CN110243328B - 测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器及方法，包括：滑轨(1)、保护罩(2)、限位滚轮(3)、滚动轴承(4)和角位移传感器(5)；滑轨(1)排列在保护罩(2)的两侧，固定于地下结构表面上；保护罩(2)是在相对的一组侧壁上设置有开孔的盒子；滚动轴承(4)贯穿保护罩(2)的开孔；限位滚轮(3)包括滚轮和轮轴，滚轮内嵌于滑轨(1)中，轮轴穿过滚动轴承(4)，并与角位移传感器(5)的转轴相连；当测量土与地下结构接触界面动态相对滑移时，角位移传感器(5)受限位滚轮(3)的带动发生角度偏移。本发明提供的传感器的结构简单，检测操作方便，量程大，防水和隔土性能好，精确度高。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体地，涉及测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器及方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展，对城市地下空间的开发需求越来越大。隧道、地铁工程能大大缓解交通压力，改善出行条件，城市地下综合管廊能高效的利用地下空间，有利于管道的维修和集约化管理，等等。对于地下工程结构特别是地下生命线工程的防灾减灾抗震性能研究具有十分重要的社会和经济意义。地震或其他水平动力作用引起土与地下工程结构产生相对滑移，土与结构接触界面相对滑移量是反映土与地下工程结构相互作用的重要指标，在模拟地震振动台试验和其他相关动力测试中，对土和地下工程结构接触面相对动态滑动位移的测量是深入研究和探索地下结构地震响应机理的重要手段，以此可以了解土与结构接触面的破坏状况和相对动态滑移规律。
目前，国外仅有日本学者进行了唯一一次设计，但是它构造复杂，制作要求高，需要在结构模型上开槽，难以在管壁较薄的试验模型结构上实现。
国内对土体滑移量测量的类似传感器仅有“土与地下结构接触面土体滑移动态测量传感器(申请号200810032775.1，公开号CN10216366A)”公开了一种利用角位移传感器和滑轮方式测量土与地下结构接触面土体动态滑移的位移传感器。但是，这种方法在实际使用过程中不能保证传感器与地下结构表面保持紧密接触，若传感器底部滑轮脱离接触面则该传感器无法正常工作；另外该方法无法测量除接触面为平面以外的其他情况，如接触面为曲面或其他不规则界面。
国内针对地下土体位移测量的相关传感器有“土体内部位移测量装置及其测量方法(申请号201010039640.5，公开号CN101749996A)”，但其仅限于测量土体内部自身的竖向位移，如土体内某一点处的沉降量，不适用于测量土与地下结构接触面切向的相对滑动位移。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器及方法。
第一方面，本发明提供一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，包括：滑轨、保护罩、限位滚轮、滚动轴承和角位移传感器；所述限位滚轮位于所述保护罩的两侧；所述保护罩为中空结构，用于容纳所述角位移传感器，所述保护罩相对的一组侧壁上设置有开孔；所述滚动轴承贯穿所述保护罩的开孔；所述限位滚轮包括滚轮和轮轴；所述轮轴穿过所述滚动轴承，并与所述角位移传感器的转轴相连；其中：
所述滑轨固定在地下结构接触面上，所述滚轮内嵌于所述滑轨中，用以限定所述滚轮按照所述滑轨的方向转动；所述滚动轴承内嵌于所述保护罩的开孔位置；所述角位移传感器的转轴与所述滚动轴承传动连接，且所述角位移传感器的转轴与测试面保持平行；当测量土与地下结构接触界面动态相对滑移时，所述角位移传感器受所述限位滚轮的带动发生角度偏移，所述角度偏移用于表征测量土与地下结构接触界面动态相对滑移量。
其中，保护罩为方形仅侧壁开孔的盒罩，起到容纳传感器并隔绝土体的作用。所述保护罩底面贴近地下结构表面，但保持适当间隙保证传感器在工作过程中不与地下结构发生触碰。为了测得土体与地下结构接触界面切向的滑移量，要求所述保护罩的高度和体积应尽量小。
可选地，所述滑轨内设置有接触层，用于增加所述滑轨与所述限位滚轮之间的滑动摩擦力。通过在所述滑轨内设置接触层，可以增加其与所述限位滚轮的滑动摩擦力，使所述限位滚轮仅能沿所述滑轨布设方向转动。
可选地，所述滑轨通过结构胶或螺栓固定并紧贴于结构接触面，其中，所述滑轨与地下结构接触表面的曲率一致。其中，所述滑轨可根据结构接触表面(如平面或曲面)更改滑轨的形状，使所述滑轨与地下结构接触表面的曲率一致。
可选地，所述保护罩底面与地下结构表面的间隙在预设范围内。
可选地，所述保护罩一侧的限位滚轮的滚轮轮轴插入所述滚动轴承，并与所述角位移传感器的转轴相连；所述保护罩另一侧的限位滚轮的滚轮轮轴也插入所述滚动轴承，用于维持整个传感器的平衡。
可选地，所述传感器的总重量与总体积的比值等于周围土体的密度。
第二方面，本发明提供一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的方法，应用于上述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器中，所述方法包括：
设置所述保护罩与被测土体接触，设置所述滑轨与被测地下结构紧固连接；
当外部作用引起土体与地下结构产生的相对滑移推动所述保护罩时；所述保护罩带动所述限位滚轮沿所述滑轨方向转动；
所述限位滚轮带动插入所述滚动轴承内的轮轴转动，引发与轮轴相连的所述角位移传感器发生角度偏移；
将所述角位移传感器测得的角度偏移值换算得到土与地下结构接触界面切向的相对滑移量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器及方法，整个传感器的结构简单，检测操作方便，量程大，防水和隔土性能好，精确度高。在可选方案中，可以设置本发明传感器的总体密度等于周围环境土体密度，以确保传感器可以反映并测量土体的真实运动。
2、本发明传感器对被测地下结构体无损伤，不改变地下结构的自身刚度等参数；本发明传感器体积小，即使是埋置于缩尺模型试验的土体中也不会影响土体运动的整体性。
3、本发明传感器适用于不同类型的地下结构接触面(例如平面、曲面及各种异形面)，可以精确地测量出土与地下结构的动态相对滑动位移量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器的结构示意图。
图中：
1-滑轨；
2-保护罩；
3-限位滚轮；
4-滚动轴承；
5-角位移传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器的结构示意图。参见图1，本实施例中的传感器可以包括：滑轨1、保护罩2、限位滚轮3、滚动轴承4、角位移传感器5；其中：滑轨1固定于结构表面，限位滚轮3内嵌于滑轨1，滚动轴承4内嵌于保护罩2侧壁开孔部位，角位移传感器5固定于保护罩2内；保护罩2与土体直接接触，用以形成容纳整个传感器的空间，起到隔绝土体保护传感器的作用。
在一种可选的实施方式中，滑轨可直可弯，滑轨与结构接触面的曲率一致，通过结构胶或螺栓与地下结构接触面连接固定，滑轨内设置接触层，如齿条或橡胶等，增加其与所述限位滚轮的滑动摩擦力，保证所述限位滚轮仅在所述滑轨内发生转动。
在一种可选的实施方式中，保护罩为侧壁开孔的方形盒罩，其高度和体积应尽量小，以精确测量土与结构接触界面切向滑移量，保护罩底面贴近地下结构表面，但保持适当间隙保证传感器在工作过程中不与地下结构发生触碰。
在一种可选的实施方式中，对应于所述滑轨内布设的齿条或橡胶等不同类型的接触层，所述限位滚轮可采用齿轮或橡胶滚轮。限位滚轮由两个滚轮和轮轴组成，滚轮内嵌于滑轨，仅可沿滑轨布设方向转动，轮轴穿过滚动轴承并与角位移传感器转轴相连。
在一种可选的实施方式中，滚动轴承内嵌于保护罩侧面开孔中，其内部由限位滚轮轮轴穿过。
本实施例中，滑轨1固定于结构表面，限位滚轮3内嵌于滑轨1、滚动轴承4内嵌于保护罩2，角位移传感器5内置于保护罩2。
本实施例提供的位移测量装置，要求整个装置的总体密度与周围环境土体密度相同，从而确保传感器准确反映并测量土体的动力特性。
本实施例提供位移测量传感器，对接触面为平面、曲面及各种异形面的情况均适用，并可测试换算出土体沿地下结构的横截面的切向位移分量。
另外，本发明实施例还提供一种位移测量方法，可以应用于前述任一项的位移测量传感器中，方法包括：
步骤1：滑轨1通过结构胶或螺栓固定并紧贴于结构接触面，且可根据结构接触面形状(如平面或曲面)更改滑轨的形状，使所述滑轨与地下结构接触面的曲率一致。
步骤2：设置所述保护罩2与被测土体接触，设置所述滑轨1与被测地下结构紧固连接；
步骤3：通过土体与地下结构产生的相对滑移推动所述保护罩2在结构表面滑动；所述保护罩滑动带动所述限位滚轮3沿所述滑轨1布设方向转动；
步骤4：所述限位滚轮3带动插入所述滚动轴承4内的轮轴转动，引发与轮轴相连的所述角位移传感器5工作；
步骤5：所述角位移传感器5测得并实时输出其转轴转动产生的转角值；
步骤6：根据所述角位移传感器5测得的转角值换算得到土与地下结构接触界面切向的相对滑移量。
本发明提供的传感器结构简单，体积小，操作方便，量程较大，对被测地下结构体无损伤，不影响地下结构的自身刚度等参数，并且可以适用于不同类型的地下结构体接触面(例如平面、曲面及各种异形面)，通过换算可以精确地测量出土与地下结构的接触界面切向动态相对滑动位移量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，其特征在于，包括：滑轨(1)、保护罩(2)、限位滚轮(3)、滚动轴承(4)和角位移传感器(5)；所述限位滚轮(3)位于所述保护罩(2)的两侧；所述保护罩(2)为中空结构，用于容纳所述角位移传感器(5)，所述保护罩(2)相对的一组侧壁上设置有开孔；所述滚动轴承(4)贯穿所述保护罩(2)的开孔；所述限位滚轮(3)包括滚轮和轮轴；所述轮轴穿过所述滚动轴承(4)，并与所述角位移传感器(5)的转轴相连；其中：
所述滑轨(1)固定在地下结构接触面上，所述滚轮内嵌于所述滑轨(1)中，用以限定所述滚轮按照所述滑轨(1)的方向转动；所述滚动轴承(4)内嵌于所述保护罩(2)的开孔位置；所述角位移传感器(5)的转轴与所述滚动轴承(4)传动连接，且所述角位移传感器(5)的转轴与测试面保持平行；当测量土与地下结构接触界面动态相对滑移时，所述角位移传感器(5)受所述限位滚轮(3)的带动发生角度偏移，所述角度偏移用于表征测量土与地下结构接触界面动态相对滑移量。
2.根据权利要求1所述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，其特征在于，所述滑轨(1)内设置有接触层，用于增加所述滑轨(1)与所述限位滚轮(3)之间的滑动摩擦力。
3.根据权利要求1所述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，其特征在于，所述滑轨(1)通过结构胶或螺栓固定并紧贴于结构接触面，其中，所述滑轨(1)与地下结构接触表面的曲率一致。
4.根据权利要求1所述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，其特征在于，所述保护罩(2)底面与地下结构表面的间隙在预设范围内。
5.根据权利要求1所述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，其特征在于，所述保护罩(2)一侧的限位滚轮(3)的滚轮轮轴插入所述滚动轴承(4)，并与所述角位移传感器(5)的转轴相连；所述保护罩(2)另一侧的限位滚轮(3)的滚轮轮轴也插入所述滚动轴承(4)，用于维持整个传感器的平衡。
6.根据权利要求1所述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器，其特征在于，所述传感器的总重量与总体积的比值等于周围土体的密度。
7.一种测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的测量土与地下结构接触界面动态相对滑移的传感器中，所述方法包括：
设置所述保护罩(2)与被测土体接触，设置所述滑轨(1)与被测地下结构紧固连接；
当外部作用引起土体与地下结构产生的相对滑移推动所述保护罩(2)时；所述保护罩(2)带动所述限位滚轮(3)沿所述滑轨(1)方向转动；
所述限位滚轮(3)带动插入所述滚动轴承(4)内的轮轴转动，引发与轮轴相连的所述角位移传感器(5)发生角度偏移；
将所述角位移传感器(5)测得的角度偏移值换算得到土与地下结构接触界面切向的相对滑移量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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