[發明專利]基于分布式宏應變傳感的圓柱殼結構橫截面變形監測方法

在審

• 申請號: 202010588255.X
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111707208A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 萬春風;熊小兵;方達;楊才千;周珍偉
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G06F17/13;G06F17/16
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

基于分布式宏應變傳感的圓柱殼結構橫截面變形監測方法，包括以下步驟：(1)以圓柱殼的幾何微分方程為基礎，通過有限差分法得到環向應變與徑向位移的幾何差分方程；(2)利用分布式長標距光纖光柵傳感器測量圓柱殼結構表面的環向宏應變；(3)根據環向應變與徑向位移的幾何差分方程計算出圓柱殼表面的徑向位移，該徑向位移為相對于圓心的徑向位移。本算法適用性強，計算結構精度可靠，能避免局部因素導致的傳感器失效，且更易于理解。

技術領域

本發明屬于圓柱殼結構變形監測領域，涉及一種薄壁結構橫截面變形監測技術,尤其 是基于分布式長標距布拉格光纖光柵傳感器的圓柱殼結構橫截面變形的監測方法。

背景技術

土木工程中的盾構地鐵隧道、盾構綜合管廊、筒倉等結構都是圓柱殼結構，圓柱殼結構是一種橫截面為圓形的薄壁結構。橫截面變形是評估圓柱殼結構正常使用期間穩定性和安全性的重要指標。目前圓柱殼結構橫截面變形監測技術主要有三類：自動化全站 儀觀測技術、自動化近景攝影技術、點式直接測量技術。自動化全站儀觀測距離遠，測 量精度高，但監測設備昂貴，需要人長期值守。近景攝影技術對觀測設備要求低，但其 測量距離較短(僅有幾十米)，而且觀測時需要外加光源，對光源質量要求較高。點式測 量技術的精度高，但價格昂貴，不適合大量布設。

分布式光纖傳感技術是近年才得以發展的新型監測技術，該技術也是目前國內外工 程領域研究的熱點。該技術提供了一種間接監測手段，因此近年來學者試圖探索應變與變形關系從而實現間接測量橫截面變形。有學者利用共軛梁法推導出曲梁結構環向應變與徑向位移的幾何方程，并以分布式傳感技術為基礎實現了對隧道的橫截面的變形監測。但是該算法比較復雜，且最終得到的橫截面變形為相對于圓周右端點而非圓心的徑向撓度，不利于理解。

在光纖傳感技術中，布拉格光纖光柵由于在測量精度、空間定位精度、長期穩定性和結構兼容性方面具有優勢，因此得到廣泛應用。傳統布拉格光纖光柵傳感器的標距在100mm以內，通常被視為點式傳感器。其監測結果受局部裂縫、損傷等影響大，難以反 映結構的整體受力情況。而且，對土木結構來說，這種傳感器很容易因混凝土結構的裂 縫和鋼結構的焊縫等而失效。而長標距布拉格光纖光柵傳感器是一種宏應變傳感器，由 于標距較長，能測得在較大范圍內的結構應變，可避免局部因素導致的較大測量誤差， 甚至傳感器失效。

發明內容

針對以上問題，本發明提供基于分布式宏應變傳感的圓柱殼結構橫截面變形監測方 法，通過環向變形與徑向位移的轉換算法，將分布式傳感器測得的環向應變轉換為徑向位移，從而實現對橫截面變形的監測。而且，本申請采用長標距布拉格光纖光柵傳感器， 能測得在較大范圍內的宏應變，可避免局部因素導致的較大測量誤差，甚至傳感器失效。 該算法適用性強，計算結構精度可靠，且更易于理解，為達此目的，本發明提供基于分 布式宏應變傳感的圓柱殼結構橫截面變形監測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)以圓柱殼的幾何微分方程為基礎，通過有限差分法得到環向應變與徑向位移的 幾何差分；

所述的步驟(1)具體為：

根據圓柱殼幾何微分方程可知，中面徑向位移w、環向應變環向位移v和環向轉角的關系式為：

殼體結構徑厚比R/t較大，殼體表面到中面的距離z＝t/2，則z/R較小，忽略z/R，圓柱殼表面z＝±t/2，環向應變中面環向應變中面徑向位移w，環向位移v和環 向轉角的關系式為：

由(a)、(b)式可得圓柱殼表面環向應變中面徑向位移w，環向位移v和環向 轉角的關系式為：

對于環向封閉且受到近似均勻法向荷載作用的圓柱殼結構，近似忽略殼表面上點沿 殼環向的運動，即由(c)式可得圓柱殼表面環向應與中面徑向位移w的關系式為：