CN109837930A - 基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法包括步骤：S1：在桩基上安装分布式光纤应变传感器，实时测量桩基表面轴向应变分布；S2：建立桩基的圆柱形坐标；S3：计算当前状态与初始状态的刚度差异值；S4：将刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基的损伤情况；本发明可实现桩基水上与水下同时监测，适用于已建和新建高桩码头，并通过深入分析桩基损伤与表面应变分布之间的内在关联机制，提出表征桩基损伤状态的特征向量，根据该向量实现高桩码头桩基损伤位置及损伤程度的在线评估。

Description

基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法

技术领域

本发明涉及港工结构健康状态监测技术领域，具体涉及一种基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法。

背景技术

高桩码头具有适应大水位变幅、泊稳条件好、装卸效率高等优点，是目前内河、海港码头建设的主要结构型式。高桩码头主要由上部结构、桩基和码头设备等组成，桩基是连接码头上部承重结构与地基的关键构件，具有扭、剪、弯的受力特点，是高桩码头中最重要的承力构件。高桩码头桩基长达几十米，大部分位于水下，工作环境恶劣，在船舶不规范靠泊、岸坡不均匀性沉降、局部超限堆载、材料性质劣化、风浪流冲击等作用下，会逐渐产生累积性损伤，严重影响码头的可靠性。

目前通常采用定期检测的方法，如高应变法、低应变法、钻孔取芯法、回弹法等对桩基的完整性、缺陷、强度等进行检测，这些方法无法实时监测桩基受力状态。为此，现有研究尝试在桩基表面布设光纤传感器，监测桩基受力状态。该方法仅能测量桩基水上部分的应变分布，而且在获取桩基表面应变数据后，数据挖掘不充分，仅用于判断表面应变是否超过设计阈值。由于损伤的发展是渐变过程，低荷载作用下，微损伤或小损伤可能无法导致表面应变超过设计阈值。因此，现有方法无法通过应变历史数据评估桩基是否发生损伤，也就无法根据监测数据评估高桩码头健康状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，可实现桩基水上与水下同时监测，适用于已建和新建高桩码头，并通过深入分析桩基损伤与表面应变分布之间的内在关联机制，提出表征桩基损伤状态的特征向量，根据该向量实现高桩码头桩基损伤位置及损伤程度的在线评估。

本发明提供一种基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，包括步骤：

S1：在桩基上安装分布式光纤应变传感器，实时测量桩基表面轴向应变分布；

S2：以桩基的地基持力层的分界面与桩基中轴线的交点作为原点，以桩基中轴线作为Z轴，建立桩基的圆柱形坐标；

S3：计算当前状态与初始状态的刚度差异值；

S4：将刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基的损伤情况。

进一步，所述步骤S1中在桩基上安装分布式光纤应变传感器，具体为：将光纤应变传感器沿平行于桩基中轴线方向拉直，固定在桩基表面；光纤应变传感器位于地基持力层上方，且光纤应变传感器长度方向的两端分别位于桩基的水上部分和水下靠近地基持力层部分。

进一步，所述步骤S3具体包括：将桩基看成是一维杆件，将桩基沿轴向离散成n-1个单元，共n个节点；所述当前状态与初始状态的刚度差异值的计算公式为：

其中，δ_i表示桩基第i个单元的当前状态与初始状态的刚度差异值；和分别表示桩基初始状态和当前状态的总刚度修正矩阵中第i行第i+1列元素值。

进一步，所述桩基初始状态的总刚度修正矩阵的计算公式为：

其中，[K_ini]表示桩基初始状态的总刚度矩阵；

所述桩基当前状态的总刚度修正矩阵的计算公式为：

其中，[K_real]表示桩基当前状态的总刚度矩阵。

进一步，所述总刚度矩阵通过对残差的拉格朗日函数求解KKT条件获得，具体地：

所述残差的拉格朗日函数为：

l(p,λ,γ)＝J_d+λ^T(p-p₁)+γ^T(p-p₂) (1-4)

其中，p为总刚度矩阵的单元刚度参数向量，J_d为桩基轴向位移的计算值和实测值的残差，λ和γ均为约束系数，p₁与p₂分别为p的下限与上限，T为转置符号；

(1-4)式的KKT条件为：

其中，p_i、p_1,i、p_2,i分别为p、p₁与p₂的第i项；

求解(1-5)式，即可得到桩基的总刚度矩阵。

进一步，所述J_d的计算公式为：

其中，K(p)为n×n的总刚度矩阵，F为n×1的总荷载向量，为实测桩基轴向位移分布矩阵。

进一步，所述具体为：

其中，ε_a(z)为实时测量桩基表面轴向应变分布；L为桩基的自由段长度，为在桩基的圆柱形坐标上桩基第i+1个节点的轴向位移。

进一步，所述步骤S4具体包括：将各单元的刚度差异性指标组合成桩基损伤状态特征向量δ，所述δ具体为：

δ＝[δ₁ δ₂ … δ_i … δ_n-1]^T (2)

并将各单元刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基各单元的损伤情况，所述比对具体为：

当δ_i＝0时，表示第桩基第i个单元没有损伤；

当0<δ_i<1时，表示第桩基第i个单元有部分损伤；

当δ_i＝1时，表示第桩基第i个单元完全损伤。

本发明的有益效果：本发明可实现桩基水上与水下同时监测，适用于已建和新建高桩码头，并通过深入分析桩基损伤与表面应变分布之间的内在关联机制，提出表征桩基损伤状态的特征向量，根据该向量实现高桩码头桩基损伤位置及损伤程度的在线评估。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程图；

图2为桩基的圆柱形坐标；

图3为分布式光纤应变传感器未安装注胶模板的安装示意图；

图4为分布式光纤应变传感器安装注胶模板的安装示意图；

图5为分布式光纤应变传感器安装注胶模板的安装俯视图；

图6为注胶模板的侧视图；

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，包括步骤：

S1：在桩基上安装分布式光纤应变传感器，实时测量桩基表面轴向应变分布；本实施例中，分布式光纤应变传感器可以为光纤光栅分布式应变传感器，或光纤布里渊分布式应变传感器，其中光纤光栅分布式应变传感器由多支光纤光栅应变传感器串联组成，光纤布里渊分布式应变传感器即为单根光纤。

S2：如图2所示，以桩基的地基持力层的分界面与桩基中轴线的交点作为原点，以桩基中轴线作为Z轴，建立桩基的圆柱形坐标；

S3：计算当前状态与初始状态的刚度差异值；本实施例中，计算当前状态与初始状态的刚度差异值是在步骤S2建立的桩基的圆柱形坐标上进行计算的。

S4：将刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基的损伤情况。通过上述方法，可实现桩基水上与水下同时监测，适用于已建和新建高桩码头，并通过深入分析桩基损伤与表面应变分布之间的内在关联机制，提出表征桩基损伤状态的特征向量，根据该向量实现高桩码头桩基损伤位置及损伤程度的在线评估，操作性强，可广泛用于实际工程。

所述步骤S1中在桩基上安装分布式光纤应变传感器，具体为：将光纤应变传感器沿平行于桩基中轴线方向拉直，固定在桩基表面；光纤应变传感器位于地基持力层上方，且光纤应变传感器长度方向的两端分别位于桩基的水上部分和水下靠近地基持力层部分。分布式光纤应变传感器测量精度高，且可以沿桩基轴向拉通测量桩基表面的应变分布，实用性强，可同时测量桩基表面的水下部分和水上部分的应变分布。

本实施例中，所述步骤S3具体包括：将桩基看成是一维杆件，将桩基沿轴向离散成n-1个单元，共n个节点；所述当前状态与初始状态的刚度差异值的计算公式为：

其中，δ_i表示桩基第i个单元的当前状态与初始状态的刚度差异值；和分别表示桩基初始状态和当前状态的总刚度修正矩阵中第i行第i+1列元素值。所述初始状态为码头还未运行的状态，初始状态下桩基未发生损伤，以初始状态为标准来判断当前状态下桩基的损伤情况，所述当前状态为码头运行过程中状态。本实施例中，将桩基看成是一维杆件，将桩基沿轴向离散成n-1个单元，共n个节点，是利用了有限元法对桩基结构进行了离散，其中，节点表示单元与单元间的连接点。

所述桩基初始状态的总刚度修正矩阵的计算公式为：

其中，[K_ini]表示桩基初始状态的总刚度矩阵；

所述桩基当前状态的总刚度修正矩阵的计算公式为：

其中，[K_real]表示桩基当前状态的总刚度矩阵。实际测量桩基应变过程中不可避免的存在噪声干扰等，导致计算得到的总刚度矩阵引入一定的误差，而总刚度矩阵理论上为对称方阵，根据这个特点，采用(1-2)和(1-3)式来减小或消除总刚度矩阵中的误差，提高计算的精度。

所述总刚度矩阵通过对残差的拉格朗日函数求解KKT条件获得，具体地：

所述残差的拉格朗日函数为：

l(p,λ,γ)＝J_d+λ^T(p-p₁)+γ^T(p-p₂) (1-4)

其中，p为总刚度矩阵的单元刚度参数向量，J_d为桩基轴向位移的计算值和实测值的残差，λ和γ均为约束系数，p₁与p₂分别为p的下限与上限，T为转置符号；

(1-4)式的KKT条件为：

其中，p_i、p_1,i、p_2,i分别为p、p₁与p₂的第i项；

求解(1-5)式，即可得到桩基的总刚度矩阵。

所述J_d的计算公式为：

其中，K(p)为n×n的总刚度矩阵，F为n×1的总荷载向量，为实测桩基轴向位移分布矩阵。

所述具体为：

其中，ε_a(z)为实时测量桩基表面轴向应变分布；L为桩基的自由段长度，为在桩基的圆柱形坐标上桩基第i+1个节点的轴向位移。

(1-4)式至(1-7)式的推导过程如下：

如图2所示，在桩基的圆柱形坐标下，设定地基持力层以下部分固支，在外界小荷载作用下位移始终为0，则桩身z处压缩位移为：

其中，ε_a(z)为实时测量桩基表面轴向应变分布；

桩基在轴向荷载作用下，没有弯曲、扭转等特性，可将桩基看成是一维杆件。将桩基离散为n-1个单元，设桩基自由段长度为L，则第i个单元的节点位移{u_i}可表示为：

第i个单元的受力与位移之间的关系可表示为：

{f_i}＝[k_i]{u_i} (1-10)

其中，{f_i}、[k_i]、{u_i}分别为单元节点力，单元刚度矩阵，单元节点位移。对于一维杆件，其单元刚度矩阵为：

其中，k_i为杆单元的刚度，是单元固有特性参数，A_i为单元面积，E_i为弹性模量，L_i为单元长度，当单元发生损伤时，其面积或弹性模量会发生变化，导致k_i发生变化。

将单元刚度矩阵组装成总刚度矩阵，得到：

F＝[K(p)]{u} (1-12)

p＝[k₁ k₂ … k_n-1] (1-14)

其中，[K(p)]为n×n的总刚度矩阵，p为单元刚度参数向量，F为n×1的总荷载向量，{u}为n×1的轴向位移分布，其中p未知。p反映了桩基的固有特性，损伤会导致该向量发生变化。

根据(1-14)式可得：

{u}＝[K(p)]^-1{F} (1-15)

桩基轴向位移分布的测量值与式(1-15)模型中的理论计算值之间的误差为：

上式中为实测桩基轴向位移分布，根据式(2)可得：

求总刚度矩阵[K(p)]的问题可转换为如下最优化问题：

其中，p₁与p₂分别为p的下限与上限。

引入拉格朗日函数：

l(p,λ,γ)＝J_d+λ^T(p-p₁)+γ^T(p-p₂) (1-4)

其中，λ和γ为约束系数。

(1-4)式的KKT条件为：

其中，p_i、p_1,i、p_2,i分别为p、p₁与p₂的第i项；

求解(1-5)式，即可得到桩基的总刚度矩阵[K(p)]。

总刚度矩阵是由单元刚度矩阵组合而成，即在求得总刚度矩阵的基础上，根据(1-13)式，可得到单元刚度参数向量为：

p＝-[K₁₂ K₂₃ … K_i,i+1 … K_n-1,n]^T (1-18)

其中K_i,i+1表示[K(p)]中第i行，第i+1列数。

根据(1-2)式和(1-3)式分别求得和后，可以得到初始状态各单元刚度修正参数向量为：

码头运营过程中各单元刚度修正参数向量为:

所述步骤S4具体包括：将各单元的刚度差异性指标组合成桩基损伤状态特征向量δ，所述δ具体为：

δ＝[δ₁ δ₂ … δ_i … δ_n-1]^T (2)

并将各单元刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基各单元的损伤情况，所述比对具体为：

当δ_i＝0时，表示第桩基第i个单元没有损伤；

当0<δ_i<1时，表示第桩基第i个单元有部分损伤；

当δ_i＝1时，表示第桩基第i个单元完全损伤。通过(2)式可实现对桩基损伤位置的定位，以及损伤程度的判定。

本实施例中，如图3至图6所示，所述在桩基上安装分布式光纤应变传感器的具体步骤为：

S11：在桩基1表面设定测线，所述测线平行于桩基1轴线，且测线一端位于桩基1水上部分，测线另一端位于桩基1水下部分；

S12：在测线水下部分的端头设定固定点Ⅰ11，在测线水上部分的端头设定固定点Ⅱ12；

S13：将分布式光纤应变传感器2沿测线拉直，一端固定在固定点Ⅰ11处，另一端固定在固定点Ⅱ12处；

S14：将注胶模板3外扣在分布式光纤应变传感器2外侧并调节注胶模板3和分布式光纤应变传感器2以及桩基1的相对位置，使分布式光纤应变传感器2的下端设置于注胶模板3的注胶槽32内，分布式光纤应变传感器2的上端由注胶槽32穿出注胶模板3本体上端；注胶模板3的上端位于水面之上并靠近固定点Ⅱ12；注胶模板3的注胶入口31位于水面之下并靠近固定点Ⅰ11；然后将注胶模板3固定在桩基1上；

其中，所述注胶模板3包括注胶模板3本体；所述注胶模板3本体一侧可与桩基1表面密封匹配扣合，所述注胶模板3本体与桩基1表面扣合一侧下沉形成注胶槽32，所述注胶模板3本体上端设置有将外界环境与注胶槽32连通的开口；所述注胶模板3本体另一侧在靠近注胶模板3本体底部端面处设置有将外界环境与注胶槽32连通的注胶入口31；所述注胶槽32的深度尺寸大于分布式光纤应变传感器2的直径；本实施例中，所述注胶模板3本体的下端将注胶槽32与外界环境密封。

S15：利用注胶机4通过注胶软管41将水下环氧胶粘剂从注胶入口31注入注胶槽32内，水下环氧胶粘剂自下而上将注胶槽32内水挤出，并灌满注胶槽32；本实施例中，所述水下环氧粘胶剂，是一种可以在潮湿界面及水下环境进行粘接固化的环氧树脂胶粘剂，优选1085水下环氧固化剂，所述1085水下环氧固化剂为现有材料，在此不赘述。

S16：待水下环氧胶粘剂凝固后，将注胶模板3取下。

本实施例中，所述步骤S13中是通过扎带绑扎方式将将所述分布式光纤应变传感器2一端固定在固定点Ⅰ11处，另一端固定在固定点Ⅱ12处；在步骤S15完成后待水下环氧粘胶剂凝固后，将固定点Ⅱ12处绑扎的扎带松开。

本实施例中，步骤S14中将注胶模板3固定在桩基1上具体为采用钢丝5捆扎的方式将注胶模板3固定在桩基1表面，在步骤S16中待水下环氧胶粘剂凝固后，可将捆扎的钢丝5松开，将取下注胶模板3。

本实施例中，在注胶模板3本体上设置有固定点Ⅰ11处绑扎的扎带可穿过的过孔(附图未画出)，在注胶过程中会有少量水下环氧粘胶剂从过孔溢出，但不影响整体向注胶模板3的注胶槽32进行注胶。

本实施例中，步骤S1中在桩基上安装分布式光纤应变传感器，实时测量桩基表面轴向应变分布，是指实时测量固定点Ⅰ11与固定点Ⅱ12之间的桩基表面轴向应变分布。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：包括步骤：

S1：在桩基上安装分布式光纤应变传感器，实时测量桩基表面轴向应变分布；

S2：以桩基的地基持力层的分界面与桩基中轴线的交点作为原点，以桩基中轴线作为Z轴，建立桩基的圆柱形坐标；

S3：计算当前状态与初始状态的刚度差异值；

S4：将刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基的损伤情况。

2.根据权利要求1所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述步骤S1中在桩基上安装分布式光纤应变传感器，具体为：将光纤应变传感器沿平行于桩基中轴线方向拉直，固定在桩基表面；光纤应变传感器位于地基持力层上方，且光纤应变传感器长度方向的两端分别位于桩基的水上部分和水下靠近地基持力层部分。

3.根据权利要求2所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：将桩基看成是一维杆件，将桩基沿轴向离散成n-1个单元，共n个节点；所述当前状态与初始状态的刚度差异值的计算公式为：

其中，δ_i表示桩基第i个单元的当前状态与初始状态的刚度差异值；和分别表示桩基初始状态和当前状态的总刚度修正矩阵中第i行第i+1列元素值。

4.根据权利要求3所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述桩基初始状态的总刚度修正矩阵的计算公式为：

其中，[K_ini]表示桩基初始状态的总刚度矩阵；

所述桩基当前状态的总刚度修正矩阵的计算公式为：

其中，[K_real]表示桩基当前状态的总刚度矩阵。

5.根据权利要求4所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述总刚度矩阵通过对残差的拉格朗日函数求解KKT条件获得，具体地：

所述残差的拉格朗日函数为：

l(p,λ,γ)＝J_d+λ^T(p-p₁)+γ^T(p-p₂)(1-4)

其中，p为总刚度矩阵的单元刚度参数向量，J_d为桩基轴向位移的计算值和实测值的残差，λ和γ均为约束系数，p₁与p₂分别为p的下限与上限，T为转置符号；

(1-4)式的KKT条件为：

其中，p_i、p_1,i、p_2,i分别为p、p₁与p₂的第i项；

求解(1-5)式，即可得到桩基的总刚度矩阵。

6.根据权利要求5所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述J_d的计算公式为：

其中，K(p)为n×n的总刚度矩阵，F为n×1的总荷载向量，为实测桩基轴向位移分布矩阵。

7.根据权利要求4所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述具体为：

其中，ε_a(z)为实时测量桩基表面轴向应变分布；L为桩基的自由段长度，为在桩基的圆柱形坐标上桩基第i+1个节点的轴向位移。

8.根据权利要求3所述基于光纤分布式应变监测的高桩码头桩基损伤在线识别方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：将各单元的刚度差异性指标组合成桩基损伤状态特征向量δ，所述δ具体为：

δ＝[δ₁ δ₂…δ_i…δ_n-1]^T(2)

并将各单元刚度差异值与预先设定的损伤标准进行对比，得到桩基各单元的损伤情况，所述比对具体为：

当δ_i＝0时，表示第桩基第i个单元没有损伤；

当0<δ_i<1时，表示第桩基第i个单元有部分损伤；

当δ_i＝1时，表示第桩基第i个单元完全损伤。