CN103499458B - 工程结构损伤表征的变标距测试方法 - Google Patents

Abstract

工程结构损伤表征的变标距测试方法，属于结构智能健康监测和检测技术领域。其特征是在分布式感知元件上构建多种传感标距，随着损伤演化自适应动态选择相应尺度的传感标距，对结构进行分布式变标距测试，实现传感标距随着损伤演化的自适应匹配，兼顾结构整体和局部、量化局部损伤表征的全历程监测。本发明的效果和益处是发展了刻画结构局部大变形如塑性变形、屈曲、裂缝和界面相对滑移等损伤特征的时空演化的全历程监测方法，为重大结构的损伤与破坏倒塌机理提供有效的技术手段和可靠的数据支持，并服务于结构的安全评定和剩余寿命预测。

Description

工程结构损伤表征的变标距测试方法

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测技术领域，涉及一种工程结构损伤表征监测的变标距测试方法。

背景技术

桥梁、隧道、高层建筑和水坝等重要基础设施，在地震、风灾等环境荷载及人为事故等作用下，常引发由局部损伤累积演化或突发损伤导致的结构整体失效，其性态往往表现为强非线性和强耦合效应，而目前尚缺少成熟的分析理论和设计方法。因此，通过全历程监测，及时发现结构的损伤，对其扩展机理进行实时跟踪和反馈分析，合理评定结构的安全及剩余服役寿命，以形成预警机制消减灾害的影响程度，是最有效的方法之一。然而，结构局部性态的时空特征随着荷载作用和损伤演化过程的变化而不断改变，并在不连续点发生突变和内力重分布。因此，对于结构局部性态的时空特征演化的测试方式提出了新的要求。

当前，通常采用固定标距的光纤和光纤光栅、压电薄膜、同轴电缆及电阻式应变片等感知元件对工程结构变形进行监测，但对于结构损伤时空特征演化的测试存在以下两个问题：(1)在结构的损伤从微观至宏观的跨尺度演化过程中，固定的短标距感知元件无法实现损伤中后期的演化程度；固定的长标距感知元件对于损伤的出现和扩展不够敏感、且无法准确测量其损伤程度。(2)在结构损伤从局部至整体的扩展过程中，如采用固定长标距感知元件，则局部损伤程度被平均，无法实现损伤定位，很容易造成损伤误判；如采用固定的短标距感知元件，则可能因局部损伤程度超出测试量程退出工作，而需布置大量的感知元件；而分布式固定标距式传感技术存在以上类似的缺点。因此，随着损伤演化过程的发展，刻画结构损伤尺度的几何标距也要作相应的调整，有必要采用兼顾结构局部损伤和整体信息的变标距测试方法。

目前，已有学者通过光纤光栅和光纤共线传感的方式实现了结构全尺度大规模分布式的较高精度和局部高精度的测试；通过串联长标距光纤光栅实现分布式测量离散为等参单元结构的应变模态；通过在同轴电缆表面制作阻抗不连续提高其测试精度；通过在同轴电缆外导体层上刻系列薄弱螺纹或系列螺旋孔分布式测试大裂缝。以上改进的分布式传感技术，虽然在一定程度上实现了结构局部损伤和整体信息的测试，由于其本质上为固定标距测试方法，在损伤演化过程中不能随着损伤的几何尺寸而调整标距，无法精细地监测结构全历程的损伤。

发明内容

本发明目的是提供一种兼顾结构整体和局部、量化局部损伤表征的变标距测试方法，解决结构损伤时空演化过程中微观损伤不易被识别、宏观损伤超出测试量程、损伤全历程信息不易获取等应用问题。

本发明的技术方案是：

一种兼顾结构整体和局部、量化局部损伤表征的变标距测试方法，其实现步骤：为匹配结构局部损伤的几何尺寸，通过打孔、刻槽等减小横截面积的方式在分布式感知元件上制作N个薄弱截面，形成低反射点，由相邻的两低反射点构建合适的物理传感标距，考虑信号处理技术由任意不相邻的两低反射点重构传感标距，形成变标距传感探头；根据两个低反射点之间的传感效果，通过信噪比分析该技术的最大和最小标距、及其相应的空间分辨率；选用纤维增强复合塑料或硅橡胶等超弹性材料封装该变标距传感探头，通过材料性能试验测试封装后的传感探头在不同变形阶段的力学性能；根据结构的受力特点，将封装后的变标距传感探头粘贴或埋入结构。随着结构局部损伤出现前、损伤演化和失效破坏，针对结构的变形或损伤等局部性态随着时间和空间的突变、不连续等特征，以分布式感知元件的空间分辨率或前一阶段的测试标距为基准，采用优化的方式匹配结构损伤的几何尺度，从而得到损伤演化任意时空阶段的最优测试标距，量化结构局部损伤的特征，实现结构局部损伤全历程监测。

该变标距测试方法如一把游标卡尺，在位移精度得以保证的前提下根据对象自适应、调整卡口位置。

所述的N个薄弱截面是指两个、三个或多个薄弱截面，其具体数量由被测结构的几何尺寸及测试要求确定。

所述的匹配结构局部损伤的几何尺寸，是指传感标距与损伤的几何尺寸相近或在同一数量级内。

所述的分布式感知元件，是指索式或线式等可形成多种不同标距的传感元件。

所述的重构测试标距，是指通过信号处理技术重构传感标距，区别于物理传感标距。

所述的最优测试标距，是指在物理传感标距基础上，随着损伤时空演化，通过优化算法得到的测试标距。

本发明的效果和益处是：为监测结构整体信息和局部损伤表征提供了一种分布式的变标距测试方法；解决了监测过程中损伤的随机性和无法先知性、微观损伤不易有效识别、宏观损伤超出测试量程、损伤全历程信息不易获取等健康监测领域的难题；实现了结构局部大变形的塑性变形、屈曲、裂缝和界面相对滑移等损伤的全历程监测，为重大工程的损伤机理与破坏倒塌机制研究提供有效的技术手段及可靠的数据支持。

附图说明

附图1是用于工程结构损伤表征的变标距测试方法的传感探头结构图。

附图2是损伤初期阶段的变标距测试方法示意图。

附图3是损伤扩展阶段的变标距测试方法示意图。

附图4是损伤失效破坏阶段的变标距测试方法示意图。

附图2至附图4为针对裂缝损伤时空演化的变标距测试方法。

图中：1变标距传感探头；2损伤初期的标距；3初始裂缝；4损伤演化阶段的标距；5扩展中的裂缝；6失效破坏阶段的标距；7失效破坏阶段的裂缝。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种兼顾结构整体和局部、量化局部损伤表征的分布式的变标距测试方法，其变标距传感探头的结构示意图如附图1所示；其使用方法的示意图如附图2、附图3、附图4所示。

兼顾结构局部损伤和整体信息、量化工程结构损伤表征的变标距测试方法，其实施方式如下：

首先根据结构的固有特性及受力形式，基于分布式传感技术，通过高速钻机或飞秒激光等工具在在索式或线式元件上打孔或刻槽制作薄弱截面，形成低反射点，构建传感条件，由相邻的两点构建合适的物理传感标距，考虑信号处理技术由任意不相邻的两点重构传感标距，形成变标距传感探头；考虑任意两个低反射点的传感效果，通过信噪比分析该技术的最大和最小标距、及其相应的空间分辨率；然后，选用FRP、橡胶等超弹性材料封装将其进行封装，并通过室内基础实验检测传感器的应用效果，后将其埋入或外贴于被测结构对应的位置感知结构的变形；随着结构局部损伤出现前、损伤演化和失效破坏，针对结构的变形或损伤等局部性态随着时间和空间的突变、不连续等特征，针对任一损伤部位以其为中心选择一定的对称区域，得到该区域内随空间变化的应变曲线。以分布式感知元件的空间分辨率或前一阶段的测试标距为基准，以空间分辨率为步长选择测试标距，得到随空间变化的应变曲线，与前一阶段的应变曲线的一阶导数的吻合程度，采用优化的方式匹配结构损伤的几何尺度，从而得到损伤演化任意时空阶段的最优测试标距，量化结构局部损伤的特征，实现结构局部损伤全历程监测。

Claims (1)

1.一种工程结构损伤表征的变标距测试方法，其特征是：在分布式感知元件上制作N个薄弱截面形成低反射点，由相邻的两低反射点构建合适的物理传感标距，考虑信号处理技术由任意不相邻的两低反射点重构传感标距，形成变标距传感探头；随着结构局部损伤出现前、损伤演化和失效破坏，针对结构的变形或损伤随着时间和空间的突变、不连续特征，以分布式感知元件的空间分辨率或前一阶段的测试标距为基准，采用优化的方式匹配结构损伤的几何尺度，得到损伤演化任意时空阶段的最优测试标距，量化结构局部损伤的特征，实现结构局部损伤全历程监测。