CN108917830A - 一种具有自感应功能的智能墙体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有自感应功能的智能墙体，包括砌块墙体和分布式光纤传感器，砌块墙体中设有与分布式光纤传感器感应相连的感应元件，感应元件包括温度场监测光纤、第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤，其中温度场监测光纤穿过砌块墙体的孔洞后布设于砌块墙体内部，第一应变场监测光纤布设于砌块墙体外侧，第二应变场监测光纤布设于砌块墙体内侧，温度场监测光纤、第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤布设完成后连成整体监测线路，与分布式光纤传感器对接进行数据采集。本发明构建了具有自感应功能的智能墙体，可使砌块墙体能记录应变、温度的变化全过程，对裂缝的发生、开展以及保温、隔热及热传导等性质进行实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程砌块墙体的检测与监测技术领域，尤其是涉及一种具有自感应功能的智能墙体。
背景技术
1999年起我国将建筑节能工作的重点转向夏热冬冷地区，于2001年颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001)。同时，我国也积极开展了相关墙改工作，新型墙材的生产与推广应用已取得了显著发展，但是框架填充墙结构出现的裂缝问题严重影响建筑的使用功能，在裂缝处容易引起墙体渗漏和冷热桥效应，影响防水和保温隔热效果，对墙体的耐久性也非常不利。
砌块墙体“裂”的成因主要有：1)温度应力引起的裂缝；2)砌体干缩裂缝；3)施工操作原因导致的裂缝。框架填充墙中存在的严重裂缝问题，降低了住户的满意度，也引发了一些经济纠纷和社会矛盾，不利于和谐社会的建立。由于墙体裂缝问题，导致一些新型墙材的市场日益萎缩，同时没有一种高效、节能、经济的替代墙材的出现，影响了墙体改革事业的进展。国内外企业、设计院、高校对框架填充墙出现的裂缝进行分析与研究，提出了部分行之有效的裂缝控制方法，但终究没有彻底解决框架填充墙的裂缝问题，主要是由于目前尚未有相应的检/监测技术为能全面、系统的获取墙体应变及温度场。
申请号为201010253137.X的发明专利，公开了一种薄抹灰外墙外保温裂缝状态的检测评估方法及装置，该装置利用缝隙处洒水湿润后，薄抹灰外墙电阻会显著下降的特征，来判断裂缝类型及危害性；
申请号为200910060942.8发明专利，公开了一种墙裂警告装置，该装置采用一种很薄、里面装有金属导线的警告板粘贴在易裂处，一旦发生裂变，警示板拉断，从而报警告知人们采取相应措施。
上述专利技术虽然能有效的检测或监测裂缝开展的过程，但无法探明裂缝产生的机理。裂缝产生的潜在成因主要包括温度应力和干缩应力，本发明将基于分布式光纤传感技术构建具有自感应功能的智能墙体，用于检测、监测墙体的温度场、应力场，从而探明裂缝产生的机理。
分布式光纤传感技术(BOTDA/BOTDR)根据布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，当光纤沿线应变或温度发生变化时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移。频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。分布式光纤传感技术属于目前国际上最前沿的尖端技术，它与传统监测技术相比具有分布式、长距离、耐久性、抗电磁干扰、轻细柔韧等特点，利用其构建多维监测网的墙体应变及温度实时监测场，实现智能墙体，对裂缝的发生、开展以及保温、隔热及热传导等性质进行实时监测。依据监测数据和理论分析，研究温度应力、“湿涨干缩”等情况引起的墙体开裂的机理，进一步提升墙体开裂控制技术。
现有文献中，并未涉及本发明所构建的智能墙体技术。
发明内容
本发明目的在于，提供一种应用于土木工程领域的智能砌块墙体的构建方法，填补目前土木工程领域无法获取砌块墙体整体应变场和温度场，从而难以探明砌块墙体裂缝产生的机理，本发明可用于程砌块墙体裂缝检测/监测，以及砌块墙体的节能环保监测与评估。
为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有自感应功能的智能墙体，包括砌块墙体和分布式光纤传感器，砌块墙体中设有与分布式光纤传感器感应相连的感应元件，感应元件包括温度场监测光纤、第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤，其中温度场监测光纤穿过砌块墙体的孔洞后布设于砌块墙体内部，第一应变场监测光纤布设于砌块墙体外侧，第二应变场监测光纤布设于砌块墙体内侧，温度场监测光纤、第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤布设完成后连成整体监测线路，与分布式光纤传感器对接进行数据采集。
优选的，温度场监测光纤始终处于松弛状态，第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤始终处于张紧状态。温度场监测光纤、第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤均可采用900μm紧套光纤，如图2所示。
优选的，套有温度场监测光纤的孔洞上设有密封装置。
更优选的，密封装置为橡皮塞。
优选的，第一应变场监测光纤或第二应变场监测光纤通过光纤固定端定位，光纤固定端设于砌块墙体内部。
更优选的，光纤固定端包括定位光纤、保护套管和环氧树脂层，其中定位光纤为取自第一应变场监测光纤或第二应变场监测光纤的一段，并缠绕成圆环；保护套管包覆于定位光纤，环氧树脂层填充于保护套管内。
优选的，温度场监测光纤、第一应变场监测光纤和第二应变场监测光纤布设构成了网状的监测线路，如图6所示。
本发明还提供了一种如前所述的具有自感应功能的智能墙体的构建方法，包括如下步骤：
1)材料准备
针对监测对象计算需要的砌块数量，在每个砌块的侧面钻孔形成孔洞，相邻两个砌块的孔洞须对齐；在每个砌块的正面钻孔形成可安放光纤固定端的孔；在每个砌块的表面切割形成槽，相邻两个砌块的槽对齐；
2)砌墙及温度场监测光纤安装
砌墙与温度场监测光纤的布设需协调进行，完成一个砌块的安装后，将温度场监测光纤穿过孔洞，并用软木塞进行孔洞的封堵；重复前述操作步骤以完成下一个砌块的安装，直至砌完整个墙体；
3)应变场监测光纤安装
预先在室内加工好应变场监测光纤与光纤固定端，运至施工现场安装：先将第一个光纤固定端敲打进砌块中，用水泥砂浆填充第一个光纤固定端和孔之间的缝隙，再将第一个光纤固定端拉至另一个孔，并用测力计量测光纤的预拉力，使其值保持在3.0N；同样的，将第二个光纤固定端敲打进砌块中，并用水泥砂浆填充第二个光纤固定端和另一个孔之间的缝隙；最后，用水泥砂浆填充第一应变场监测光纤或第二应变场监测光纤各自与所开槽之间的空隙，完成安装；
4)系统调试
安装完成后，分别在温度场监测光纤、第一应变场监测光纤或第二应变场监测光纤的端部外接FC光纤接头，并连入分布式光纤传感器进行数据采集和分析。
本发明中，温度场监测光纤沿着砌块墙体厚度方向可布设多道，用以获取温度沿着墙体厚度的传递过程。温度场监测光纤布设时，首先在待测砌块指定位置打一个直径2cm左右的圆孔。将温度场监测光纤穿过后，采用软质橡皮塞将圆孔堵住，保证温度场监测光纤在砌块内始终处于松弛状态。
本发明中，布设第一应变场监测光纤或第二应变场监测光纤前，在砌块表面指定位置采用切割机划出一条深度约为1cm，宽度1cm的槽，同时采用钻孔机在砌块指定位置钻直径大于光纤固定端1cm的孔。第一应变场监测光纤或第二应变场监测光纤位置固定后，采用水泥砂浆填充砌块表面的槽，完成应变场监测光纤的布设，如图4所示。
本发明中，光纤固定端中的定位光纤要求为长度大于1.0m，缠绕成直径约4cm的圆环。环氧树脂层用以固定定位光纤，其直径约大于定位光纤，厚度约为1cm。在浇注环氧树脂层时，放置保护套管，起到防止光纤弯折作用。
本发明提供的具有自感应功能的智能墙体及构建方法，与现有技术相比，有益效果如下：
本发明构建了具有自感应功能的智能墙体，可使砌块墙体能记录应变、温度的变化全过程，对裂缝的发生、开展以及保温、隔热及热传导等性质进行实时监测。依据监测数据和理论分析可实现温度应力、“湿涨干缩”等情况引起的墙体开裂机理的探究，从而进一步提升墙体开裂控制技术。对带动新型墙材生产企业的发展、推广新型墙体工程应用，提高建筑的质量、舒适度等方面具有重要意义。
附图说明：
图1为本发明自感应智能墙体的整体构造图。
图2为本发明自感应智能墙体的俯视图。
图3为温度场监测光纤布设的示意图。
图4为应变场监测光纤布设的示意图。
图5为应变场监测光纤布设中光纤固定端的示意图。
图6为网状监测光纤布设的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明中的附图，对本实施例中的技术方案进行具体说明。必须说明的是，下述实施例仅用来解释本发明，而不是对发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入到了本发明的保护范围。
实施例1：本发明的自感应墙体结构
如图1～图6所示，一种具有自感应功能的智能墙体，包括砌块墙体(4)和分布式光纤传感器，砌块墙体(4)中设有与分布式光纤传感器感应相连的感应元件，感应元件包括温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)，其中温度场监测光纤(1)穿过砌块墙体(4)的孔洞(10)后布设于砌块墙体(4)内部，第一应变场监测光纤(2)布设于砌块墙体(4)外侧，第二应变场监测光纤(3)布设于砌块墙体(4)内侧，温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)布设完成后连成整体监测线路，与分布式光纤传感器对接进行数据采集。
温度场监测光纤(1)始终处于松弛状态，第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)始终处于张紧状态。
套有温度场监测光纤(1)的孔洞(10)上设有密封装置，本实施例中密封装置为橡皮塞。
但是，密封装置并不限于橡皮塞(11)，任何起到封堵作用的装置均可。
第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)通过光纤固定端(6)定位，光纤固定端(6)设于砌块墙体(4)内部。
光纤固定端(6)包括定位光纤(8)、保护套管(9)和环氧树脂层(7)，其中定位光纤(8)为取自第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)的一段，并缠绕成圆环；保护套管(9)包覆于定位光纤(8)，环氧树脂层(7)填充于保护套管(9)内。
温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)布设构成了网状的监测线路。
实施例2：新建智能砌块墙体
1)材料准备
本发明前述的砌块墙体(4)，乃由若干砌块构成。
依据工程要求选定监测对象，丈量尺寸，计算需要的砌块的数量，搬运相关砌块至指定地点，对其进行编号。在砌块侧面的指定位置采用钻孔机开启孔洞(10)，相邻砌块的孔洞(10)须对齐；在砌块(4)正面的指定位置采用钻孔机开启孔(15)；在指定位置采用切割机划出槽(13)，同样要求相邻槽(13)对齐；
2)砌墙及温度场监测光纤安装
砌墙过程和温度场光纤布设过程需要协调进行，完成一个砌块的安装后，将温度场监测光纤(1)穿过孔洞(10)，并用软木塞(11)进行孔洞(10)的封堵；然后重复上述操作完成下一个砌块(4)的安装，直至砌完整个墙体；
3)应变场监测光纤加工
首先设计好监测线路，并丈量好线路尺寸，在室内加工好应变场监测光纤。加工过程需考虑光纤固定端(6)的间距及其尺寸，待环氧树脂硬化后，将各光纤固定端(6)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)整理打包，并运至施工现场；
4)应变场监测光纤安装
应变场监测光纤须分批进行安装，一批包含两个光纤固定端(6)和第一应变场监测光纤(2)，或包含两个光纤固定端(6)和第二应变场监测光纤(3)。
首先安装第一个光纤固定端(6)：采用水泥钉将光纤固定端(6)敲打进砌块中，再采用水泥砂浆(14)填充光纤固定端(6)和孔(15)之间的缝隙；其次，将第一个光纤固定端(6)拉至另外一个孔(15)，同时采用测力计(9)量测光纤的预拉力，使其值保持在3.0N左右；再则，采用水泥钉将第二个光纤固定端(6)敲打进砌块中，再采用水泥砂浆(14)填充光纤固定端(6)和孔(15)之间的缝隙；最后，使用水泥砂浆(14)填充第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)各自与所开槽(13)之间的空隙。
依据上述步骤，完成整个智能墙体应变场监测光纤网的安装。
5)系统调试
温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)分别安装完成后，在各自的端部采用光纤熔接机接上FC光纤接头(16)，并连入专业测试仪器(如分布式光纤传感器灯)进行数据采集和分析。
实施例3：已建砌块墙体的智能化改造
由于已建砌块墙体(4)，无法将温度场监测光纤(1)埋入砌块内部，采用和布设应变场监测光纤相同的方式在砌块墙体(4)表面埋设温度场监测光纤(1)，仅在用水泥砂浆(14)填满槽(13)时在光纤表面放置直径约0.5cm的塑料套管，保持光纤处于松弛状态，具体步骤如下：
1)应变场监测光纤加工
首先设计好监测线路，并丈量好线路尺寸，在室内加工好应变场监测光纤。加工过程需考虑光纤固定端(6)的间距及其尺寸，待环氧树脂硬化后，将各光纤固定端(6)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)整理打包。
2)温度场监测光纤加工
已建砌块墙体(4)的温度场监测光纤(1)采用和应变场监测光纤同样的设计，但其长度较步骤1中加工的光纤长约1cm。
3)应变场监测光纤安装
应变场监测光纤须分批进行安装，一批包含两个光纤固定端(6)和第一应变场监测光纤(2)，或包含两个光纤固定端(6)和第二应变场监测光纤(3)。
首先安装第一个光纤固定端(6)：采用水泥钉将光纤固定端(6)敲打进砌块中，再采用水泥砂浆(14)填充光纤固定端(6)和孔(15)之间的缝隙；其次，将第一个光纤固定端(6)拉至另外一个孔(15)，同时采用测力计(9)量测光纤的预拉力，使其值保持在3.0N左右；再则，采用水泥钉将第二个光纤固定端(6)敲打进砌块中，再采用水泥砂浆(14)填充光纤固定端(6)和孔(15)之间的缝隙；最后，使用水泥砂浆(14)填充第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)各自与所开槽(13)之间的空隙。
依据上述步骤，完成整个智能墙体应变场监测光纤网的安装。
4)温度场监测光纤安装
已建砌块墙体(4)的温度场监测光纤(1)的安装和应变场监测光纤采用同样的设计，并同时安装，不同的是在用水泥砂浆(14)填满槽(13)时在光纤表面放置直径约0.5cm的塑料套管，保持光纤处于松弛状态。
5)系统调试
温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)分别安装完成后，在各自的端部采用光纤熔接机接上FC光纤接头(16)，并连入专业测试仪器(如分布式光纤传感器灯)进行数据采集和分析。
Claims (8)
1.一种具有自感应功能的智能墙体，包括砌块墙体(4)和分布式光纤传感器，其特征在于，所述的砌块墙体(4)中设有与分布式光纤传感器感应相连的感应元件，感应元件包括温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)，其中温度场监测光纤(1)穿过砌块墙体(4)的孔洞(10)后布设于砌块墙体(4)内部，第一应变场监测光纤(2)布设于砌块墙体(4)外侧，第二应变场监测光纤(3)布设于砌块墙体(4)内侧，温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)布设完成后连成整体监测线路，与所述的分布式光纤传感器对接进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的具有自感应功能的智能墙体，其特征在于，所述的温度场监测光纤(1)始终处于松弛状态，第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)始终处于张紧状态。
3.根据权利要求1所述的具有自感应功能的智能墙体，其特征在于，所述的套有温度场监测光纤(1)的孔洞(10)上设有密封装置。
4.根据权利要求3所述的具有自感应功能的智能墙体，其特征在于，所述的密封装置为橡皮塞(11)。
5.根据权利要求1所述的具有自感应功能的智能墙体，其特征在于，所述的第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)通过光纤固定端(6)定位，光纤固定端(6)设于砌块墙体(4)内部。
6.根据权利要求5所述的具有自感应功能的智能墙体，其特征在于，所述的光纤固定端(6)包括定位光纤(8)、保护套管(9)和环氧树脂层(7)，其中定位光纤(8)为取自第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)的一段，并缠绕成圆环；保护套管(9)包覆于定位光纤(8)，环氧树脂层(7)填充于保护套管(9)内。
7.根据权利要求1所述的具有自感应功能的智能墙体，其特征在于，所述的温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)和第二应变场监测光纤(3)布设构成了网状的监测线路。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的具有自感应功能的智能墙体的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)材料准备
针对监测对象计算需要的砌块数量，在每个砌块的侧面钻孔形成孔洞(10)，相邻两个砌块的孔洞(10)须对齐；在每个砌块的正面钻孔形成可安放光纤固定端(6)的孔(15)；在每个砌块的表面切割形成槽(13)，相邻两个砌块的槽(13)对齐；
2)砌墙及温度场监测光纤安装
砌墙与温度场监测光纤(1)的布设需协调进行，完成一个砌块的安装后，将温度场监测光纤(1)穿过孔洞(10)，并用软木塞(11)进行孔洞(10)的封堵；重复前述操作步骤以完成下一个砌块(4)的安装，直至砌完整个墙体；
3)应变场监测光纤安装
预先在室内加工好应变场监测光纤与光纤固定端(6)，运至施工现场安装：先将第一个光纤固定端(6)敲打进砌块中，用水泥砂浆(14)填充第一个光纤固定端(6)和孔(15)之间的缝隙，再将第一个光纤固定端(6)拉至另一个孔(15)，并用测力计(9)量测光纤的预拉力，使其值保持在3.0N；同样的，将第二个光纤固定端(6)敲打进砌块中，并用水泥砂浆(14)填充第二个光纤固定端(6)和另一个孔(15)之间的缝隙；最后，用水泥砂浆(14)填充第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)各自与所开槽(13)之间的空隙，完成安装；
4)系统调试
安装完成后，分别在温度场监测光纤(1)、第一应变场监测光纤(2)或第二应变场监测光纤(3)的端部外接FC光纤接头(16)，并连入分布式光纤传感器进行数据采集和分析。
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