[發(fā)明專利]一種高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀及其測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310394939.6
• 申請(qǐng)日: 2013-09-03
• 公開（公告）號(hào): CN103438855A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳智深;黃璜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué);江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司
• 主分類號(hào): G01B21/22
• 分類號(hào): G01B21/22;G01B21/32
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務(wù)所 32250
• 代理人: 王斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及了一種用于土建交通結(jié)構(gòu)中健康檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的技術(shù)，尤其涉及了一種基于分布式應(yīng)變傳感的高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)正廣泛應(yīng)用于土木工程的重大或復(fù)雜結(jié)構(gòu)。受彎構(gòu)件是工程結(jié)構(gòu)中常見的構(gòu)件之一，轉(zhuǎn)角是評(píng)價(jià)其安全性能的重要指標(biāo)。目前常用的轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x器有，經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀，姿態(tài)儀和電解液傾斜儀等。但因?yàn)槭軠y(cè)量?jī)x器內(nèi)傳感元件自身擺動(dòng)頻率、穩(wěn)定性以及測(cè)量成本的影響，這些儀器都不適用于連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)或者大范圍的多點(diǎn)測(cè)量。此時(shí)，設(shè)計(jì)研究出一種可信度高的適合大型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角監(jiān)測(cè)及測(cè)量方法顯得尤為重要。

目前在大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，越來越多的研究側(cè)重于分布式應(yīng)變測(cè)量。分布式應(yīng)變測(cè)量可以通過長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器，進(jìn)行大范圍的連續(xù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，來實(shí)現(xiàn)描述結(jié)構(gòu)中局部和整體變形。但是分布式應(yīng)變測(cè)量本身是一種監(jiān)測(cè)應(yīng)變變化的檢測(cè)手段，目前還沒有有效的通過應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)角計(jì)算的系統(tǒng)和方法。

為了對(duì)大型結(jié)構(gòu)中受彎構(gòu)件的健康狀況實(shí)施可靠的監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)，需要有一種能夠有效建立分布式應(yīng)變測(cè)量和轉(zhuǎn)角關(guān)系的計(jì)算方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是在綜合分布式應(yīng)變測(cè)量，提供一種高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀及其測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角變化的感知，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)彈塑性分析，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估的目的。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：一種高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀，所述轉(zhuǎn)角儀由一組或多組長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元平行分布在底板上，并整體封裝而成。

所述長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元由能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)標(biāo)距內(nèi)平均應(yīng)變變化特征值的長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器組成。

所述長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器為長(zhǎng)標(biāo)距光纖或者碳纖維應(yīng)變傳感器。

所述轉(zhuǎn)角儀采用預(yù)埋或者全面張貼或者兩端張貼的方式，安裝在各個(gè)待測(cè)構(gòu)件上，所述各個(gè)待測(cè)構(gòu)件包含的長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元數(shù)目根據(jù)測(cè)量要求及現(xiàn)場(chǎng)條件而制定。

所述各個(gè)待測(cè)構(gòu)件內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元數(shù)目不大于三，長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元水平間隔不小于2厘米。

所述待測(cè)構(gòu)件是一種或多種材料組成的柱或梁的受彎構(gòu)件。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用還如下技術(shù)方案：一種高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀的測(cè)量方法，所述測(cè)量方法包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)的類型和幾何尺寸，將監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件劃分為長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元，并布設(shè)分布式應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)；

步驟二：根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)量各構(gòu)件內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元的初始應(yīng)變分布，如某一構(gòu)件內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元數(shù)目大于1需按其在構(gòu)件內(nèi)水平位置劃分子傳感單元；

步驟三：根據(jù)各構(gòu)件內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元內(nèi)的實(shí)測(cè)應(yīng)變變化，并計(jì)算構(gòu)件端部對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

步驟四：疊加以上步驟獲得的各構(gòu)件轉(zhuǎn)角，整合結(jié)構(gòu)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。

在步驟二中所述的初始應(yīng)變值是由長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器測(cè)量獲得，所述長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器布設(shè)時(shí)貫穿結(jié)點(diǎn)位置。

當(dāng)某一構(gòu)件內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元數(shù)目等于一時(shí)，在步驟三中所述的轉(zhuǎn)角計(jì)算方法包括以下步驟：

步驟a：根據(jù)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元的應(yīng)變變化及對(duì)應(yīng)構(gòu)件的受力模型，整合構(gòu)件內(nèi)彎曲應(yīng)變分布；

步驟b：根據(jù)纖維模型賦予長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元端部對(duì)應(yīng)截面的應(yīng)變分布，并迭代計(jì)算該截面內(nèi)中性軸高度；

步驟c：根據(jù)以上步驟獲得的中性軸高度、應(yīng)變分布，計(jì)算長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元端部對(duì)應(yīng)截面的曲率；

步驟d：根據(jù)截面內(nèi)曲率及構(gòu)件內(nèi)對(duì)應(yīng)位置，疊加計(jì)算長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元端部對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角。

在步驟b中所述的中性軸高度迭代計(jì)算，具體包括以下步驟：

步驟Ⅰ.在長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)的截面內(nèi)從壓縮側(cè)到張拉，以微小間隔將截面劃分為層次，并依次將所述各層假定為中性軸；

步驟Ⅱ.根據(jù)構(gòu)件受彎區(qū)應(yīng)變分布，按照步驟Ⅰ假定的中性軸位置，依據(jù)平截面假定原理，賦予截面內(nèi)各層對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值；

步驟Ⅲ.根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，分別計(jì)算該截面內(nèi)混凝土、鋼筋以及各種材料對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；

步驟Ⅳ.根據(jù)計(jì)算獲得的應(yīng)力，分別計(jì)算截面內(nèi)的壓縮側(cè)和張拉側(cè)的內(nèi)力；

步驟Ⅴ.依次重復(fù)第Ⅰ步到第Ⅳ步的循環(huán)，直至截面內(nèi)合力為零，停止循環(huán)，記錄該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中性軸位置；

步驟Ⅵ.利用步驟Ⅴ獲得的中性軸位置和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，計(jì)算截面內(nèi)的曲率；

步驟Ⅶ.根據(jù)截面內(nèi)曲率和對(duì)應(yīng)的位置，獲得構(gòu)件彎曲轉(zhuǎn)角。

當(dāng)某一構(gòu)件內(nèi)長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元數(shù)目大于一時(shí)，在步驟三中所述的轉(zhuǎn)角計(jì)算方法包括以下步驟：