CN109211153B - 一种结构表面应变的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构表面应变的测量方法，包括：在待测结构表面上的待测点安装第一振弦应变计；将与第一振弦应变计属于同规格型号的第二振弦应变计安装在预先制作的基准变形构件上；将安装有第二振弦应变计的基准变形构件放置在待测点旁，并将基准变形构件的一端固定；通过两个振弦应变计分别获得测量数据；根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到钢弦温度影响修正系数；根据第一振弦应变计的测量数据和钢弦温度影响修正系数，计算得到待测结构表面的应变。应用本发明可以有效地提升表面应变测量的准确度。

Description

一种结构表面应变的测量方法

技术领域

本申请涉及土木工程测量技术领域，尤其涉及一种结构表面应变的测量方法。

背景技术

土木工程中应变测量是结构性能推定的一种关键手段，已广泛应用于诸如大坝、桥梁、大型工程和民用建筑的施工过程监控、验收试验以及在线健康监测等领域，而且还可以应用于核电站安全壳的检测。例如，为了评价核电站的第三道(也是最后一道核安全屏障)安全壳的结构的整体性能，在核电站安全壳中预埋了不同数量的应变计用于结构施工期间、验收试验以及在役试验等阶段的结构性能评估。由于有多种因素可能会造成混凝土内部仪表埋设没有达到设计要求(例如，预埋方向错误等)或者仪表本身出现异常，因此通常情况下还需要使用结构外部应变等新的测量方法来进行检测。另外，如果实际工程施工期间没有考虑验收测量，而后期却又由于其它原因而需要对结构进行性能验证时，也同样需要进行结构表面应变的测量。

现有技术中用于应变测量的技术基本上可以分为三类：电阻式应变测量、振弦式应变测量、光纤式应变测量。其中，振弦式应变测量是一种常用的测量方法，也是具有长期稳定性能、使用精度最有保障的测量方法。该方法是利用振弦应变计中细钢弦的张力和其自振频率的内在关系来测试结构的应变。具体来说，是将一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，两个端块牢固放置于结构混凝土中或者是待测结构表面。当结构发生变形时，该变形将使得两个端块也发生相对移动并导致钢弦的张力随之发生变化，这种张力的变化使得钢弦的谐振频率发生变化，因此，通过测量钢弦的谐振频率的变化即可测量得到结构的变形情况。在上述的振弦式应变测量方法中，仪器的信号激励与拾取是通过位于靠近钢弦的电磁线圈来完成的。

根据钢弦的工作原理，当实体结构因荷载或者温度作用产生结构变形时，将引起两端块间的钢弦的张力发生变化，导致钢弦应变的变化，对应钢弦的谐振频率也将产生变化。该钢弦的自振频率与其应变存在如下关系：

其中，F为钢弦线的固有频率，L_w为钢弦线的长度，E为钢弦线的弹性模量，g为重力加速度，ρ为钢弦线的密度，ε_w为钢弦线的应变。

上述公式(1)可以变换成如下形式：

由上述公式(2)可知，钢弦的应变与振动固有频率的平方成正比，因此只需获知钢弦频率的变化，即可获知结构变形的变化，此即为振弦式应变传感器(即振弦应变计)的基本工作原理。

因此，现有技术中的振弦式应变测量方法中正是利用上述振弦式应变传感器的工作原理，根据上述的公式(2)来求出钢弦前后时间的相对变形，得到以下的公式(3)：

对上述公式(3)简化后可得：

Δε_w＝G*(R_i-R₀) (4)

其中，Δε_w为钢弦的应变的变化，G为振弦式应变传感器的固有系数，R为模数，R_i为当前的模数(字)，R₀为初始的模数(字)。

然而，上述的钢弦的应变的变化Δε_w并不能完全等同于结构上的应变μ_ε。在实际应用场景中，根据测量结果要求的不同，上述振弦式应变测量方法的测量结果至少会受到如下几个方面的重大影响：

1)振弦式应变传感器自身的特性系数，也称固有系数。

不同的振弦式应变传感器的特征系数不同，也就是实际变形与频率的变化存在的既定关系不同。根据公式(5)可知，振弦式应变传感器的固定系数涉及到该振弦式应变传感器的钢弦线的长度、密度和弹性模量，不同的振弦式应变传感器的这三个参数必然是不同的，因此不同的振弦式应变传感器的固有系数也是不同的，不能使用同一个固有系数。

2)钢弦的自身温度变形问题。

环境温度的变化将导致钢弦自身的应变的变化。但是，上述的公式(1)和(2)中并没有考虑到钢弦温度的变化。而在实际工程测量中，测量时间往往很长，环境温度存在显著变化，因此上述现有技术中的振弦式应变测量方法无法精确修正由于温度变化而使得钢弦自身的应变的变化对测量结果的影响。

3)结构自身温度变形问题。

结构性能评价往往是通过试验加载的方式来进行的，需要验证结构变形与试验加载量之间的对应关系。而对于处于现实环境中的结构，结构自身同样会受到环境温度的影响，因此，通过粘贴在结构表面的振弦应变测量系统所测得的应变，除了涵盖结构荷载变化造成的应变以及自身钢弦由于温度而发生变形之外，还应该包括结构所处环境中的温度变化而造成结构自身的变形。因此，往往还需要进行结构温度变形修正，才能获得真实的因荷载作用而产生的结构变形。

如果未处理好上述几个方面的影响，则可能使得所获取的数据的可用性较差，甚至有可能会影响到最终结果的正确性。

为了解决振弦式应变传感器的固有系数的问题，以使得振弦式应变传感器具有足够的测量精度，现有技术中一般是在振弦式应变传感器出厂前就进行传感器的率定，从而给出既定传感器的固有系数G(一般是通过率定表的方式给出)。

但是，上述工作都是在实验室内完成的，是基于一种常态稳定的环境状况，来标定实际应变发生量与频率的变化关系。这种标定操作是一种短期行为，且温度环境严格要求稳定，因而给定的率定系数是传感器的固有系数。然而，在实际应用环境中，传感器的使用是一种长期或者较长期的使用行为，环境温度时刻发生着变化，尤其是在室外结构的表面应变测量中，昼夜的温度变化往往极其悬殊，因此温度的变化对钢弦频率变化的影响应该如何考虑，已经成为工程技术人员需要优先考虑的关键问题之一。

由于测试环境的温度变化使钢弦的谐振频率发生变化，因此需要对测试的应变的数值进行温度修正。现有技术中，一般所使用的修改公式如下：

μ_ε＝G*(R_i-R₀)+(T_i-T₀)*CF_s (7)

其中，μ_ε为测量得到的结构变形，T_i为当前的温度，T₀为初始的温度，CF_S为钢弦的温度膨胀系数。

一般认为，传感器的钢弦的温度即为线圈的温度，因此可得上述公式(7)中钢弦的温度膨胀系数CF_S的取值为12.2μ_ε/℃。

如果还要考虑实体结构在环境中自身结构的温度变形，则还需要进行结构自身的温度修正。因此，为了消除钢弦自身温度变形问题和结构自身温度变形问题影响，当将传感器安装在混凝土的表面时，厂家一般给出的最终荷载变形的建议计算公式如下：

μ_ε0＝G*(R_i-R₀)+(T_i-T₀)*(CF_s-CF_c) (8)

其中，μ_ε0为测量得到的结构因荷载变化引起的变形；G为振弦式应变传感器的固有系数，通过率定表给出；R_i为当前的模数(字)，R₀为初始的模数(字)；T_i为当前的温度，T₀为初始的温度，CF_S为钢弦的温度膨胀系数，一般的取值为12.2μ_ε/℃；CF_C为混凝土的温度膨胀系数，不同的混凝土的膨胀系数不同，一般取实测值或者设计值。

以上即为现有技术中使用振弦式传感器进行结构表面的应变测量时最常规的方法，即通过在待监测结构物表面使用粘贴或锚杆法安装表面应变计，并使用上述的公式(7)或公式(8)来测量得到结构的受力变形的数值。

但是，现有技术中的上述方法中虽然考虑到了钢弦与结构自身的温度修正，但是该方法中却认为钢弦的温度变化即为线圈的温度变化，并认为混凝土的温度变形即为线圈的温度变化与混凝土膨胀系数之乘积，因此上述的方法存在以下的一些问题或缺陷：

1)由于结构的超静定约束作用，混凝土的温度变形非常复杂，因此不能等同于单维自由结构的温度变形(即混凝土膨胀系数与混凝土温差的乘积)。

2)钢弦的实际温度有别于线圈的温度。

在实际的室外表面应变测量中，阳光可能直射或者间接照射在应变计上(或者是晴天阳光暴晒、气温湿度急剧变化、空气急剧流通等其它因素)，因此计算所用的线圈的温度，并不能代表钢弦的实际温度。根据应变传感器的典型结构，钢弦是包裹在保护管中的，其与两端的安装块是点接触，而保护管中间存在空气层，因此钢弦的温度变化与线圈的温度变化并不同步。所以，如果直接将线圈的温度作为钢弦的温度，则势必引起较大的测量误差。

综上所述，现有技术中的振弦式应变测量方法还存在上述的一些问题，因此根据上述方法测量得到的测量结果往往是不准确的。而如果测试结果不能真实地反映结构的变形情况，则往往会导致结构的安全问题被掩盖，后果将十分严重。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种结构表面应变的测量方法，从而可以有效地提升表面应变测量的准确度。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种结构表面应变的测量方法，该方法包括：

在待测结构表面上的待测点安装第一振弦应变计；

将与第一振弦应变计属于同规格型号的第二振弦应变计安装在预先制作的基准变形构件上；

将安装有第二振弦应变计的基准变形构件放置在待测点旁，并将基准变形构件的一端固定；

通过两个振弦应变计分别获得测量数据；

根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到钢弦温度影响修正系数；

根据第一振弦应变计的测量数据和钢弦温度影响修正系数，计算得到待测结构表面的应变。

较佳的，根据以下公式计算钢弦温度影响修正系数：

其中，k为钢弦温度影响修正系数，G为第二振弦应变计的固有系数，R_i为当前的模数，R₀为初始的模数，T_i为当前的温度，T₀为初始的温度，α为基准变形构件的线性温度膨胀系数。

较佳的，根据以下公式计算待测结构表面的应变：

μ_ε＝G*(R_i-R₀)+(T_i-T₀)*CF_s′＝G*(R_i-R₀)+k*α*(T_i-T₀)；

其中，μ_ε为待测结构表面的应变，CF_s′为第二振弦应变计的钢弦的温度膨胀系数。

较佳的，在通过两个振弦应变计分别获得测量数据之前，该方法还包括：

设置遮阳罩遮盖待测点、基准变形构件以及两个振弦应变计。

较佳的，所述基准变形构件为温度线性膨胀变形已知的一维自由温度膨胀构件。

较佳的，所述基准变形构件为钢板条。

如上可见，在本发明中的结构表面应变的测量方法中，并不是像现有技术中那样单一地使用CF_S的固定取值12.2μ_ε/℃，而是在待测点安装第一振弦应变计，并在待测点旁安装具有第二振弦应变计(与第一振弦应变计属于同规格型号)的基准变形构件(该基准变形构件是已知温度线性膨胀性能的一维自由构件)，然后再根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到钢弦温度影响修正系数，随后再根据第一振弦应变计的测量数据和钢弦温度影响修正系数，计算得到待测结构表面的应变。由于是使用已知温度线性膨胀性能的基准变形构件的理论温度变形作基准，同时进行基准变形测量，以修正实测温度变形的振弦温度影响系数，再用于待测物体的表面应变测量的钢弦温度修正，从而给出了当前结构表面应变测量钢弦温度应变准确、通用的修正方法，解决了用振弦应变计进行结构表面应变测量时传感器自身温度变形的修正问题，有效地避免了以往结构表面应变对测量环境要求的盲从和数据处理上的盲区，纠正了以往测量应变数据处理的错误，极大地提升了表面应变测量的准确度，对于结构性能试验评估以及验证荷载引起的变形奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为本发明实施例中的结构表面应变的测量方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中的理论与实测的应变曲线的示意图一。

图3为本发明实施例中的理论与实测的应变曲线的示意图二。

图4为本发明实施例中的理论与实测的应变曲线的示意图三。

图5为本发明实施例中的理论与实测的应变曲线的示意图四。

图6为本发明实施例中的理论与实测的应变曲线的示意图五。

图7为本发明实施例中的理论与实测的应变曲线的示意图六。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的结构表面应变的测量方法的流程示意图。

如图1所示，本发明实施例中的结构表面应变的测量方法包括如下所述步骤：

步骤11，在待测结构表面上的待测点安装第一振弦应变计。

步骤12，将与第一振弦应变计属于同规格型号的第二振弦应变计安装在预先制作的基准变形构件上。

在本发明的技术方案中，可以预先制作一个“基准变形构件”，然后再在该基准变形构件上也安装一个与步骤11中的第一振弦应变计属于同规格型号的第二振弦应变计，用于该基准变形构件的自由温度变形测量。

由于该基准变形构件是预先制作好的，因此其温度线性膨胀性能是已知的。所以，在后续步骤中，可以使用该已知温度线性膨胀性能的基准变形构件的理论温度变形作基准，同时进行基准变形测量，以修正实测温度变形的振弦温度影响系数，从而用于待测物体的表面应变测量的钢弦温度修正。

步骤13，将安装有第二振弦应变计的基准变形构件放置在待测点旁，并将基准变形构件的一端固定。

在本步骤中，需要将安装有第二振弦应变计的基准变形构件也放置在待测点的附近，使得基准变形构件也处于待测点的同一环境中。另外，在固定基准变形构件的一端时，固定操作不能限制该基准变形构件的自由温度变形；而且，该基准变形构件也不对外施加任何外力。

步骤14，通过两个振弦应变计分别获得测量数据。

步骤15，根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到钢弦温度影响修正系数。

步骤16，根据第一振弦应变计的测量数据和钢弦温度影响修正系数，计算得到待测结构表面的应变。

通过上述的步骤11～16，即可测量并计算得到待测结构表面的应变。

另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤16。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，在本发明的一个较佳的具体实施例中，基准变形构件的理论温度变形可以通过以下公式计算得到：

μ_ε1＝α*(T_i-T₀) (9)

其中，μ_ε1为基准变形构件的理论温度变形，α为基准变形构件的线性温度膨胀系数，T_i为第二振弦应变计上的线圈的当前温度，T₀为第二振弦应变计上的线圈的初始温度。

另外，根据公式(7)可知，该基准变形构件的实测温度变形应该为：

μ_ε2＝G*(R_i-R₀)+(T_i-T₀)*CF_s′ (10)

其中，μ_ε2为该基准变形构件的实测温度变形，G为第二振弦应变计的固有系数，R_i为当前的模数(字)，R₀为初始的模数(字)，T_i为当前的温度，T₀为初始的温度，CF_s′为第二振弦应变计的钢弦的温度膨胀系数。

由于μ_ε1＝μ_ε2，因此根据公式(9)和(10)可得：

因此，可得：

其中，k为钢弦温度影响修正系数。

由此可知，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过上述公式(12)，根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到上述的钢弦温度影响修正系数k。

因此，通过上述公式(11)计算得到的参数CF_s′可以用于计算得到待测结构表面的应变。例如，将公式(7)进行修正后，可得：

μ_ε＝G*(R_i-R₀)+(T_i-T₀)*CF_s′＝G*(R_i-R₀)+k*α*(T_i-T₀) (13)

因此，通过上述公式(13)，即可计算得到待测结构表面的应变μ_ε。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，在步骤14之前，还可以包括：

设置遮阳罩遮盖待测点、基准变形构件以及两个振弦应变计。

在本发明的技术方案中，待测点附近设置的2个振弦应变计和基准变形构件是放置在同一环境中的，既可以同时露天放置、也可以同处于一个遮阳罩中；而所述遮阳罩，既可以是封闭的，也可以是开口可通风的，在此不再一一赘述。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述基准变形构件是温度线性膨胀变形已知的一维自由温度膨胀构件。例如，较佳的，所述基准变形构件可以是钢板条，也可以是其它的可以制作基准变形构件的物品。

以下将通过实际的实验数据来对本发明的有益效果进行说明。

例如，将编号为1#、2#和3#的3个均设置有同型号振弦应变计的基准变形构件放置在同一个待测点附近并固定，并将编号为1#、2#的基准变形构件置于室外阳光直接照射下，而在编号为3#的基准变形构件上设置保护罩，避免阳光直接照射该基准变形构件，且该保护罩基本完全密封；然后通过自动化的数采设备进行数据连续采集，获得初始、当前的温度以及频率数据。

I、对于编号为1#的基准变形构件：

如果是使用本发明中的上述结构表面应变的测量方法，通过计算得到理论上的CF_s′应该为7.8μ_ε/℃，即k＝0.64，此时，理论应变曲线与实测应变曲线如图2所示。

而如果是使用现有技术中的振弦式应变测量方法，理论上的CF_S取12.2μ_ε/℃，即k＝1，此时，理论上的应变曲线与实测的应变曲线如图3所示。

II、对于编号为2#的基准变形构件：

如果是使用本发明中的上述结构表面应变的测量方法，通过计算得到理论上的CF_s′应该为8.1μ_ε/℃，即k＝0.66，此时，理论应变曲线与实测应变曲线如图4所示。

而如果是使用现有技术中的振弦式应变测量方法，理论上的CF_S取12.2μ_ε/℃，即k＝1，此时，理论上的应变曲线与实测的应变曲线如图5所示。

III、对于编号为3#的基准变形构件：

如果是使用本发明中的上述结构表面应变的测量方法，通过计算得到理论上的CF_s′应该为10.8μ_ε/℃，即k＝0.89，此时，理论应变曲线与实测应变曲线如图6所示。

而如果是使用现有技术中的振弦式应变测量方法，理论上的CF_S取12.2μ_ε/℃，即k＝1，此时，理论上的应变曲线与实测的应变曲线如图7所示。

根据上述图2～图7可知，与现有技术中的振弦式应变测量方法相比，通过使用本发明中的上述结构表面应变的测量方法所得到的测量结果，与实测的应变曲线的吻合度更高，测量数据的准确性也更高。

另外，根据上述图2～图7可知，CF_s′的取值与基准变形构件所处的环境有很大的关系。一般来说，温度变化越剧烈，则对应的钢弦温度影响修正系数k越小，CF_s′的取值也越小。

综上所述，在本发明的技术方案中，并不是像现有技术中那样单一地使用CF_S的固定取值12.2μ_ε/℃，而是在待测点安装第一振弦应变计，并在待测点旁安装具有第二振弦应变计(与第一振弦应变计属于同规格型号)的基准变形构件(该基准变形构件是已知温度线性膨胀性能的一维自由构件)，然后再根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到钢弦温度影响修正系数，随后再根据第一振弦应变计的测量数据和钢弦温度影响修正系数，计算得到待测结构表面的应变。由于是使用已知温度线性膨胀性能的基准变形构件的理论温度变形作基准，同时进行基准变形测量，以修正实测温度变形的振弦温度影响系数，再用于待测物体的表面应变测量的钢弦温度修正，从而给出了当前结构表面应变测量钢弦温度应变准确、通用的修正方法，解决了用振弦应变计进行结构表面应变测量时传感器自身温度变形的修正问题，有效地避免了以往结构表面应变对测量环境要求的盲从和数据处理上的盲区，纠正了以往测量应变数据处理的错误，极大地提升了表面应变测量的准确度，对于结构性能试验评估以及验证荷载引起的变形奠定了坚实的基础。

此外，本发明中的结构表面应变的测量方法是一种普适性的测量方法，可以适用于实际应用环境中的所有结构(无论是混凝土结构还是钢结构)、所有环境(无论是室内测量还是室外测量、是环境气温湿度变化急剧还是平缓)工况下的结构表面应变的测量，而且与现有技术中所使用的方法相比，本发明中的方法的测量结果更准确、更有指导意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种结构表面应变的测量方法，其特征在于，该方法包括：

在待测结构表面上的待测点安装第一振弦应变计；

将与第一振弦应变计属于同规格型号的第二振弦应变计安装在预先制作的基准变形构件上；

将安装有第二振弦应变计的基准变形构件放置在待测点旁，并将基准变形构件的一端固定；

通过两个振弦应变计分别获得测量数据；

根据基准变形构件的参数和第二振弦应变计的测量数据，计算得到钢弦温度影响修正系数；

根据第一振弦应变计的测量数据和钢弦温度影响修正系数，计算得到待测结构表面的应变；

其中，根据以下公式计算钢弦温度影响修正系数：

其中，k为钢弦温度影响修正系数，G为第二振弦应变计的固有系数，R_i为当前的模数，R₀为初始的模数，T_i为当前的温度，T₀为初始的温度，α为基准变形构件的线性温度膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算待测结构表面的应变：

μ_ε＝G*(R_i-R₀)+(T_i-T₀)*CF_s′＝G*(R_i-R₀)+k*α*(T_i-T₀)；

其中，μ_ε为待测结构表面的应变，CF_s′为第二振弦应变计的钢弦的温度膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过两个振弦应变计分别获得测量数据之前，该方法还包括：

设置遮阳罩遮盖待测点、基准变形构件以及两个振弦应变计。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述基准变形构件为温度线性膨胀变形已知的一维自由温度膨胀构件。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：

所述基准变形构件为钢板条。

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