CN108709856B - 一种混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法 - Google Patents

一种混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法，主要包括裂缝监测系统和裂缝安全评估预警系统。裂缝监测系统利用光纤和光时域反射技术，可实现对混凝土裂缝三维立体式监测。裂缝安全评估预警系统，主要利用计算机和数值仿真技术，可实现混凝土裂缝监测数据的可视化，并可根据工程的实际情况对发生裂缝的危害性进行具体分析判断，根据判断结果发出预警。

Description

一种混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法
技术领域
本发明属于混凝土结构安全监测技术领域，具体涉及一种混凝土裂缝监测评估预警系统及预警方法。
背景技术
混凝土是建造大型建筑物的最主要材料，而混凝土本身具有易开裂的特点。当裂缝开展到一定程度或者裂缝发生在混凝土建筑物的关键位置时，将对建筑物的正常使用构成严重威胁。因此对混凝土建筑的开裂情况进行及时有效的监测，正确判断其危害性并采取相应的补救措施，是十分必要的。
裂缝监测方法中最传统的为人工观测方法，安排专门的工作人员对混凝土建筑物定时进行巡查，工作人员利用刻度尺等工具对观测到的裂缝进行测量。但该方法费时费力，而且肉眼很难观测到大体积混凝土结构内部的开裂情况。
近年来，学者们设计制造了很多不同形式的裂缝传感器，将这些裂缝传感器埋设于混凝土结构内部或者粘贴于结构表面，这些裂缝传感器就可以监测到建筑物在传感器所埋设位置的开裂情况。现有的裂缝传感器多为点式传感器，只能监测到传感器埋设位置的裂缝，所以通过这种方法只能获得的是混凝土建筑物某一点的开裂信息。但实际工程中混凝土裂缝是三维形式，现有的方法很难探测到混凝土的三维立体形态。另外，在裂缝危害性的判断方面，多依据裂缝的开度、工程的等级、裂缝发生位置等信息做一个定性的判断，很难综合考虑每个工程的特殊性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混凝土结构裂缝监测预警系统，能够实现对混凝土裂缝三维立体式监测，可实现混凝土裂缝监测数据的可视化，并可根据工程的实际情况对发生裂缝的危害性进行具体分析判断，根据判断结果发出预警。
一种混凝土结构裂缝监测预警系统，包括裂缝监测系统和裂缝安全评估预警系统；
所述裂缝监测系统包括埋设于混凝土内部的多层相互平行的光纤网格，每层光纤网格由若干横向光纤和纵向光纤构成，横向光纤和纵向光纤均与光时域反射仪连接；
所述裂缝安全评估预警系统包括监测数据存储模块、空间坐标系建立模块、三维有限元模型模块和预警平台模块；
所述监测数据存储模块用于存储发生局部光损耗光纤的相关信息参数；
所述空间坐标系建立模块用于建立被测混凝土结构与其内部光纤网络的共同空间坐标系；
所述三维有限元模型模块用于在空间坐标系下建立被测混凝土结构的三维有限元模型，进行应力应变分析；
所述预警平台模块用于将分析结果发送至预警设备，发出预警。
优选地，每层光纤网格中的横向光纤相互平行，纵向光纤相互平行。
优选地，任意一条横向光纤和任意一条纵向光纤的夹角为一非零值，且任意一条横向光纤和任意一条纵向光纤构成的夹角相同。
优选地，所述发生局部光损耗光纤的相关信息参数包括发生局部光损耗光纤所埋设的高度、所在光纤网格层横纵向的列数、光损耗大小、光损耗点距光时域反射仪的距离。
本发明还提供了运用上述混凝土结构裂缝监测预警系统进行裂缝预警的方法，包括如下步骤：
(1)埋设用于监测的光纤网格，记录每层光纤网格的埋设高度，及每层光纤网格横向光纤和纵向光纤的列数；
(2)利用光时域反射仪对被测混凝土结构内的光纤网格进行监测，若监测到光纤网络中有局部光损耗发生，则依次将发生局部光损耗光纤所埋设的高度、所在光纤网格层横、纵向的列数、光损耗大小、光损耗点距光时域反射仪的距离进行汇总，并发送至裂缝安全评估预警系统的监测数据存储模块中；
(3)建立被测混凝土结构与其内部光纤网络的共同空间坐标系：在该空间坐标系下，将步骤(2)的监测数据存储模块中各条光纤发生局部光损耗点的位置信息转换为X、Y、Z三方向的坐标信息，根据光损耗点的坐标信息得到光损耗点处裂缝与光纤的夹角及裂缝的宽度；
(4)空间坐标系下，建立被测混凝土结构的三维有限元模型，进行应力应变分析；
(5)若步骤(4)的分析结果中，裂缝的存在使被测混凝土结构出现拉应力区，则将该信息发送至预警设备，进行预警。
优选地，步骤(1)中具体埋设方法为：混凝土浇筑过程中，在每层混凝土表面开槽，其形状与光纤网格的形状一致；在横纵两方向开槽，槽的数量与横纵向光纤条数相等，槽的宽度和深度均大于光纤直径，将光纤平直放置于槽内，用细骨料混凝土掩埋，将槽内细骨料混凝土振捣密实后继续浇筑下一层混凝土，并在下一层混凝土表面开槽布设下一层光纤网格。
优选地，步骤(3)利用两相邻光损耗点的坐标信息可以得出裂缝在两光纤间的方向向量i＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，其中，相邻光损耗点的坐标分别为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)；然后结合光损耗点所在光纤在该点处的方向向量j，利用向量夹角公式得出裂缝与光纤在光损耗点处的夹角θ；将光损耗点处的光损耗值L和夹角θ代入裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)，得出裂缝宽度。
优选地，函数关系式w＝f(θ,L)的获取方法为：实验室内通过裂缝模拟实验获得所使用型号的光纤在与裂缝呈不同夹角时，不同裂缝开度w时光纤内部发生的光损耗L的大小；利用多次实验回归分析得出裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)。
优选地，具体裂缝模拟实验方法为：制备多组混凝土梁，混凝土梁内部埋设光纤，混凝土梁底面切割诱导缝，光纤与诱导缝呈夹角θ(0°<θ<90°)，进行三点弯曲梁实验，光时域反射仪同步监测光纤内部光损耗；实验过程中，混凝土梁在集中力作用下会在诱导缝处发生裂缝，随着不断加载裂缝宽度逐渐增大，光时域反射仪探测不同裂缝开裂下的光损耗值。
优选地，步骤(4)中，调取包含光损耗点坐标和裂缝开度数据和包含有限元模型单元节点信息数据在所有光损耗点范围内添加薄层单元，薄层单元厚度为各光损耗点裂缝宽度的平均值，如此形成被测混凝土结构带缝状态下新的单元节点数据；然后进行应力应变分析；其中薄层单元的模量取为被测混凝土材料模量的1/10。
与现有技术相比，本发明可在监测裂缝的同时，完成开裂情况下对被测结构安全性的评估。裂缝监测系统中特殊的光纤网络造型可实现在立体空间内对结构裂缝实施三维立体式监测。利用被测结构和裂缝三维空间数据与被测结构的工程资料进行三维有限元分析，判断裂缝危害性的方法，可提高裂缝危害性判断的准确性和针对性。本发明中裂缝监测与评估预警是同步进行，显著提高了裂缝监测的自动化和智能化水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明监测预警系统的原理示意图；
图2为裂缝监测系统的结构示意图；
图3为每层光纤网格的平面图；
图4为光损耗值与裂缝宽、光纤与裂缝夹角的关系曲线图；
图5为光纤与裂缝夹角分析示意图；
图6为裂缝模拟实验方法的原理示意图；
图7为裂缝三维可视化的效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供了一种混凝土结构裂缝监测预警系统，包括裂缝监测系统和裂缝安全评估预警系统；
所述裂缝监测系统包括埋设于混凝土内部的多层相互平行的光纤网格1，每层光纤网格1由若干横向光纤3和纵向光纤4构成，横向光纤3和纵向光纤4均与光时域反射仪2连接。
所述裂缝安全评估预警系统包括监测数据存储模块、空间坐标系建立模块、三维有限元模型模块和预警平台模块；所述监测数据存储模块用于存储发生局部光损耗光纤的相关信息参数；所述空间坐标系建立模块用于建立被测混凝土结构与其内部光纤网络的共同空间坐标系；所述三维有限元模型模块用于在空间坐标系下建立被测混凝土结构的三维有限元模型，进行应力应变分析；所述预警平台模块用于将分析结果发送至预警设备，发出预警。
光纤具有传输光的特性，将光纤埋设于混凝土中，在混凝土结构产生裂缝且与光纤相交时，裂缝处光纤将会在开裂的作用下发生一定程度的弯曲，当光纤内部的光经过该弯曲时会发生光损耗，利用光时域反射仪可以探测到光纤内部发生光损耗的位置和损耗的大小。
上述多层相互平行的光纤网格1在混凝土结构内可以沿高度方向布置，也可沿厚度方向布置。多层相互平行的光纤网格1可形成一个立体式监测空间。每层光纤网格1由横向光纤3和纵向纵光纤4两组光纤构成。如果仅有横向或纵向一组光纤，当裂缝开裂方向与光纤组平行时，裂缝无法与光纤相交，从而无法实现监测目的。上述横向和纵向的每组光纤中的各条光纤都相互平行。每组光纤相互平行可以获得形状规则的光纤网格，有助于裂缝的定位和开裂方向的辨别。上述光纤网格中同方向相互平行的光纤之间的间距可大可小，具体间距值根据监测精度需要而定，所需精度高时间距小，所需精度低时间距大。
上述任意一条横向光纤3和任意一条纵向光纤4的夹角为一非零值，且无需保证该夹角为90度直角，但应保证任意一条横向光纤和任意一条纵向光纤构成的夹角相同。上述横向和纵向光纤组中的光纤无需一定是直线型，在保证平行的前提下也可以是其他任意曲线形式。
采用该监测预警系统的预警方法包括如下步骤：
(1)埋设光纤监测网络，记录每层光纤网格1的埋设高度，及每条光纤在每层光纤网格横向或纵向中的列数。具体埋设方法为：混凝土浇筑过程中，在每层混凝土表面开槽，与光纤网格的形状一致，在横纵两方向开槽，槽的数量与横纵向光纤条数相等，槽的宽度和深度均大于光纤直径，将光纤平直放置于槽内，用细骨料混凝土掩埋，将槽内细骨料混凝土振捣密实后继续浇筑下一层混凝土，并在下一层混凝土表面开槽布设下一层光纤网格。
(2)利用光时域反射仪2对被测混凝土结构内的光纤网格进行监测，若监测到光纤网络中有局部光损耗发生，则依次将发生局部光损耗光纤所埋设的高度、所在光纤网格层横纵向的列数、光损耗大小、光损耗点距光时域反射仪的距离等信息存储于监测数据存储模块。
(3)建立被测混凝土结构与其内部光纤网络的共同空间坐标系。在该空间坐标系下，将第二步中监测数据存储模块中各条光纤发生局部光损耗点的位置信息转换为X、Y、Z三方向的坐标信息。根据光损耗点的坐标信息求光损耗点处裂缝与光纤的夹角及裂缝的宽度，具体求解方法为：利用两相邻光损耗点的坐标信息可以得出裂缝在两光纤间的方向向量i＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，在空间坐标系下各条光纤的方向向量j为已知量，结合光损耗点所在光纤在该点处的方向向量j，利用向量夹角公式便可得出裂缝与光纤在光损耗点处的夹角θ，如图5。
接下来，将光损耗点处的光损耗值L和光纤与裂缝的夹角θ，代入裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)，得出裂缝宽度。函数关系式w＝f(θ,L)的获取方法为：实验室内通过裂缝模拟实验获得所使用型号的光纤在与裂缝呈不同夹角时，不同裂缝开度w时光纤内部发生的光损耗L的大小。多次实验回归分析得出裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)。参见图6，具体裂缝模拟实验方法为：制备多组混凝土梁，混凝土梁内部埋设光纤，混凝土梁底面切割诱导缝，光纤与诱导缝呈夹角θ(0°<θ<90°)。进行三点弯曲梁实验，光时域反射仪同步监测光纤内部光损耗。实验过程中，混凝土梁会在集中力作用下会在诱导缝处发生裂缝，随着不断加载裂缝宽度逐渐增大，光时域反射仪探测不同裂缝开裂下的光损耗值。
(4)空间坐标系下，建立被测混凝土结构的三维有限元模型，将三维有限元模型的单元节点信息以dat文件格式导出。
利用Fortran语言编制主程序，程序读取步骤(3)中的包含光损耗点坐标和裂缝开度数据和包含有限元模型单元节点信息的数据，在所有光损耗点范围内添加薄层单元，薄层单元厚度为各光损耗点裂缝宽度的平均值。如此形成被测混凝土结构带缝状态下新的单元节点数据。程序利用新的单元节点数据，编制商业有限元软件Abaqus计算所需的inp文件，该inp文件中包含单元节点数据、单元的分区、材料参数、边界条件、外部荷载等信息，其中薄层单元的模量取为被测混凝土材料模量的1/10。最后程序调用Abaqus软件对所得inp文件进行计算。计算结果推送到计算机屏幕上呈现的可视化效果参见图7所示。
(5)混凝土材料具有抗压能力强而抗拉能力弱的特点，若步骤(4)最后的计算结果中，裂缝的存在使被测混凝土结构出现拉应力区，则将该信息发送至预警设备，发出预警。
本发明的裂缝安全评估预警系统可将结构裂缝三维空间数据与被测混凝土结构的三维空间数据整合，在计算机屏幕实现裂缝三维可视化，同时可构建被测混凝土结构带缝状态下的三维有限元模型，并进行应力应变分析。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种混凝土结构裂缝监测预警系统，其特征在于，包括裂缝监测系统和裂缝安全评估预警系统；
所述裂缝监测系统包括埋设于混凝土内部的多层相互平行的光纤网格，每层光纤网格由若干横向光纤和纵向光纤构成，横向光纤和纵向光纤均与光时域反射仪连接；
所述裂缝安全评估预警系统包括监测数据存储模块、空间坐标系建立模块、三维有限元模型模块和预警平台模块；
所述监测数据存储模块用于存储发生局部光损耗光纤的相关信息参数；
所述空间坐标系建立模块用于建立被测混凝土结构与其内部光纤网络的共同空间坐标系，
所述空间坐标系建立模块还用于：
在所述共同空间坐标系下，将所述监测数据存储模块中各条光纤发生局部光损耗点的位置信息转换为X、Y、Z三方向的坐标信息；
根据光损耗点的坐标信息求光损耗点处裂缝与光纤的夹角及裂缝的宽度，具体求解方法为：利用两相邻光损耗点的坐标信息可以得出裂缝在两光纤间的方向向量i＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，在空间坐标系下各条光纤的方向向量j为已知量，结合光损耗点所在光纤在该点处的方向向量j，利用向量夹角公式便可得出裂缝与光纤在光损耗点处的夹角θ；
将光损耗点处的光损耗值L和光纤与裂缝的夹角θ，代入裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)，得出裂缝宽度；
所述三维有限元模型模块用于在空间坐标系下建立被测混凝土结构的三维有限元模型，进行应力应变分析；
所述预警平台模块用于将分析结果发送至预警设备，发出预警。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测预警系统，其特征在于，每层光纤网格中的横向光纤相互平行，纵向光纤相互平行。
3.据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测预警系统，其特征在于，任意一条横向光纤和任意一条纵向光纤的夹角为一非零值，且任意一条横向光纤和任意一条纵向光纤构成的夹角相同。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测预警系统，其特征在于，所述发生局部光损耗光纤的相关信息参数包括发生局部光损耗光纤所埋设的高度、所在光纤网格层横纵向的列数、光损耗大小、光损耗点距光时域反射仪的距离。
5.使用权利要求1-4中任一项所述的混凝土结构裂缝监测预警系统进行裂缝预警的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)埋设用于监测的光纤网格，记录每层光纤网格的埋设高度，及每层光纤网格横向光纤和纵向光纤的列数；
(2)利用光时域反射仪对被测混凝土结构内的光纤网格进行监测，若监测到光纤网络中有局部光损耗发生，则依次将发生局部光损耗光纤所埋设的高度、所在光纤网格层横、纵向的列数、光损耗大小、光损耗点距光时域反射仪的距离进行汇总，并发送至裂缝安全评估预警系统的监测数据存储模块中；
(3)建立被测混凝土结构与其内部光纤网络的共同空间坐标系：在该空间坐标系下，将步骤(2)的监测数据存储模块中各条光纤发生局部光损耗点的位置信息转换为X、Y、Z三方向的坐标信息，根据光损耗点的坐标信息得到光损耗点处裂缝与光纤的夹角及裂缝的宽度；
步骤(3)利用两相邻光损耗点的坐标信息可以得出裂缝在两光纤间的方向向量i＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，其中，相邻光损耗点的坐标分别为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)；然后结合光损耗点所在光纤在该点处的方向向量j，利用向量夹角公式得出裂缝与光纤在光损耗点处的夹角θ；将光损耗点处的光损耗值L和夹角θ代入裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)，得出裂缝宽度；
(4)空间坐标系下，建立被测混凝土结构的三维有限元模型，进行应力应变分析；
(5)若步骤(4)的分析结果中，裂缝的存在使被测混凝土结构出现拉应力区，则将该信息发送至预警设备，进行预警。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中具体埋设方法为：混凝土浇筑过程中，在每层混凝土表面开槽，其形状与光纤网格的形状一致；在横纵两方向开槽，槽的数量与横纵向光纤条数相等，槽的宽度和深度均大于光纤直径，将光纤平直放置于槽内，用细骨料混凝土掩埋，将槽内细骨料混凝土振捣密实后继续浇筑下一层混凝土，并在下一层混凝土表面开槽布设下一层光纤网格。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，函数关系式w＝f(θ,L)的获取方法为：实验室内通过裂缝模拟实验获得所使用型号的光纤在与裂缝呈不同夹角时，不同裂缝开度w时光纤内部发生的光损耗L的大小；利用多次实验回归分析得出裂缝宽度w和光纤-裂缝夹角、光损耗L的函数关系式w＝f(θ,L)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，具体裂缝模拟实验方法为：制备多组混凝土梁，混凝土梁内部埋设光纤，混凝土梁底面切割诱导缝，光纤与诱导缝呈夹角θ(0°<θ<90°)，进行三点弯曲梁实验，光时域反射仪同步监测光纤内部光损耗；实验过程中，混凝土梁在集中力作用下会在诱导缝处发生裂缝，随着不断加载裂缝宽度逐渐增大，光时域反射仪探测不同裂缝开裂下的光损耗值。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，调取包含光损耗点坐标和裂缝开度数据和包含有限元模型单元节点信息数据在所有光损耗点范围内添加薄层单元，薄层单元厚度为各光损耗点裂缝宽度的平均值，如此形成被测混凝土结构带缝状态下新的单元节点数据；然后进行应力应变分析；其中薄层单元的模量取为被测混凝土材料模量的1/10。
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