CN101435747B - 一种基于应变动态量测的多向耦合裂缝计的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变动态量测的多向耦合裂缝计的设计方法，适于土木与机械结构中局部构造缝的静动态多向变位的量测。其特征是，从裂缝侧立面(5)引出形状相似、尺寸不同、相嵌套的两个弧型金属应变载片(1)；以载片(1)上的应变片(3)作为唯一测值来分析裂缝多向变位的大小；根据应变片(3)量测值间的线性无关特点，建立裂缝在张开、错动两个垂直方向上的变位与应变片(3)量测值间的公式关系，进而由应变值(3)通过线性方程组求解得到对应缝间的多向变位值。仅以应变动态量测值为依据，利于地震等短时快速加载过程中裂缝变形过程的监测；结构简单，尺寸小，价格便宜，利于在小尺度结构或模型试验中大量一次性采用。

Description

一种基于应变动态量测的多向耦合裂缝计的设计方法

技术领域

本发明属于土木与机械工程结构变形的实时监测的技术领域，尤其适于在地震等快速加载小尺度模型试验中采用，涉及到预留缝、结构接缝等局部构造缝的静动态错动、开度的量测装置的设计方法，特别是一种基于应变动态量测的多向耦合裂缝计的设计方法。

背景技术

地震作用下，结构接缝、预留缝等局部构造缝会产生持续改变的变位。这种变位又体现在缝开度、及错动等多个方向。该变位量的大小将直接关系到结构整体性，从而影响对结构继续承载能力的判断，关系到工程结构的抗震安全与否。目前，国内外检测该物理量多采用测缝计，以在坝体周边缝、基岩裂隙、结构预设缝及滑坡等原型领域长时缓慢变形观测中应用较为广泛。现时采用的多向测缝计通常由单支位移计(也可成为位移传感器)按不同方向组装而成。以该形式组装多向测缝计，当缝在任一个方向上发生位移时，即使其他方向上缝没有发生任何位移，其他方向上的位移计也会产生读数，从而带来较大误差，不能有效分离缝多向变形间的耦合影响。而以单支位移计的测量原理来区分，又主要有金属丝、光纤光栅型、激光等几种，主要为缝体结构在缓慢变形条件下的长期监控而设计，一般结构比较复杂，整体尺寸较大，造价也相对昂贵，需要在原型结构上固定安装，不适用于在模型动载试验中一次性大量采用，也不利于在小尺度工程结构上安装。此外，由于动态测量灵敏度或反应滞后等问题的存在，不利于短时地震等快速动加载条件下的变形测量与数据记录，容易引进测量误差。地震等动态载荷作用下，结构力学物理量以应变量测最为广泛，但基于应变量测的多向裂缝计尚未见报道，核心问题是贴有应变片的简单平直的金属载片也只能体现单一方向的变形情况，解决不了与结构缝开度、错动等多向局部坐标下的变形协调问题。

发明内容

本发明提供一种基于应变动态量测的多向耦合裂缝计的设计方法，克服现有组合式多向裂缝计不利于体现耦合变位的影响，单向位移计容易被其他方向位移牵动发生数值改变的问题；解决现有多向裂缝计结构复杂，尺寸相对较大，价格昂贵，不利于在小尺度结构或模型试验中大量一次性采用的问题；克服现有多向裂缝计主要适用于长时缓变工况，不利于地震等短时强动条件下的裂缝变形情况的监测问题。

本发明的技术方案是：以由待测结构缝两个侧立面内引出的贴有应变片的金属应变载片为基本量测单元，则裂缝面间的开度u_x与错动u_y变位大小将耦合体现在应变片量测值上。弹性范围内，缝间相对变位(u_x，u_y)与每一个应变片量测值(ε_i)之间满足线性叠加关系，即ε_i＝α_xi·u_x+α_yi·u_y。进而，以形状相似、大小不一的两个应变载片嵌套的形式，构造两层应变片量测环路，既完成主要元件的布置。通过这两个线性无关的应变片量测值与同一裂缝开度、错动变位间的关系方程组求解，便可解耦裂缝多向变位对应变量测值的影响，获得待求裂缝的变形值。本设计还有以下的局部优化方案：1.增加一个应变载片的数量，则测定的应变值数量将大于开度与错动两个未知量的数目，而形成非线性方程组的形式，采用最小二乘的数值方法进行求解，利于减小应变量测值误差对线性方程组求解的影响；2.在结构缝的外缘处预设膨胀螺栓式的卡槽，以插接的形式优化应变量测载片组与待测结构缝两侧立面间的连接形式，保证裂缝面与应变载片触片间变形的一致性，简化安装难度，避免工艺过程中引入的误差。

本发明的有益效果是，仅以技术成熟的应变动态量测值为依据，测值可靠，测值单一，数据分析简单，利于地震等短时快速加载过程中裂缝变形的监测；仅采用金属应变载片、电阻式应变片等元件，结构简单，尺寸小，价格便宜，利于在小尺度结构或模型试验中大量一次性采用。

附图说明

图1是本申请具体实施例中应变量测载片的基本结构示意图。

图2是应变量测载片的一种组合形式示意图。

图3是图2的侧视图。

图4是图2的正视图。

图5是基于应变量测的多向耦合裂缝计一个实施例的组合构造示意图。

图中：1.圆弧型金属应变量测载片；2.触片；3.电阻式应变片；4.含待测构造缝的工程结构；5.待测构造缝的两个侧立面；6.多通道应变数据采集仪；7.安装应变载片的钢制固定支架。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

参照图1，采用弹性较好、强度适中的铜片等金属材料，直接压制成两个不同直径2cm～5cm的圆形、椭圆形、或“Ω”形等形状的应变量测载片1。该载片1应保留有一定的触片2长度(约1cm)，以方便在缝面位置处固定。金属应变量测载片1的宽度(约1.8cm)要远大于厚度(约0.1cm)，以保证载片上的应变测量值体现沿载片圆周向的变形情况。电阻式应变片3应该沿圆周方向，顺向贴于载片1的外弧面顶部。此外为避免应变量测的各类误差，应同时在模型外围布置温度补偿等桥路。

建立金属应变量测载片的触片2间相对变变位(u_x，u_y)与各应变载片1外弧面内应变片3量测值(ε_i，i∈[1，2])的数值关系。载片弹性变形范围内，触片间相对变位(u_x，u_y)与应变量测值ε_i间的关系式表达如下：

ε₁＝α_x1·u_x+α_y1·u_y

ε₂＝α_x2·u_x+α_y2·u_y

上式体现了耦合变位对应变片3量测值的影响。u_x反映了触片2间的水平向开度，u_y反映触片2间的面内错动变位。(α_xi，α_yi)是与第i个应变量测载片1相对应的常系数，需要通过后叙试验方法进行标定。

参照图2，两个应变量测载片1应该形状完全相似，尺寸不同，以触片2位置为基准相嵌套，各触片2的长度应该相等。将两个应变载片1的对应触片2粘接或者焊接在一起，以避免产生相对变形。两个载片1的对应触片2的粘接过程中，触片要顶部对齐，以保证应变片3量测值均体现同一触片2顶点对间的开度与错动变位。于是，由两个应变载片1外弧面内的应变片3量测值ε_i，便可通过联立求解下述方程组，求得触片2即构造缝两侧立面5间的相对开度u_x与面内错动变位u_y。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\\ u_y\end{array}\right\}={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_{x1}& {\mathrm{\α}}_{y1}\\ {\mathrm{\α}}_{x2}& {\mathrm{\α}}_{y2}\end{array}\right]}^{-1}\·\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\ϵ}}_2\end{array}\right\}$

图3给出了图2所示应变量测载片组的侧视图。两个应变载片位于同一量测平面内。

图4给出了图2所示应变量测载片组的正视图。

参照图5，为克服混凝土等脆性材料在裂缝边界处不宜固定的缺点，首先在结构4外表面构造缝两个侧立面5的外缘以螺栓对称固定一对“L”型钢制固定支架7，保证与缝面平齐的较短(约0.6cm)的钢支架直立边之间的相对变位即体现为裂缝面间的变形；再将图2所示应变载片组的一对触片2紧贴钢支架直立边以粘接或焊接的形式固接，保证触片2与钢支架直立边的顶点位置对齐；最后将各组应变片3的电导线通过补偿桥路连接于多通道应变数据采集仪6，即完成基于应变动态量测的多向耦合裂缝计进行构造缝动态变形测量的硬件系统组装。

具体动态加载试验前，应按常规应变标定方法，针对图2所示同一个应变载片组，通过在触片2间按单一方向施加给定相对变位，量测各应变载片3的应变值，以标定各应变片3量测值与触片2间开度、面内错动相对变位的关系式中的常系数(α_xi，α_yi)。如保持u_x＝0，改变u_y的大小，依次测量各应变载片3的应变值ε_i，再线性回归公式系数α_yi＝∑u_y/∑ε_i；同理，保持u_y＝0，改变u_x的大小，依次测量各应变载片3的应变值ε_i，再线性回归公式系数α_xi＝∑u_x/∑ε_i。

动态加载试验开始后，只要持续动态监测各应变片3的量测值，便可通过联立求解前述方程组，获得触片2即裂缝两侧立面5间的相对开度u_x与面内错动变位时程u_y。

Claims (1)

1.一种基于应变动态量测的多向耦合裂缝计的设计方法，其特征在于按下列步骤进行：

a)由裂缝侧立面(5)引出相嵌套的两个金属应变量测载片(1)；采用金属材料，直接压制成两个不同直径2cm～5cm的圆形、椭圆形或“Ω”形的金属应变量测载片(1)；每个金属应变量测载片(1)的两个端部各保留1cm长度的触片(2)；两个金属应变量测载片(1)形状完全相似，尺寸不同，以触片(2)位置为基准相嵌套，各触片(2)的长度相等；将两个金属应变量测载片(1)的对应触片(2)粘接或者焊接在一起；两个金属应变量测载片(1)的对应触片(2)的粘接或者焊接过程中，触片要顶部对齐；

b)各金属应变量测载片(1)外弧面内顺弧向粘贴电阻式应变片(3)；

c)采用裂缝张开u_x与错动u_y的多向变位与每一个电阻式应变片(3)量测值ε_i之间的公式关系ε_i＝α_xi·u_x+α_yi·u_y，并通过试验方法标定其中的常系数(α_xi，α_yi)；

d)仅基于各电阻式应变片(3)的动态量测值，按如下求解公式，来确定裂缝侧立面(5)之间的变位值：

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