CN101592474A - 沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法 - Google Patents

Abstract

沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，它涉及一种路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法。本发明解决了现有的沥青路面中埋设的光纤光栅传感器采集的数据无法直接用以评价沥青路面结构受力状态的问题。利用四点弯曲梁试件受力简单的特点，将传感器植入该梁试件中间三分段内，基于小变形纯弹性梁的假设，根据挠度和梁几何尺寸计算得到理论计算应变，通过计算得到的理论应变修正植入的光纤光栅应变传感器的采集数据，为现有实际沥青路面中埋设的光纤光栅传感器采集数据的处理提供依据，为确定路面结构的真实受力状态，探究路面破坏机理、完善路面设计理论和力学模型以及为路面结构的预防性养护提供依据。

Description

沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法

技术领域

本发明涉及一种沥青路面材料与传感器协同变形的评价方法。

背景技术

由于现有实际沥青路面中埋设的光纤光栅传感器模量远大于沥青路面材料的模量，导致沥青路面材料与传感器之间协同变形性较差，传感器采集的数据不能直接用于评价路面结构的真实受力状态，故研究沥青路面材料与传感器协同变形评价方法是解决光纤光栅传感器在路面中应用的前提和基础，是十分必要并具有较强现实意义的。确定了沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，即可保证传感器实测数据的有效性，为确定路面结构的真实受力状态，探究路面破坏机理、完善路面设计理论和力学模型以及为路面结构的预防性养护提供依据。目前，我国现有技术中并未提供一种专门用于沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，以解决现有沥青路面中埋设的光纤光栅传感器采集的数据无法直接用以评价沥青路面结构受力状态的问题。本发明所述的沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法即是寻求一种对实际沥青路面中埋设的光纤光栅传感器采集的数据如何进行修正的方法，修正后的数据就是相当于沥青路面材料与传感器协同变形而得到的接近实际情况的真实数据。

本发明的技术方案是：本发明所述的沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法按照如下步骤实现：

步骤一、将传感器植入装有沥青混合料的长方体模具内，装有沥青混合料的长方体模具称为梁试件；将植入传感器的梁试件设计成四点弯曲宽梁受力模型；压实长方体模具内的沥青混合料使其真实模拟待测的沥青路面；所述传感器位于梁试件中性面上部或下部；梁试件的底端面相应位置处安装有LVDT位移传感器；试验条件的温度固定；

步骤二、在植入传感器对应位置处梁试件的上端面上间隔一定时间逐级施加静态荷载以模拟实际路面车辆的冲击作用；

步骤三、通过与植入传感器连接的光纤光栅传感器解调仪采集数组；并利用公式 $\mathrm{\ϵ}=\frac{24\mathrm{\δ}}{23a^2}y$ 得出理论计算应变数组；

式中：ε为传感器的理论水平应变，a为加载段的1/3，即a＝L/3，δ为梁中轴线最大挠度，L为加载段长度，y为传感器中心到中性面距离；

步骤四、采集LVDT位移传感器测得的数组；

步骤五、植入光纤光栅应变传感器数据的标定：

a.固定温度下，以光纤光栅传感器解调仪采集数组为x轴，以理论计算应变数组为y轴，通过数据拟合得到修正函数：y＝Ax+B；A、B为常数；

b.全温度范围内的数据标定，采用上面相同的方法即可得到不同温度下的修正直线，可以作为现场实测数据修正的标准；将现场植入传感器的实测数据代入相应温度的修正函数的自变量x值，即可得到相应的理论计算应变数值y；所述y值反应待测路面结构的真实受力状态。

本发明具有以下有益效果：本发明利用四点弯曲梁试件下受力简单的特点，将传感器植入该梁试件中间三分段内，基于小变形纯弹性梁的假设，根据梁底挠度和梁几何尺寸计算得到理论计算应变，通过计算得到的理论应变修正植入的光纤光栅应变传感器的采集数据，为现有实际沥青路面中埋设的光纤光栅传感器采集数据的处理提供依据，为确定路面结构的真实受力状态，探究路面破坏机理、完善路面设计理论和力学模型以及为路面结构的预防性养护提供依据。

附图说明

图1是受拉传感器植入与试验示意图，图2是受压传感器植入与试验示意图，图3是某一温度条件下的传感器数据修正的函数图(图中R²代表线性度，其值越接近1，表明拟合越符合线性关系)。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1～3，本实施方式所述的沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法按照如下步骤实现：

步骤一、将传感器植入装有沥青混合料的长方体模具内，装有沥青混合料的长方体模具称为梁试件；将植入传感器的梁试件设计成四点弯曲宽梁受力模型；压实长方体模具内的沥青混合料使其真实模拟待测的沥青路面；所述传感器位于梁试件中性面的上部或下部；梁试件的底端面相应位置处安装有LVDT位移传感器；试验条件的温度固定。

步骤二、在植入传感器对应位置处梁试件的上端面上间隔一定时间逐级施加静态荷载以模拟实际路面车辆的冲击作用；

步骤三、通过与植入传感器连接的光纤光栅传感器解调仪采集数组；并利用公式 $\mathrm{\ϵ}=\frac{24\mathrm{\δ}}{23a^2}y$ 得出理论计算应变数组；

式中：ε为传感器的理论水平应变，a为加载段的1/3，即a＝L/3，δ为梁中轴线最大挠度，L为加载段长度，y为传感器中心到中性面距离；

步骤四、采集LVDT位移传感器测得的数组；

步骤五、植入传感器(光纤光栅应变传感器)数据的标定：

a.固定温度下，以光纤光栅传感器解调仪采集数组为x轴，以理论计算应变数组为y轴，通过数据拟合得到修正函数：y＝Ax+B；A、B为常数；

b.全温度范围内的数据标定，采用上面相同的方法即可得到不同温度下的修正直线，可以作为现场实测数据修正的标准；将现场植入传感器的实测数据代入相应温度的修正函数的自变量x值，即可得到相应的理论计算应变数值y；所述y值反应待测路面结构的真实受力状态。

具体实施方式二：本实施方式在步骤一中，试验采用的温度分别为4℃、15℃、25℃、40℃或55℃。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式在步骤一中，梁试件的底端面相应位置处均布安装有两个LVDT位移传感器，采集到的数组值是两个LVDT位移传感器的平均值。如此设置，使测得结果更准确。其它步骤与具体实施方式一相同。

实施例(参见图1～3)：

步骤一、设计原理及设计形式

a.设计原理，考虑到梁式试件在受垂直于轴线方向的荷载，梁身受外力产生的弯矩作用而发生弯曲变形时，受力状态简单，梁顶部受压区和底部受拉区都较为明显，能够较好地模拟实际路面内受压和受拉的状态，为此设计了植入传感器的四点弯曲宽梁试验，在四点弯曲加载条件下梁试件有效加载长度中间1/3段为零剪力的纯拉压段，将传感器布设其中。

b.设计形式，设计梁试件的长×宽×高为400mm×100mm×100mm，有效加载长度为300mm，梁试件两侧各留有50mm的自由端，受拉传感器位置为其中心距梁试件底面15mm处，受压传感器位置为其中心距梁试件顶面15mm处。

步骤二、传感器的植入与成型：

a.成型模具的制作，制作内壁长×宽×高尺寸分别为100mm×100mm×400mm的长方体模具，长度方向两侧挡板下部各留有直径为12mm的圆孔，并将圆孔各侧壁磨光，防止尖锐部分损伤传感器的铠装线缆。

b.加载模具的制作，加载模具分为上压头和下支座两部分，上压头两滚柱轴承中心距为100mm，顶部伸出长80mm，直径15mm的螺帽，以旋入MTS试验机上部压杆，下支座两滚柱轴承中心距为300mm。

c.混合料松铺系数的确定，按长×宽×高为400mm×100mm×100mm的梁试件，设计空隙率计算试件成型所需的沥青混合料用量，加热拌合后装入模具内测量松散状态下混合料高度，以此确定该类型混合料的松铺系数。

d.混合料的添加，将加热拌合好的混合料逐渐装入梁试件模具内，根据混合料松铺系数确定传感器定位器高度，以此固定传感器在梁试件中的位置。将传感器铠装线缆从两侧的圆孔处引出。

e.混合料的成型，经过压实功等效换算，确定在振动压头上加载四个10Kg配重片，压头振动的频率为20Hz，振动时间为2min，将装填后混合料的模具放入振动压实仪中，而后成型试件。

步骤三、传感器实测数据的采集：

a.静态荷载的施加，模拟实际路面车辆冲击作用，采用应变控制，逐级瞬时施加MTS试验机10mm量程卡的3％～30％的位移(0.3mm～3mm，间隔0.3mm，共计10次)，间隔时间90s。

b.光纤光栅应变传感器数据采集，将光纤光栅连接线连接于光栅解调仪SI-425，在加载的同时记录相应的传感器数据。

c.试验条件的选择，选择与沥青混合料动态模量相同的试验条件，即在5个温度下进行，分别为4℃、15℃、25℃、40℃和55℃。

步骤四、计算理论应变值的确定：

基于小变形纯弹性梁的假设，对于四点弯曲普通梁试件，其距中性面任意位置处的应变根据梁几何尺寸、梁底挠度和距中性面位置得出理论计算应变，对于普通梁试件，有 $\mathrm{\ϵ}=\frac{M}{\mathrm{EI}}y,$ 梁三分点处受到集中力作用，故M＝Pa，则梁跨中最大挠度为 $\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{Pa}[3{\left(3a\right)}^2-4a^2]}{48\mathrm{EI}}\×2=\frac{23{\mathrm{Pa}}^3}{24\mathrm{EI}},$ 进而有 $P=\frac{24\mathrm{EI}}{23a^3}\mathrm{\δ},$ 故 $\mathrm{\ϵ}=\frac{M}{\mathrm{EI}}y=\frac{\mathrm{Pa}}{\mathrm{EI}}y=\frac{24\mathrm{\δ}}{{23a}^2}y,$ 其中ε为传感器的理论水平应变，a为加载段的1/3，即a＝L/3，δ为梁中轴线最大挠度，L为加载段长度，y为传感器中心到中性面距离。

步骤五、光纤光栅应变传感器数据的标定：

a.固定温度下，以光纤光栅传感器解调仪采集数据为x轴，以理论计算应变为y轴，通过数据拟合得到修正曲线。

b.全温度范围内的数据标定，采用上面相同的方法即可得到不同温度下的修正曲线，可以作为现场实测数据修正的标准。

Claims (3)

1、一种沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，其特征在于：所述方法按照如下步骤实现：

步骤一、将传感器植入装有沥青混合料的长方体模具内，装有沥青混合料的长方体模具称为梁试件；将植入传感器的梁试件设计成四点弯曲宽梁受力模型；压实长方体模具内的沥青混合料使其真实模拟待测的沥青路面；所述传感器位于梁试件中性面的上部或下部；梁试件的底端面相应位置处安装有LVDT位移传感器；试验条件的温度固定；

步骤二、在植入传感器对应位置处梁试件的上端面上间隔一定时间逐级施加静态荷载以模拟实际路面车辆的冲击作用；

步骤三、通过与植入传感器连接的光纤光栅传感器解调仪采集数组；并利用公式 $\mathrm{\ϵ}=\frac{24\mathrm{\δ}}{{23a}^2}y$ 得出理论计算应变数组；

式中：ε为传感器的理论水平应变，a为加载段的1/3，即a＝L/3，δ为梁中轴线最大挠度，L为加载段长度，y为传感器中心到中性面距离；

步骤四、采集LVDT位移传感器测得的数组；

步骤五、植入光纤光栅应变传感器数据的标定；

a.固定温度下，以光纤光栅传感器解调仪采集数组为x轴，以理论计算应变数组为y轴，通过数据拟合得到修正函数：y＝Ax+B；A、B为常数；

b.全温度范围内的数据标定，采用上面相同的方法即可得到不同温度下的修正直线，可以作为现场实测数据修正的标准；将现场植入传感器的实测数据代入相应温度的修正函数的自变量x值，即可得到相应的理论计算应变数值y；所述y值反应待测路面结构的真实受力状态。

2、根据权利要求1所述的沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，其特征在于：在步骤一中，试验采用的温度分别为4℃、15℃、25℃、40℃或55℃。

3、根据权利要求1所述的沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，其特征在于：在步骤一中，梁试件的底端面相应位置处均布安装有两个LVDT位移传感器，采集到的数组值是两个LVDT位移传感器的平均值。

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