CN101487271B - 土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置，它通过采集地基未加载和两次加载时所测得的自振基频经过代入相应的计算公式中求出地基的三个约束刚度系数，为准确判断地基的运行情况提供了一手数据，解决了已建成地基约束能力的测量难题，具有方便、准确、高效的特点。

Description

土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程结构地基约束能力检测技术，尤其是一种对已建成使用中的结构地基进行约束能力测定的动态检测方法及其装置，具体地说是一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置。

背景技术

目前，随着我国经济的飞速发展和和科技水平的提高，土木工程结构的设计理论和建造技术不断发展，人们建造了多种形式的民用、工业建筑、高大的立交桥、城市高架桥及跨江、河和海湾的大桥。相对于上部结构而言，土木工程结构的基础设计更为复杂，其力学耐久性研究和病害诊断也更显困难。在风化、冰冻和水土流失等环境条件下再受往复风荷载影响，结构的基础受力在最大压力和拉力之间变化，这些力引起的微小裂缝会加速基础的腐蚀并导致基础承载力降低，从而缩短结构的使用寿命。对一些建在软弱地基上的结构，在使用期内或多或少因某种原因(如差异沉降，温度变化)受过损伤，而风载荷、工作载荷和地震载荷引起的附加应力则加速了这种损伤的发展。对完好且无异常应力变化的工程结构也有可能因为振动而导致较大的地基位移或失稳(如饱和土软化或液化，边坡坍塌)。工程结构按其地基承载能力适当选定了基础底面尺寸，一般可保证结构在防止地基剪切破坏时具有足够的安全度，但在荷载作用下，地基沉降总要发生，而不正常的地基沉降变形极易导致结构的开裂、失稳，形成危险的构筑物。近10年土木工程结构的变形监测表明，土木工程上部结构的变形与地基的不均匀沉降和形成事故有直接联系。

土下结构的技术状态及其变化是确定其力学特性及工程可靠性的重要依据。由于地基变形而引起的结构与地基的相互作用就成为一个重要问题。作为结构病害诊断的主要目的，在实际工程测量中，要想直接测得工程结构基础约束刚度是很难的。传统的识别地基约束能力的方法大多建立在土力学基础上，这些土力学统计参数会随时间和各地区的地质及环境条件的不同而改变，分布复杂且检测困难。目前尚未有一种能在已建成的结构中有效测定地基约束能力的技术。

发明内容

本发明的目的是针对目前已建成土木工程结构地基约束能力检测缺乏有效手段的问题，发明一种检测效果好、使用范围广泛、实施方便土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置。

本发明的技术方案之一是：

一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步：在被检测结构上设置传感器为数据采集作准备；

第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的自振基频ω_1，0，此时被测结构上部的质量假设为M₀；

第三步：在被测结构上进行第一次加载，此时结构上部的质量假设为M₁；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到被测结构的第一次加载时的自振基频ω_1，1；

第四步：在被测结构上进行第二次加载，此时被测结构上部的质量假设为M₂；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的第二次加载时的自振基频ω_1，2；

第五步：将三次测得自振基频ω_1，0、第一次加载时的自振基频ω_1，1、第二次加载时的自振基频ω_1，2以及被测结构的自身质量、刚度、材料性能参数输入以下公式，即可计算出结构的平动约束刚度k₁、转动约束刚度k₂和竖向约束刚度k₃，为被测结构地基安全监测提供计算所需的依据：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,0}}^2}=\frac{M_0+m}{k_1}+\frac{(M_0+m)\mathrm{AE}}{k_{3}l}+\frac{J_R+J_{M0}}{k_2}+M_0\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\\ \frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}^2}=\frac{M_1+m}{k_1}+\frac{(M_0+m)\mathrm{AE}}{k_{3}l}+\frac{J_R+J_{M1}}{k_2}+M_1\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\\ \frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}^2}=\frac{M_2+m}{k_1}+\frac{(M_0+m)\mathrm{AE}}{k_{3}l}+\frac{J_R+J_{M2}}{k_2}+M_2\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\end{array}\right.$

式中：J_R——被测结构的转动惯量；

J_M0、J_M1、J_M2——分别为被测结构上部的初始质量、第一次加载后、第二次加载后上部的质量对被测结构底部的转动惯量；

A、l——被测结构的水平截面的截面积和计算高度；

m——被测结构质量；

E——结构材料的弹性模量；

α，β分别为只和被测结构自身材料有关的系数，由下式计算所得：

$\mathrm{\α}=\frac{l^3}{3\mathrm{EI}}+\frac{8l}{k^{\′}{\mathrm{GA\π}}^2},$ $\mathrm{\β}=\frac{16(3\mathrm{\π}-8)r{\mathrm{Al}}^4}{{\mathrm{\π}}^5\mathrm{gEI}}+\frac{{4\mathrm{rl}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{k}^{\′}\mathrm{gG}}$

式中EI为被测结构的弯曲刚度，g为重力加速度，G为被测结构的剪切刚度，r为被测结构的重量密度，l/k′为剪切应力的分布系数，矩形截面

k′＝5/6，圆形截面k′＝9/10。

所述的被测结构为桥墩、承台、沉井或沉箱。

本发明的技术方案之二是：

一种土木工程结构地基约束能力动态检测装置，其特征是它由测试单元1和主机分析单元10构成，测试单元1的信号输出端与主机分析单元10的信号输入端连接，主机分析单元10对测试单元1测量到的信号进行处理；测试单元1包括传感器2、抗混滤波放大器3、A/D转换器4和输出单元5，传感器2的信号输出端与抗混滤波器3的信号输入端相连，对传感器2采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器3的信号输出端与A/D转换器4的信号输入端相连，将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器4的信号输出端通过输出单元5与主机分析单元10相连，将经过A/D转化器4转换后的数字信号传输到主机分析单元10中；主机分析单元10包括FFT分析模块7、地基约束刚度识别模块8和显示存储模块9，主机分析单元10将接收到的数据送入FFT分析模块7中进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，地基约束刚度识别模块8根据FFT分析的基频计算地基的约束刚度，得到结果通过显示与存储模块9显示并保存数据。

本发明的有益效果：

1、本发明通过大量的实验和分析计算首次建立了一种仅需测得两次加载前后结构的自振基频即可识别出其地基约束能力的动态测量评估技术，为已建成基础结构的地基约束能力评判提供了方便、快捷的一手数据资料，并研制了适用于现场采集数据和识别地基约束能力的虚拟测试系统，用先进的数据采集和信号处理方法，结合柔性的模块化的虚拟一体化技术为地基的安全监测提供了方便实用的手段。

2、本发明具有较高的运算精度，其中频率分析精度可达1％，地基约束能力识别精度能达3％。

3、本发明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，适用范围广泛。

附图说明

图1是本发明检测装置的组成框图示意图。

图2是本发明的分析软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示。

一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法，它包括以下步骤：

第一步：在被检测结构上设置传感器为数据采集作准备，具体实施时，如果检测桥墩的地基约束能力，则在桥墩上布置传感器，如果是检测桩基础的地基约束能力，则在承台布置传感器，如果检测沉井或沉箱基础的地基约束能力则在沉井或沉箱布置传感器；

第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析(可采用现有成熟软件进行)，得到结构的自振基频ω_1，0，此时被测结构上部的质量假设为M₀；

第三步：在被测结构上进行第一次加载，此时结构上部的质量假设为M₁；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到被测结构的第一次加载时的自振基频ω_1，1；

第四步：在被测结构上进行第二次加载，此时被测结构上部的质量假设为M₂；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的第二次加载时的自振基频ω_1，2；

第五步：将三次测得自振基频ω_1，0、第一次加载时的自振基频ω_1，1、第二次加载时的自振基频ω_1，2以及被测结构的自身质量、刚度、材料性能参数输入以下三个约束能力评估联立公式，即可计算出结构的平动约束刚度k₁、转动约束刚度k₂和竖向约束刚度k₃，为被测结构地基安全监测提供计算所需的依据：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,0}}^2}=\frac{M_0+m}{k_1}+\frac{(M_0+m)\mathrm{AE}}{k_{3}l}+\frac{J_R+J_{M0}}{k_2}+M_0\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\\ \frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}^2}=\frac{M_1+m}{k_1}+\frac{(M_0+m)\mathrm{AE}}{k_{3}l}+\frac{J_R+J_{M1}}{k_2}+M_1\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\\ \frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}^2}=\frac{M_2+m}{k_1}+\frac{(M_0+m)\mathrm{AE}}{k_{3}l}+\frac{J_R+J_{M2}}{k_2}+M_2\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\end{array}\right.$

式中：J_R——被测结构的转动惯量；

J_M0、J_M1、J_M2——分别为被测结构上部的初始质量、第一次加载后、第二次加载后上部的质量对被测结构底部的转动惯量；

A、l——被测结构的水平截面的截面积和计算长度(高度)；

m——被测结构质量；

E——结构材料的弹性模量；

α，β分别为只和被测结构自身材料有关的系数，由下式计算所得：

$\mathrm{\α}=\frac{l^3}{3\mathrm{EI}}+\frac{8l}{k^{\′}{\mathrm{GA\π}}^2},$ $\mathrm{\β}=\frac{16(3\mathrm{\π}-8)r{\mathrm{Al}}^4}{{\mathrm{\π}}^5\mathrm{gEI}}+\frac{{4\mathrm{rl}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{k}^{\′}\mathrm{gG}}$

式中EI为被测结构的弯曲刚度，g为重力加速度，G为被测结构的剪切刚度，r为被测结构的重量密度，1/k′为剪切应力的分布系数，矩形截面

k′＝5/6，圆形截面k′＝9/10。

在联立的三个方程中，M₀、M₁、M₂、J_M0、J_M1、J_M2可根据已知的上部结构设计图纸和加载质量计算得到，A、l、α、β、J_R为桥墩、承台、沉井或沉箱结构的设计参数，也是已知参量，ω_1，0、ω_1，1、ω_1，2可通过传感器采集设备采集桥墩、承台、沉井或沉箱结构的环境响应信号分析得到。因此表达式只有k₁、k₂、k₃为待识别的未知参量，而其余的参数均可表示为结构自身的已知参量。因此通过人为加载，可列出3个形式相同但互不相关的方程，构成识别k₁、k₂、k₃三个地基约束刚度的充要条件。在求出k₃三个地基约束刚度k₁、k₂、k₃后再利用现有的理论和计算公式进一步计算机地基是否处于安全状态的判断，以便及时采取相应的措施，确保安全。

图1是本发明的检测装置，它由测试单元1和主机分析单元10构成，测试单元1的信号输出端与主机分析单元10的信号输入端连接，主机分析单元10对测试单元1测量到的信号进行处理；测试单元1包括传感器2、抗混滤波放大器3、A/D转换器4和输出单元5，传感器2的信号输出端与抗混滤波器3的信号输入端相连，对传感器2采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器3的信号输出端与A/D转换器4的信号输入端相连，将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器4的信号输出端通过输出单元5(可采用USB设备进行数据传输)与主机分析单元10相连，将经过A/D转化器4转换后的数字信号传输到主机分析单元10中；主机分析单元10(可采用手提电脑或常规计算机加以实现，在其中安装相应的计算模块软件如FFT分析模块7、地基约束刚度识别模块8等即可实现)包括FFT(即傅里叶变换)分析模块7、地基约束刚度识别模块8和显示存储模块9，主机分析单元10将接收到的数据送入FFT分析模块7中进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，地基约束刚度识别模块8根据FFT分析的基频计算地基的约束刚度，得到结果通过显示与存储模块9显示并保存数据。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步：在被检测结构上设置传感器为数据采集作准备；

第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶即FFT分析，得到结构的自振基频ω_1，0，此时被测结构上部的质量假设为M₀；

第三步：在被测结构上进行第一次加载，此时结构上部的质量假设为M₁；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到被测结构的第一次加载时的自振基频ω_1，1；

第四步：在被测结构上进行第二次加载，此时被测结构上部的质量假设为M₂；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的第二次加载时的自振基频ω_1，2；

第五步：将三次测得自振基频ω_1，0、第一次加载时的自振基频ω_1，1、第二次加载时的自振基频ω_1，2以及被测结构的自身质量、刚度、材料性能参数输入以下三个联立公式中，即可计算出结构的平动约束刚度k₁、转动约束刚度k₂和竖向约束刚度k₃，为被测结构地基安全监测提供计算所需的依据：

式中：J_R——被测结构的转动惯量；

J_M0、J_M1、J_M2——分别为被测结构上部的初始质量、第一次加载后、第二次加载后上部的质量对被测结构底部的转动惯量；

A、l——被测结构的水平截面的截面积和计算长度；

   m——被测结构质量；

E——结构材料的弹性模量；α，β分别为只和被测结构自身材料有关的系数，由下式计算所得：

式中EI为被测结构的弯曲刚度，g为重力加速度，G为被测结构的剪切刚度，r为被测结构的重量密度，1/k′为剪切应力的分布系数，矩形截面k′＝5/6，圆形截面k′＝9/10。

2.根据权利要求1所述的土木工程结构地基约束能力动态检测方法，其特征是所述的被测结构为桥墩、承台、沉井或沉箱。

3.一种土木工程结构地基约束能力动态检测装置，其特征是它由测试单元(1)和主机分析单元(10)构成，测试单元(1)的信号输出端与主机分析单元(10)的信号输入端连接，主机分析单元(10)对测试单元(1)测量到的信号进行处理；测试单元(1)包括传感器(2)、抗混滤波放大器(3)、A/D转换器(4)和输出单元(5)，传感器(2)的信号输出端与抗混滤波放大器(3)的信号输入端相连，对传感器(2)采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器(3)的信号输出端与A/D转换器(4)的信号输入端相连，将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器(4)的信号输出端通过输出单元(5)与主机分析单元(10)相连，将经过A/D转化器(4)转换后的数字信号传输到主机分析单元(10)中；主机分析单元(10)包括FFT分析模块(7)、地基约束刚度识别模块(8)和显示存储模块(9)，主机分析单元(10)将接收到的数据送入FFT分析模块(7)中进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，地基约束刚度识别模块(8)根据FFT分析的基频计算地基的约束刚度，得到结果通过显示与存储模块(9)显示并保存数据。

Images