CN103438855A - 一种高性能结构动静态转角仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种高性能结构动静态转角仪，由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成。本发明高性能结构动静态转角仪可以采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，各个待测构件包含的长标距应变传感单元的数目根据测量要求及现场条件而制定。本发明高性能结构动静态转角仪及其测量方法，能够实现对大范围内结构实时转角变化的感知，实现结构弹塑性分析，以达到对结构安全性能评估的目的。
Description
技术领域
本发明涉及了一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术，尤其涉及了一种基于分布式应变传感的高性能结构动静态转角仪及其测量方法。
背景技术
随着我国基础建设的高速发展，结构健康监测系统及其相关技术正广泛应用于土木工程的重大或复杂结构。受弯构件是工程结构中常见的构件之一，转角是评价其安全性能的重要指标。目前常用的转角测量仪器有，经纬仪，水准仪，姿态仪和电解液倾斜仪等。但因为受测量仪器内传感元件自身摆动频率、稳定性以及测量成本的影响，这些仪器都不适用于连续的动态监测或者大范围的多点测量。此时，设计研究出一种可信度高的适合大型结构的转角监测及测量方法显得尤为重要。
目前在大型结构健康监测中，越来越多的研究侧重于分布式应变测量。分布式应变测量可以通过长标距应变传感器，进行大范围的连续静态和动态应变测量，来实现描述结构中局部和整体变形。但是分布式应变测量本身是一种监测应变变化的检测手段，目前还没有有效的通过应变来实现受弯构件转角计算的系统和方法。
为了对大型结构中受弯构件的健康状况实施可靠的监测和监测，需要有一种能够有效建立分布式应变测量和转角关系的计算方法。
发明内容
本发明的目的是在综合分布式应变测量，提供一种高性能结构动静态转角仪及其测量方法，实现对大范围内结构实时转角变化的感知，实现结构弹塑性分析，以达到对结构安全性能评估的目的。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种高性能结构动静态转角仪，所述转角仪由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成。
所述长标距应变传感单元由能实现反应标距内平均应变变化特征值的长标距应变传感器组成。
所述长标距应变传感器为长标距光纤或者碳纤维应变传感器。
所述转角仪采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，所述各个待测构件包含的长标距应变传感单元数目根据测量要求及现场条件而制定。
所述各个待测构件内长标距应变传感单元数目不大于三，长标距应变传感单元水平间隔不小于2厘米。
所述待测构件是一种或多种材料组成的柱或梁的受弯构件。
本发明为实现上述目的，采用还如下技术方案：一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
步骤一：根据监测对象结构的类型和几何尺寸，将监测对象结构中的各构件划分为长标距应变传感单元，并布设分布式应变传感网络；
步骤二：根据传感网络测量各构件内长标距应变传感单元的初始应变分布，如某一构件内长标距应变传感单元数目大于1需按其在构件内水平位置划分子传感单元；
步骤三：根据各构件内长标距应变传感单元内的实测应变变化，并计算构件端部对应的转角；
步骤四：叠加以上步骤获得的各构件转角，整合结构内各节点的转角。
在步骤二中所述的初始应变值是由长标距应变传感器测量获得，所述长标距应变传感器布设时贯穿结点位置。
当某一构件内长标距应变传感单元数目等于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤：
步骤a：根据长标距应变传感单元的应变变化及对应构件的受力模型，整合构件内弯曲应变分布；
步骤b：根据纤维模型赋予长标距应变传感单元端部对应截面的应变分布，并迭代计算该截面内中性轴高度；
步骤c：根据以上步骤获得的中性轴高度、应变分布，计算长标距应变传感单元端部对应截面的曲率；
步骤d：根据截面内曲率及构件内对应位置，叠加计算长标距应变传感单元端部对应转角。
在步骤b中所述的中性轴高度迭代计算，具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ.在长标距应变传感器对应的截面内从压缩侧到张拉，以微小间隔将截面划分为层次，并依次将所述各层假定为中性轴；
步骤Ⅱ.根据构件受弯区应变分布，按照步骤Ⅰ假定的中性轴位置，依据平截面假定原理，赋予截面内各层对应的应变值；
步骤Ⅲ.根据材料应力-应变本构关系，分别计算该截面内混凝土、钢筋以及各种材料对应的应力；
步骤Ⅳ.根据计算获得的应力，分别计算截面内的压缩侧和张拉侧的内力；
步骤Ⅴ.依次重复第Ⅰ步到第Ⅳ步的循环，直至截面内合力为零，停止循环，记录该点对应的中性轴位置；
步骤Ⅵ.利用步骤Ⅴ获得的中性轴位置和对应的应变，计算截面内的曲率；
步骤Ⅶ.根据截面内曲率和对应的位置，获得构件弯曲转角。
当某一构件内长标距应变传感单元数目大于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤：
步骤a：根据各子传感单元的应变变化及构件组成材料本构关系，判断是否出现塑性变形；
步骤b：根据子传感单元的几何尺寸，计算单元结点处刚体转角；
步骤c：根据以上步骤获取的单元刚体转角，按照叠加原理获取构件端部的转角增量。
所述测量方法满足线性的计算要求，同时满足混凝土开裂或钢筋屈服的非线性计算要求。
本发明具有如下有益效果：
（1）根据受弯构件端部测量的应变值，整合受弯区应变分布，以消除构件在受轴向张拉或压缩产生的应变变化；
（2）根据弯曲应变分布，以实现柱或梁等受弯构件的高精度转角计算；
（3）根据纤维模型将截面细分化，构件内多种材料作为独立的模型进行考虑，降低了计算模型的复杂性，满足了诸如混凝土开裂或钢筋屈服等非线性计算的要求；
（4）通过节点处应变计算裂缝宽度，以满足构件单元出现刚体转角时计算误差；
（5）通过动静态分布式应变传感，以满足静态或动态转角测量的要求，为实现实时的动静态转角监测提供解决方法。
附图说明
图1是本发明高性能结构动静态转角仪的上视剖面图（左）。
图2是本发明高性能结构动静态转角仪内封装式轴向剖面图（右上）。
图3是本发明高性能结构动静态转角仪外封装式轴向剖面图（右下）。
图4是构件内传感单元及转角仪尺寸示意图。
图5是大型结构中转角仪分布布设示意图。
其中：
1-长标距应变传感单元；2-底板；3-连接跳线；4-受弯构件；5-支承构件；6-结合处；7-跨中；8-转角仪单元；l1-转角仪外侧到边缘距离；l2-转角仪内侧到边缘距离；A-构件受拉侧；B-构件受压侧；C-单元水平宽度；D-变形前单元高度；E-变形后单元高度；
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明：
请参照图1至图3所示，本发明高性能结构动静态转角仪是由一组或多组长标距应变传感单元1平行分布在底板2上，并整体封装而成。其中长标距应变传感单元1由能实现反应标距内平均应变变化特征值的长标距应变传感器组成，如长标距光纤或者碳纤维应变传感器。
请参照图1至图3并结合图4所示，本发明高性能结构动静态转角仪可以采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，各个待测构件包含的长标距应变传感单元1的数目根据测量要求及现场条件而制定。各个待测构件内长标距应变传感单元1的数目不应大于三，单元水平间隔不小于2厘米。
对于截面较小的待测构件，可采用单根长标距应变传感单元组成转角仪。如需要满足待测构件内转角分布测量要求时，根据待测构件竖直方向长度，可采用多根长标距应变传感单元分布串联组成转角仪。对于截面较宽或者需要满足大变形检测目的的构件，可使用多根并行排列的分布式长标距应变传感单元而组成转角仪。
前述的待测构件可以是一种或多种材料组成的柱或梁等受弯构件。
请参照图1至图3并结合图4至图5所示，本发明高性能结构动静态转角仪的测量方法包括如下步骤：
步骤一：根据监测对象结构的类型和几何尺寸，将监测对象结构中的各构件划分为长标距应变传感单元，并布设分布式应变传感网络；
步骤二：根据传感网络测量各构件内长标距应变传感单元的初始应变分布，如某一构件内长标距应变传感单元数目大于1需按其在构件内水平位置划分子传感单元；
步骤三：根据各构件内长标距应变传感单元内的实测应变变化，并计算构件端部对应的转角；
步骤四：叠加以上步骤获得的各构件转角，整合结构内各节点的转角。
在上述步骤二中，初始应变值是由长标距应变传感器测量获得，长标距应变传感器布设时需贯穿结点位置。
当某一构件内长标距应变传感单元数目等于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤：
步骤a.根据长标距应变传感单元的应变变化及对应构件的受力模型，整合构件内弯曲应变分布；
步骤b.根据纤维模型赋予长标距应变传感单元端部对应截面的应变分布，并迭代计算该截面内中性轴高度；
步骤c.根据以上步骤获得的中性轴高度、应变分布，计算长标距应变传感单元端部对应截面的曲率；
步骤d.根据截面内曲率及构件内对应位置，叠加计算长标距应变传感单元端部对应转角。
在步骤b中所述的中性轴高度迭代计算，具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ.在长标距应变传感器对应的截面内从压缩侧到张拉，以微小间隔将截面划分为层次，并依次将所述各层假定为中性轴；
步骤Ⅱ.根据构件受弯区应变分布，按照步骤Ⅰ假定的中性轴位置，依据平截面假定原理，赋予截面内各层对应的应变值；
步骤Ⅲ.根据材料应力-应变本构关系，分别计算该截面内混凝土、钢筋以及各种材料对应的应力；
步骤Ⅳ.根据计算获得的应力，分别计算截面内的压缩侧和张拉侧的内力；
步骤Ⅴ.依次重复第Ⅰ步到第Ⅳ步的循环，直至截面内合力为零，停止循环，记录该点对应的中性轴位置；
步骤Ⅵ.利用步骤Ⅴ获得的中性轴位置和对应的应变，计算截面内的曲率；
步骤Ⅶ.根据截面内曲率和对应的位置，获得构件弯曲转角。
当某一构件内长标距应变传感单元数目大于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤：
步骤a.根据各子传感单元的应变变化及构件组成材料本构关系，判断是否出现塑性变形；
步骤b.根据子传感单元的几何尺寸，计算单元结点处刚体转角；
步骤c.根据以上步骤获取的单元节点处刚体转角，按照叠加原理获取构件端部的转角增量。
本发明高性能结构动静态转角仪的测量方法满足线性的计算要求，同时满足诸如混凝土开裂或钢筋屈服等非线性计算要求。
上述构件在轴向受拉或受压等受力情况复杂时，可以满足高精度计算的要求。
根据上述刚体转角和弯曲转角的总和计算出总转角，该总转角根据分布式应变传感方式不同，可以满足静态或动态的测量要求。
为了进一步阐述本发明的高性能结构动静态转角仪及其测量方法，下面结合具体的实施例来阐述：
第一步：对高h宽b的受弯构件4，从构件锚固段开始安装包含2个平行排列的长标距应变传感单元组成的转角仪，安装完成后记录对应的初始应变分布ε(n)。
第二步：当构件受弯时，根据图4所示构件及转角仪几何尺寸以及转角仪内平2个传感应变差Δε，按照下式获取锚固段开裂高度，并计算刚体转角θs。
第三步：通过受弯构件端部测量的应变值，根据分布式测量整合
| θs=arctan(Δε*(l1-l2)/h) | 式1 |
构件中受弯应变分布ε*(n)，获取传感器中心距离受弯构件固定端的距离L(i)，以及传感器距离形心位置Yf，生成数据矩阵。
根据截面纤维模型以及平截面假定原理，假定中性轴位置。
首先根据实际应用中受弯构件一般承受轴向及弯曲荷载产生侧向弯曲的特性，依据纤维模型赋予各个纤维截面，从受弯构件的压缩侧边缘开始，以一定的微小间隔d递增，依次假定为中性轴所处位置x。
根据平截面假定原理，依据假定的中性轴位置计算，按照式1计
算截面内的压缩侧边缘的应变εc0。
根据计算获得的应变εc0，按照式2以及截面内各层混凝土中心到假定的中性轴距离Yc计算截面内应变εc(i)。
根据计算获得的应变εc0，按照式3以及截面内钢筋到假定的中性轴距离Ys计算截面内钢筋应变εs。
根据材料应力-应变本构关系，分别计算该截面内各层混凝土应力σc(i)、钢筋应力σs以及其他材料对应的应力σf。
根据计算获得的各种材料的应力以及对应的横截面，分别计算各个假定的截面内的总内力和。
当总内力和为零或接近计算精度时，停止计算并记录该截面对应的中性轴位置x’和压缩侧边缘的应变εc0’。
第四步：利用获得的中性轴位置和对应的应变，按照式4计算曲率φ。
第五步：根据获得的曲率和对应的位置，按照式5和6获得受弯构件自由端位移δ，并计算弯曲转角θf。
第六步：根据第二步获得的刚体转角θs和第五步获得的弯曲转角θf，按照式8计算构件总转角θ。
在高1米，宽200毫米，长200毫米的钢筋混凝土柱的侧弯试验中表明：将单根内包含5个长标距应变传感单元的转角仪，沿柱轴向方向，按照图4所示安装在柱的表面，并在柱加载点的另一侧安装水平位移计。在柱自由端施加水平推力，可以测量各个加载级别下柱中对应的各段应变，按照本发明所述方法经过计算，可以得到结构的加载端转角。可以发现，计算得到的柱构件加载端转角和实测的转角非常吻合。
在高速铁路桥的某一跨的转角监测中表明：将多组长度为1米的转角仪，按照图5所示安装在桥主跨和主支撑柱上，安装完成后记录下初始值。当无列车通过时，按照本发明所述方法获得实时转角数据。对比基于有限元模拟获得计算值可以发现，转角仪实测的转角和理论值非常吻合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高性能结构动静态转角仪，其特征在于：所述转角仪由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成；所述长标距应变传感单元由能实现反应标距内平均应变变化特征值的长标距应变传感器组成。
2.根据权利要求1所述的一种高性能结构动静态转角仪，其特征在于：所述长标距应变传感器为长标距光纤或者碳纤维应变传感器。
3.根据权利要求2所述的一种高性能结构动静态转角仪，其特征在于：所述各个待测构件内长标距应变传感单元数目不大于三，长标距应变传感单元水平间隔不小于2厘米。
4.一种如权利要求1所述的高性能结构动静态转角仪的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤
步骤一：根据监测对象结构的类型和几何尺寸，将监测对象结构中的各构件划分为长标距应变传感单元，并布设分布式应变传感网络；
步骤二：根据传感网络测量各构件内长标距应变传感单元的初始应变分布，如某一构件内长标距应变传感单元数目大于1需按其在构件内水平位置划分子传感单元；
步骤三：根据各构件内长标距应变传感单元内的实测应变变化，并计算构件端部对应的转角；
步骤四：叠加以上步骤获得的各构件转角，整合结构内各节点的转角。
5.根据权利要求4所述的一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，其特征在于：在步骤二中所述的初始应变值是由长标距应变传感器测量获得，所述长标距应变传感器布设时贯穿结点位置。
6.根据权利要求4所述的一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，其特征在于：当某一构件内长标距应变传感单元数目等于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤：
步骤a：根据长标距应变传感单元的应变变化及对应构件的受力模型，整合构件内弯曲应变分布；
步骤b：根据纤维模型赋予长标距应变传感单元端部对应截面的应变分布，并迭代计算该截面内中性轴高度；
步骤c：根据以上步骤获得的中性轴高度、应变分布，计算长标距应变传感单元端部对应截面的曲率；
步骤d：根据截面内曲率及构件内对应位置，叠加计算长标距应变传感单元端部对应转角。
7. 根据权利要求6所述的一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，其特征在于：在步骤b中所述的中性轴高度迭代计算，具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ.在长标距应变传感器对应的截面内从压缩侧到张拉，以微小间隔将截面划分为层次，并依次将所述各层假定为中性轴；
步骤Ⅱ.根据构件受弯区应变分布，按照步骤Ⅰ假定的中性轴位置，依据平截面假定原理，赋予截面内各层对应的应变值；
步骤Ⅲ.根据材料应力-应变本构关系，分别计算该截面内混凝土、钢筋以及各种材料对应的应力；
步骤Ⅳ.根据计算获得的应力，分别计算截面内的压缩侧和张拉侧的内力；
步骤Ⅴ.依次重复第Ⅰ步到第Ⅳ步的循环，直至截面内合力为零，停止循环，记录该点对应的中性轴位置；
步骤Ⅵ.利用步骤Ⅴ获得的中性轴位置和对应的应变，计算截面内的曲率；
步骤Ⅶ.根据截面内曲率和对应的位置，获得构件弯曲转角。
8.根据权利要求4所述的一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，其特征在于：当某一构件内长标距应变传感单元数目大于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤：
步骤a：根据各子传感单元的应变变化及构件组成材料本构关系，判断是否出现塑性变形；
步骤b：根据子传感单元的几何尺寸，计算单元结点处刚体转角；
步骤c：根据以上步骤获取的单元刚体转角，按照叠加原理获取构件端部的转角增量。
9.根据权利要求4至8中任意一项所述的一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，其特征在于：所述测量方法满足线性的计算要求，同时满足混凝土开裂或钢筋屈服的非线性计算要求。
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