CN107085087B - 土石结构体材料性态转移辨识系统及方法 - Google Patents

土石结构体材料性态转移辨识系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土石结构体材料性态转移辨识系统，包括载纤钢桶，所述载纤钢桶的中心设有内穿芯槽，在载纤钢桶内沿内穿芯槽的中心圆周分布有至少三个温感孔，温感孔内安装有温度监测用传感光纤，在载纤钢桶的外表面圆周分布有至少三个应变装夹装置，应变装夹装置上装夹有应变感测部件。本发明基于单元体层面性态监测装置的本体和层面材料差异性等对温度应变产生影响的等效温度线膨胀系数、比热等参数确定的方法，大大提高了监测的能力，极好地满足了实际土石结构性态诊断的需求，对当前土石结构性态健康监测探究提供了重要的保障，在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有突出优势。

Description

土石结构体材料性态转移辨识系统及方法
技术领域
本发明涉及土石结构体材料性态转移辨识系统及方法，属于结构体安全健康监测领域。
背景技术
关于土石结构温度场变化规律及变温场对土石体结构性态的影响问题越来越受重视，土石结构层面和本体结合部作用机理问题较为突出，有关土石结构温度场及其对土石结构作用效应影响的研究仍是业内研究的一个重要的课题。
土石结构主要受水压荷载、温度荷载等因素的作用产生各种效应，这些效应除了受荷载影响，也与土石结构的物理力学参数有着紧密的联系。土石结构因其层层施工的特点，存在大量的碾压层，层面的弹性模量、温度线膨胀系数等物理力学参数与本体存在差异。
研究表明土石结构由于层面与本体温度线膨胀系数、比热等材料特性参数存在差异，土石结构在温度变化作用下在层面方向和垂直于层面方向产生应变增量，影响土石结构温度应力和温度应变。此外，因层面和本体的温度线膨胀系数不同，它们在竖向和横向的自由膨胀也就不同，本体和层面间也会产生接触附加应力。
目前，现有文献研究通过建立薄片模型，应用材料力学方法，推求出层面与本体由于不同线膨胀系数、弹性参数等引起的微观应力，预测了能综合反映层面对温度应变影响的水平向和竖向等效线膨胀系数，但现有的研究中没有从能量守恒的角度对材料特性参数等效进行分析，分析结果的合理性有待商榷。
基于上述背景，本发明专利突破传统意义上土石结构材料特性参数的辨识方法，提出了基于单元体层面性态监测装置的本体和层面材料差异性等对温度应变产生影响的等效温度线膨胀系数、比热等参数确定的方法，最大程度地实现了真实情况下监测土石结构体的服役性态。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种土石结构体材料性态转移辨识系统及方法，基于单元体层面性态监测装置的本体和层面材料差异性等对温度应变产生影响的等效温度线膨胀系数、比热等参数确定的方法，大大提高了监测的能力，极好地满足了实际土石结构性态诊断的需求，对当前土石结构结构性态健康监测探究提供了重要的保障，在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有突出优势。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的土石结构体材料性态转移辨识系统，包括载纤钢桶，所述载纤钢桶的中心设有内穿芯槽，在载纤钢桶内沿内穿芯槽的中心圆周分布有至少三个温感孔，温感孔内安装有温度监测用传感光纤，在载纤钢桶的外表面圆周分布有至少三个应变装夹装置，应变装夹装置上装夹有应变感测部件。
作为优选，所述应变感测部件包含固定在载纤钢桶上的安装凸台，安装凸台上设有卡纤孔，卡纤孔内安装有应变监测用传感光纤。
作为优选，所述温感孔有四个，沿内穿芯槽的中心圆周均布。
作为优选，所述应变感测部件有四个，沿载纤钢桶的中心圆周均布。
一种上述的土石结构体材料性态转移辨识系统的辨识方法，包括以下步骤：
第一步，在温感孔内布设温度监测用传感光纤；
第二步，基于待监测体中骨架的位置与尺寸，配备内穿芯槽，待内穿芯槽配置到待测土石结构内的布设路线中，基于布设路线，将配置好的载纤钢桶埋设到待测土石结构中，完成单元体层面性态监测装置的布设与安装；
第三步，选取本体和层面为单元体；层面的弹性模量为Ea，层面的泊松比为μa，层面的温度线膨胀系数为αa，层面的比热为Ca，层面的密度为ρa，层面的体积为Va，层面的等效厚度为ba；本体的弹性模量为Ec，本体的泊松比为μc，本体的温度线膨胀系数为αc，本体的比热为Cc，本体的密度为ρc，本体的体积为Vc，本体的厚度为bc，单元体的厚度为B＝ba+bc；单元体x方向和y方向均取单位长度；
第四步，在竖向方向上对单元体进行材料特性参数等效分析：根据能量守恒可知，Caρa△TaVa+Ccρc△TcVc＝Cvρv△TvVv，其中，ΔTa为层面的温度变化，ΔTc为本体的温度变化，Cv为单元体竖向等效比热，ρv为单元体竖向等效密度，△Tv为单元体竖向等效温度变化，温升或温降，Vv为单元体竖向等效体积；根据热力学知识有：CaρaVa+CcρcVc＝Cv(ρaVa+ρcVc)；在竖直方向几何方程为△la+△lc＝△l，其中，Δla为层面竖向长度变化，Δlc为本体竖向长度变化，Δl为单元体竖向长度变化；物理方程为：εa＝△Taαa、εc＝△Tcαc，其中，εa为层面自由应变，εc为本体自由应变；则，△Taαaba+△Tcαc(B-ba)＝△TvαvB，其中，αv为单元体竖向等效温度线膨胀系数，
此外，由质量守恒定律有：由上分析，可得到土石结构单元体竖向热力学等效参数，单元体竖向等效温度变化：单元体竖向等效比热单元体竖向等效温度线膨胀系数：
第五步、在横向方向上对单元体进行材料特性参数等效分析：αl为单元体横向等效温度线膨胀系数，ρl为单元体横向等效密度，△Tl为单元体横向等效温度变化，温升或温降，Cl为单元体横向等效比热，El为单元体横向等效弹性模量，温度变化为△T，本体和层面温度均匀变化，在约束和温度荷载作用下，单元体有：静力平衡方程：σaxba+σcx(B-ba)＝0，其中，σax为层面在横向上产生的附加应力，σcx为本体在横向上产生的附加应力；几何方程为：εax＝εcx＝εx，其中，εax为层面在横向上的线应变，εcx为本体在横向上的线应变，εx为单元体在横向上的线应变；物理方程为：其中，Ec为本体横向等效弹性模量，Ea为层面横向等效弹性模量；由上式联立求解，可得： 横向单元体等效温度线膨胀系数αl求解：由上求得的附加应力代入物理方程中，可得：由ε*＝αl△T，可以求得单元体横向等效温度线膨胀系数：由热平衡原理可知：△TClρlVl＝Caρa△TVa+Ccρc△TVc，则单元体横向等效比热：
通过以上步骤的操作，实现了土石结构材料特性参数获取过程。
有益效果：本发明首创提出了基于单元体层面性态监测装置的本体和层面材料差异性等对温度应变产生影响的等效温度线膨胀系数、比热等参数确定的方法，基于单元体层面性态监测装置所提供的各物理参数，从竖向与横向两个方向上开展了材料特性参数等效分析，最大程度地反映了真实情况下土石结构体的服役性态，为结构体安全监测提供了重要支撑和保障。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2所示，本发明土石结构体材料性态转移辨识系统，包括载纤钢桶6，所述载纤钢桶6的中心设有内穿芯槽5，在载纤钢桶6内沿内穿芯槽5的中心圆周均匀分布有四个温感孔，分别为第一温感孔7、第二温感孔8、第三温感孔9和第四温感孔10，在第一温感孔7、第二温感孔8、第三温感孔9和第四温感孔10内分别安装有第一温度监测用传感光纤、第二温度监测用传感光纤、第三温度监测用传感光纤和第四温度监测用传感光纤，在载纤钢桶6的外表面圆周分布有四个应变装夹装置2，应变装夹装置2上装夹有应变感测部件，所述应变感测部件包含固定在载纤钢桶6上的安装凸台，安装凸台焊接在载纤钢桶6上，安装凸台上设有卡纤孔，卡纤孔包含第一卡纤孔3、第二卡纤孔11、第三卡纤孔12和第四卡纤孔13，第一卡纤孔3、第二卡纤孔11、第三卡纤孔12和第四卡纤孔13内分别安装有第一应变监测用传感光纤、第二应变监测用传感光纤、第三应变监测用传感光纤和第四应变监测用传感光纤。
本发明中，配备直径为10cm的内穿芯槽5，待直径为10cm的内穿芯槽5沿着各骨架结构配置完成之后，直径为0.5cm第一卡纤孔3、直径为0.5cm第二卡纤孔11、直径为0.5cm第三卡纤孔12和直径为0.5cm第四卡纤孔13内配置有GJJV型号紧套传感光纤，直径为0.5cm的第一温感孔7、直径为0.5cm的第二温感孔8、直径为0.5cm的第三温感孔9、直径为0.5cm的第四温感孔10内配置有GJJV型号紧套传感光纤，且直径为0.5cm的第一卡纤孔3、直径为0.5cm的第二卡纤孔11、直径为0.5cm的第三卡纤孔12和直径为0.5cm的第四卡纤孔13为处于0°、90°、180°、270°方向上的结构体，可提供0°、90°、180°、270°方向上的应变监测信息。
本发明中，直径为0.5cm的第一温感孔7、直径为0.5cm的第二温感孔8、直径为0.5cm的第三温感孔9、直径为0.5cm的第四温感孔10为处于0°、90°、180°、270°方向上的测孔，完成单元体层面性态监测装置的布设与安装，本体和层面的温度和应变分别测量。
采用如图1所示的方法，基于单元体层面性态监测装置，得到某土石结构性能参数为：本体的温度线膨胀系数αc＝9.8×10-6/℃，本体的弹性模量Ec＝2.8×104MPa，本体的密度ρc＝2.4×103kg/m3，本体的比热容Cc＝0.75kJ/kg℃；层面的温度线膨胀系数αa＝8.2×10-6/℃，层面的弹性模量Ea＝2.2×104MPa，层面的密度ρa＝1.9×103kg/m3，层面的比热容Ca＝1.8kJ/kg℃；土石层厚度B＝30cm，层面厚度ba＝2cm；假设温度监测用传感光纤监测的土石土本体和层面均产生5℃温升，仅在变温作用下对土石结构综合温度线膨胀系数等参数进行计算，并考察层面和本体间附加应力，由本发明所提出的方法可得：
土石单元体综合比热
竖向等效温度线膨胀系数
横向等效温度线膨胀系数
经计算，在上述温度变化下，本体中产生横向附加应力为：
层面在横向上产生附加应力：
最终完成了获取某土石结构材料特性参数的工作。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种土石结构体材料性态转移辨识系统，其特征在于：包括载纤钢桶，所述载纤钢桶的中心设有内穿芯槽，在载纤钢桶内沿内穿芯槽的中心圆周分布有至少三个温感孔，温感孔内安装有温度监测用传感光纤，在载纤钢桶的外表面圆周分布有至少三个应变装夹装置，应变装夹装置上装夹有应变感测部件。
2.根据权利要求1所述的土石结构体材料性态转移辨识系统，其特征在于：所述应变感测部件包含固定在载纤钢桶上的安装凸台，安装凸台上设有卡纤孔，卡纤孔内安装有应变监测用传感光纤。
3.根据权利要求1所述的土石结构体材料性态转移辨识系统，其特征在于：所述温感孔有四个，沿内穿芯槽的中心圆周均布。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的土石结构体材料性态转移辨识系统的辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在温感孔内布设温度监测用传感光纤；
第二步，基于待监测体中骨架的位置与尺寸，配备内穿芯槽，待内穿芯槽配置到待测土石结构内的布设路线中，基于布设路线，将配置好的载纤钢桶埋设到待测土石结构中，完成单元体层面性态监测装置的布设与安装；
第三步，选取本体和层面为单元体；层面的弹性模量为Ea，层面的泊松比为μa，层面的温度线膨胀系数为αa，层面的比热为Ca，层面的密度为ρa，层面的体积为Va，层面的等效厚度为ba；本体的弹性模量为Ec，本体的泊松比为μc，本体的温度线膨胀系数为αc，本体的比热为Cc，本体的密度为ρc，本体的体积为Vc，本体的厚度为bc，单元体的厚度为B＝ba+bc，单元体x方向和y方向均取单位长度；
第四步，在竖向方向上对单元体进行材料特性参数等效分析：根据能量守恒和热力学知识可知，可得到土石结构单元体竖向热力学等效参数，单元体竖向等效温度变化：单元体竖向等效比热单元体竖向等效温度线膨胀系数：其中，ΔTa为温度监测用传感光纤监测层面的温度变化，ΔTc为温度监测用传感光纤监测本体的温度变化；
第五步、在横向方向上对单元体进行材料特性参数等效分析：可以求得单元体横向等效温度线膨胀系数：
其中，△T为单元体的温度变化，Cl为单元体横向等效比热，αl为单元体横向等效温度线膨胀系数，σax为层面在横向上产生的附加应力，σcx为本体在横向上产生的附加应力，通过以上步骤的操作，实现了土石结构材料特性参数获取过程。
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