓线3、螺栓孔位1和橡胶密封垫7的位置，其中，可通过摄像设备拍摄橡胶密封垫所在预制装配式构件的平面(拼装面 4)，所述通过摄像设备对带有不同形状橡胶密封垫所在的不同预制装配式构件的平面如图2A和图2B所示，分别进行平面照片的拍摄，拍摄时应尽量保持相机成像平面与构件平面保持平行，以及构件平面的边缘与成像平面尽量保持平行。
[0053] 步骤二：对得到的图像进行校正，以更好的将构件平面的图像与真实的一致，其中，校正主要可包含图像畸变和倾斜失真校正，可利用图像畸变校正算法(通常采用多项式拟合算法)和倾斜校正算法 (如Hough变换方法或Fourier变换方法)对步骤一拍摄的橡胶密封垫所在的构件平面的图像进行较正处理，尽量保证橡胶密封垫所在的构件平面图像与实际情况一致。
[0054] 步骤三：提取图像的关键信息，获取构件平面的构件边缘、橡胶密封垫边缘以及螺栓孔位边缘图像，如图3和图3A所示。其中，可使用
图像处理函数edge函数对橡胶密封垫所在的构件平面图像进行图像边缘信息提取，获取构件平面的构件边缘、橡胶密封垫边缘以及螺栓孔位边缘图像。
[0055] 步骤四：校正图像中构件关键信息。为减少干扰，提高精度，对步骤三识别的橡胶密封垫所在的构件平面图像的关键信息利用
平板电脑手指触摸或电脑
鼠标等工具标注的方法进行人工校正，获取只包括构件结构外轮廓线3、橡胶密封垫7以及螺栓孔位1的关键图像信息，剔除其他非关键图像信息，其中可包含如下子步骤：
[0056] 子步骤4.1：校正构件结构外轮廓线，对构件结构外轮廓线所在区域利用平板电脑手指触摸或电脑鼠标等工具标注全部包含结构外轮廓线的轮廓线辅助线，以辅助准确识别构件结构外轮廓线3的图像信息。
[0057] 子步骤4.2：校正橡胶密封垫。对构件橡胶密封垫所在区域利用平板电脑手指触摸或电脑鼠标等工具标注全部包括橡胶密封垫的密封垫辅助线，以辅助准确识别橡胶密封垫7图像信息。
[0058] 子步骤4.3：人工校正螺栓孔位。对构件螺栓孔位所在区域利用平板电脑手指触摸或电脑鼠标等工具标注全部包括螺栓孔位的螺栓孔位辅助点，以辅助准确识别螺栓孔位1图像信息。
[0059] 步骤五：建立构件关键图像点的坐标集，如图4所示。对校正后只包含构件结构外轮廓线3、橡胶密封垫7以及螺栓孔位1的关键信息的图像，在图像上建立坐标系，可选择图像中的任一点O为原点建立坐标系，优选的可选择图像的角点作为坐标原点，建立二维平面坐标系，定义为XOY平面坐标系。利用图像处理技术建立构件结构外轮廓线3的图像点坐标集103、螺栓孔位1中心点的图像点坐标集101和橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集107，其包含如下子步骤：
[0060] 子步骤5.1：建立构件结构外轮廓线图像点坐标集103。针对图像中的构件结构外轮廓线识取最外端或最内端的边缘像素点，利用图像图幅每个像素点对应的距离信息，按X轴、Y轴顺序建立所有边缘像素点坐标集，定义为构件结构外轮廓线点坐标集Γ103，同时对构件结构外轮廓线图像与实际构件尺寸对比，计算图像与实际构件尺寸比例，并换算每像素点代表的实际构件尺寸，并利用计算机数据库进行存储。
[0061] 子步骤5.2：建立螺栓孔位中心点图像点坐标集101。针对图像中的螺栓孔位识取最外端或最内端的边缘像素点，由于螺栓孔位为规则形状，一般为圆形，通过图像中心点识别算法，确定螺栓孔位中心点坐标。对图片内所有螺栓孔位中心点建立坐标集，定义为螺栓孔位点坐标集Π101，并利用计算机数据库进行存储。
[0062] 子步骤5.3：自动建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集。
[0063] 由于橡胶密封垫的形状一般为有固定宽度的条状，利用
图像识别技术识取橡胶密封垫图像的骨架轮廓线，并对橡胶密封垫图像的骨架轮廓线的中心线进行识别。为简化计算，识取中心线后，建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集，橡胶密封垫中心线按照一系列直线正方形微段组成，微段长度取与密封垫宽度等长，即微段正方形边长为橡胶密封垫宽度，假设橡胶密封垫的宽度为λ。为建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集，定义为橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω107，具体建立方法可采用以下两种方法：
[0064] 1)圆截取轴线法：根据XOY平面坐标系，识取橡胶密封垫中心线角点为起始点，以橡胶密封垫宽度λ为半径画圆，取圆与中心线的交点，并以交点为新的圆心，以橡胶密封垫宽度λ为半径再画圆，取圆与中心线的交点，直至密封垫中心线的终点或回到起始点，按顺序记录所有交点坐标，构成橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集，定义为Ω。
[0065] 2)坐标值遍历法：
[0066] 根据XOY平面坐标系建立橡胶密封垫中心线的坐标集，定义为坐标集Ψ，并利用计算机数据库进行存储。由于橡胶密封垫为均质材料且有固定的宽度，假设橡胶密封垫的宽度为λ，对橡胶密封垫中心线的坐标集Ψ取子集作为橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω，取橡胶密封垫的角点Ψi为起始点，对邻近坐标点按邻近顺序逐个计算与起始点的绝对距离，当与起始点邻近的第n个点Ψi+n(n＝1,2,...,n)与起始点的绝对距离δn≥λ，其中，将点Ψi+n记入坐标集Ψ的橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω，并将点Ψi+n作为新的起始点，直至遍历坐标集Ψ的所有坐标点。
[0067] 若有两条或两条以上的橡胶密封垫，分别建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集107，并利用计算机数据库进行存储。
[0068] 步骤六：计算橡胶密封垫几何形心。
[0069] 由于橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的任何一点103都代表了一个正方形的橡胶密封垫微段13，微段长度与密封垫宽度λ等长，正方形橡胶密封垫微段的面积均为A0＝λ2。对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω107的所有点(xi,yi)的坐标及面积对X轴、Y 轴求面积距，从而计算橡胶密封垫的几何形心，微段中心点坐标集Ω有n个点，几何形心12在XOY平面的坐标通过如下公式1和2计算：
[0070]
[0071]
[0072] 步骤七：计算橡胶密封垫的反力形心。
[0073] 利用激光或其他测量技术对待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面间的间距进行实时监测，当待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面完全接触后，在千斤顶张拉静止平衡状态下，通过对预制构件n个不同位置的接触面间的接缝宽度进行实时监测，获取n个待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面的接缝宽度监测值Zi，其中 i＝1,2,...,n，由于待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面都存在两条形状完全一样的橡胶密封垫，且相同位置橡胶密封垫的压缩量一致，因此，橡胶密封垫的实际压缩量为橡胶密封垫的初始厚度Z0与实际接缝宽度实测值的1/2即 的减值，为 根据传感器监测得到的n个橡胶密封垫的压缩量实测值，并在橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω107对应的同一平面坐标系内建立面方程，并根据每一个点的坐标计算接缝宽度及其变形量，并按时间顺序建立动态数据库Z，以便后续每一次张拉从数据库调取使用。(也可通过在结构轮廓接缝处实际测出非共线三点位置的接缝宽度8、9、10，确定密封垫的压缩平面5，根据密封垫所在平面4上(xi,yi)坐标位置信息与压缩平面5上对应位置的相同的(xi,yi)坐标位置信息以及平面
4和压缩平面5之间的夹角θ关系，按相似三角形法则反算确定每个密封垫中心线微段中心点(xi,yi)坐标对应的接缝宽度Zi值(如图5A、5B、 5C所示))。
[0074] 根据预制构件所采用的橡胶密封垫材料实验数据，建立橡胶密封垫在不同压缩量下对应的变形模量数量集Es，并利用计算机数据库进行存储。
[0075] 对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点计算橡胶密封垫的弹性反力对所有点107的弹性反力 Fi对坐标系X轴，Y轴求力矩，根据合力力矩与微段力矩之和相等的原则，计算橡胶密封垫的反力形心11的坐标通过公式3和4得到：
[0076]
[0077]
[0078] 其中，橡胶密封垫的反力形心是动态变化的，不同的张拉平衡状态下，橡胶密封垫的反力形心的坐标不同。
[0079] 由此可见，本发明根据预制装配式构件橡胶密封垫在拼装张拉过程中接触并被压缩后，应尽量保证拼装构件间接缝宽度均匀，橡胶密封垫受到相同的压缩量，弹性反力值一致，橡胶密封垫的反力形心与其平面形心一致，从而保证拼装质量。但由于在拼装构件间接缝宽度由于各种因素往往是不均匀的，构件不同部位的橡胶密封垫弹性不同，弹性反力值也不相同，将出现橡胶密封垫的反力形心与平面形心不一致的情况。因此，需要通过对螺栓孔位对应的张拉千斤顶的张拉力进行实时监测，并反算确定不同拼装状态下的橡胶密封垫的反力和反力形心，通过调整张拉千斤顶的张拉力，尽量保证橡胶密封垫的反力形心与平面开心重合，从而保证拼装质量。
[0080] 因此，本发明的优点在于：
[0081] 1、实现千斤顶作用形心的合理调整，使得密封垫反力形心与密封垫形心重合，从而实现构件拼装完成时，构件间各处密封垫压缩程度一致，构件接缝宽度一致。
[0082] 2、建立密封垫非线性弹性反力形心算法，应用于预制构件拼装，可提高预制构件拼装就位精度、质量和拼装效率。
[0083] 3、简单易用，方便实际应用。
[0084] 4、可应用在如铁路和城市轨道交通车站、区间、出入口、风道等装配式结构、大型地下空间开发装配式结构、地下管线和综合管廊装配式结构、城市地下人行通道、地下行车隧道装配式结构、其他采用预制装配方式建造的类似工程，具有广泛的推广意义。
[0085] 显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在
实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的
说明书和所附的
权利要求的任何实施例。
