CN111472388A - 装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法，能够对管廊节间裂缝进行自动化监测与预警，实现裂缝监测数据实时传输到云平台进行展示和数据分析；利用三点确定一个平面的原理，建立了基于三点测试数据的管廊全断面裂缝情况的预测方法，有效避免由于测试点不足而无法反映整个截面裂缝情况的问题，此外能够根据整个截面的裂缝分布情况能够预测最大裂缝位置及其裂缝宽度，进而确定最大裂缝宽度沿轴线的分布，根据分布函数能够求出最大的裂缝宽度和对应的位置，核心是在于一元多次方程的求解。

Description

装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法

技术领域

本发明涉及管廊领域，特别是涉及一种装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法。

背景技术

装配式技术在管廊建设中得到越来越广泛的应用，装配式管廊建造技术具有施工质量高、安装速度快、现场耗材少、文明环保程度高等优点，但装配式管廊连接部位的长期使用性能仍存在不确定性，尤其是对于地表以下富含地下水的综合管廊，管廊节段间的连接处理不当，极有可能导致管廊节段间出现裂缝、渗水等现象，严重影响管廊的长期服役性能，因此有必要对预制装配式混凝土综合管廊连接部位受力性能进行实时监测。

当前，承插式接口外加钢绞线或螺栓连接是节段预制混凝土综合管廊最常用的连接方式，节段靠钢绞线的拉力或是螺栓的紧固力固结在一起，但在使用过程中，在水土压力、不均匀沉降、温度作用、应力松弛、腐蚀等因素影响下，截面可能呈张开的趋势，出现裂缝，传统方式是定期采用裂缝综合测试仪对不同部位的裂缝宽度和深度进行检测，据此评估管廊的使用性能，但这种人为定期巡检的方式无法及时发现管廊可能出现的病害，且随着时间推移，人工成本呈线性增大，既不经济也不安全。

健康监测系统在装配式管廊中得到了一定程度地应用，系统监测内容包含了环境作用、结构受力等基本参数，但缺少针对节间裂缝的监测研究成果，尤其是缺少如何根据监测点位置的数据预测整个管廊最大裂缝的位置和宽度，如果无法根据有限的监测结果预测最大裂缝的位置和宽度，将可能导致监测出现遗漏，存在安全隐患。

当前虽然有针对装配式管廊的健康监测系统，也有对裂缝等参数的监测研究成果，但是缺少沿管廊轴线和断面的裂缝监测点布置的说明，实际上，考虑设备成本，裂缝监测点是有限的，只能间隔一定的节段数量，在特定截面上布置裂缝监测点，且整个截面裂缝监测点也是有限的，通常不会超过4个，因此如何兼顾监测的有效性和经济性，确定裂缝监测点布置方案是至关重要的。

管廊在使用过程中承受着不可预知的荷载作用，包括不均匀沉降、地震荷载、水土压力等，也就是说，在确定裂缝监测点时无法准确预知未来可能出现的最大裂缝位置，因此裂缝监测点可能不是实际出现的最大裂缝出现的位置，这就要求提出一种根据有限监测数据的最大裂缝位置和最大裂缝宽度的预测方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的管廊在使用过程中承受着不可预知的荷载作用，包括不均匀沉降、地震荷载、水土压力等，也就是说，在确定裂缝监测点时无法准确预知未来可能出现的最大裂缝位置，因此裂缝监测点可能不是实际出现的最大裂缝出现的位置的问题，提供一种装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法，选取基本荷载组合作用下有限元计算结果显示的管廊同一横截面中可能出现最大裂缝宽度的三个位置作为三个裂缝监测点。

本发明所述的一种装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法，利用三点确定一个平面的原理，建立了基于三点测试数据的管廊全断面裂缝情况的预测方法，有效避免由于测试点不足而无法反映整个截面裂缝情况的问题，此外能够根据整个截面的裂缝分布情况能够预测最大裂缝位置及其裂缝宽度。

优选地，沿管廊轴线方向，裂缝监测点选在地基最不好的区域，如地基情况基本相同，间隔一定数量节段的管廊布置裂缝监测点。

本发明还提供了一种装配式管廊节间裂缝监测系统，包括表面测缝计、数据采集仪、无线传输模块和健康监测云平台，在如以上任一项所述装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法确定的三个裂缝监测点各设置一个表面测缝计，表面测缝计连接数据采集仪，数据采集仪连接无线传输模块，无线传输模块无线连接健康监测云平台。

本发明所述的一种装配式管廊节间裂缝监测系统，能够对管廊节间裂缝进行自动化监测与预警，实现裂缝监测数据实时传输到云平台进行展示和数据分析。

本发明还提供了一种装配式管廊节间最大裂缝宽度预测方法，应用如以上任一项所述装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法，包括：

确定管廊横截面上最大裂缝位置和最大裂缝宽度；

确定管廊轴线方向最大裂缝位置和最大裂缝宽度。

本发明所述的一种装配式管廊节间最大裂缝宽度预测方法，利用三点确定一个平面的原理，建立了基于三点测试数据的管廊全断面裂缝情况的预测方法，有效避免由于测试点不足而无法反映整个截面裂缝情况的问题，此外能够根据整个截面的裂缝分布情况能够预测最大裂缝位置及其裂缝宽度，进而确定最大裂缝宽度沿轴线的分布，根据分布情况能够求出最大的裂缝宽度和对应的位置。

优选地，根据平截面假定确定管廊横截面上最大裂缝位置和最大裂缝宽度。

进一步优选地，整个截面上裂缝宽度可以表示为：

ω＝ax+by+c (1)

式中，ω为裂缝宽度，x和y为截面特点位置的坐标，a、b、c为待定参数；

根据三个裂缝监测点的数据，代入式(1)能够求得a、b、c取值，从而得到整个截面裂缝宽度分布的函数，据此可以求得任意一点坐标对应的裂缝宽度ω_max，并确定裂缝宽度最大值对应的位置。

进一步优选地，沿管廊轴线共计有n个上述监测断面，沿拱轴线分布对应的坐标分别为z₁，z₂…，z_n，每个断面都能够确定唯一的裂缝最大宽度和最大宽度对应的位置，n个最大裂缝宽度数值记为ω_max，1，ω_max，2…，ω_max，n，利用多项式能够建立最大裂缝宽度ω_max和坐标z的关系式：

将n个最大裂缝宽度数值代入式(2)能够求出n个待定未知数a_i，从而建立最大裂缝宽度和轴向坐标z之间的一元n-1次函数关系式，根据函数求最大值原理，可求得整个管廊轴线方向最大裂缝宽度对应的位置及最大裂缝宽度数值。

优选地，根据管廊轴线方向最大裂缝位置和最大裂缝宽度进行裂缝预警。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法，利用三点确定一个平面的原理，建立了基于三点测试数据的管廊全断面裂缝情况的预测方法，有效避免由于测试点不足而无法反映整个截面裂缝情况的问题，此外能够根据整个截面的裂缝分布情况能够预测最大裂缝位置及其裂缝宽度；

2、本发明所述的一种装配式管廊节间裂缝监测系统，能够对管廊节间裂缝进行自动化监测与预警，实现裂缝监测数据实时传输到云平台进行展示和数据分析；

3、本发明所述的一种装配式管廊节间最大裂缝宽度预测方法，利用三点确定一个平面的原理，建立了基于三点测试数据的管廊全断面裂缝情况的预测方法，有效避免由于测试点不足而无法反映整个截面裂缝情况的问题，此外能够根据整个截面的裂缝分布情况能够预测最大裂缝位置及其裂缝宽度，进而确定最大裂缝宽度沿轴线的分布，根据分布情况能够求出最大的裂缝宽度和对应的位置。

附图说明

图1是本发明管廊截面坐标系示意图；

图2是本发明裂缝计安装位置示意图；

图3是本发明所述一种装配式管廊节间裂缝监测的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-3所示，本发明所述的一种装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法，包括以下步骤：

步骤一、选取基本荷载组合作用下有限元计算结果显示的管廊同一横截面中可能出现最大裂缝宽度的三个位置作为三个裂缝监测点，如缺少有限元计算结果，则在管廊的顶面任一位置、底面任一位置、腹板中部布置三个裂缝监测点；沿管廊轴线方向设置若干监测断面，每个监测断面包括上述三个裂缝监测点，监测断面选在地基最不好的区域，如地基情况基本相同，间隔一定数量节段的管廊布置监测断面，按照弹性地基梁理论能够预测节段间不同截面的受力情况。

步骤二、构建装配式管廊节间裂缝监测自动化监测与预警系统，实现裂缝监测数据实时传输到云平台进行展示和数据分析，该装配式管廊节间裂缝监测自动化监测与预警系统包括表面测缝计、数据采集仪、无线传输模块和健康监测云平台，在每个裂缝监测点各设置一个表面测缝计，表面测缝计连接数据采集仪，数据采集仪连接无线传输模块，无线传输模块无线连接健康监测云平台。

步骤三、在管廊横截面上定位最大裂缝位置，由于钢绞线或螺栓等连接方式是弹性连接，因此管廊在整个断面上的受力是满足平截面假定的，三个点可以确定一个平面，因此根据截面上布置的三个裂缝监测点能够确定断面上的受力情况，从而容易确定任意一点的裂缝情况，并求得裂缝宽度最大的位置；根据平截面假定，整个截面上裂缝宽度可以表示为：

ω＝ax+by+c (1)

式中，ω为裂缝宽度，x和y为截面特点位置的坐标，如图1所示，a、b、c为待定参数。

根据三个裂缝监测点的数据，代入式(1)能够求得a、b、c取值，从而得到整个截面裂缝宽度分布的函数，据此可以求得任意一点坐标对应的裂缝宽度ω_max，并确定裂缝宽度最大值对应的位置。

步骤四、沿管廊轴线共计有n个上述监测断面，沿拱轴线分布对应的坐标分别为z₁，z₂…，z_n，每个断面都能够确定唯一的裂缝最大宽度和最大宽度对应的位置，n个最大裂缝宽度数值记为ω_max，1，ω_max，2…，ω_max，n，利用多项式能够建立最大裂缝宽度ω_max和坐标z的关系式：

将n个最大裂缝宽度数值代入式(2)能够求出n个待定未知数a_i，从而建立最大裂缝宽度和轴向坐标z之间的一元n-1次函数关系式，根据函数求最大值原理，可求得整个管廊轴线方向最大裂缝宽度对应的位置及最大裂缝宽度数值，根据这一数值进行裂缝预警。

运用本发明所述的一种装配式管廊节间裂缝监测及最大裂缝宽度预测方法，能够对管廊节间裂缝进行自动化监测与预警，实现裂缝监测数据实时传输到云平台进行展示和数据分析；利用三点确定一个平面的原理，建立了基于三点测试数据的管廊全断面裂缝情况的预测方法，有效避免由于测试点不足而无法反映整个截面裂缝情况的问题，此外能够根据整个截面的裂缝分布情况能够预测最大裂缝位置及其裂缝宽度，进而确定最大裂缝宽度沿轴线的分布，根据分布函数能够求出最大的裂缝宽度和对应的位置，核心是在于一元多次方程的求解。

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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法，其特征在于，选取基本荷载组合作用下有限元计算结果显示的管廊同一横截面中可能出现最大裂缝宽度的三个位置作为三个裂缝监测点。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，沿管廊轴线方向，裂缝监测点选在地基最不好的区域，如地基情况基本相同，间隔一定数量节段的管廊布置裂缝监测点。

3.一种装配式管廊节间裂缝监测系统，其特征在于，包括表面测缝计、数据采集仪、无线传输模块和健康监测云平台，在如权利要求1-2任一项所述装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法确定的三个裂缝监测点各设置一个表面测缝计。

4.一种装配式管廊节间最大裂缝宽度预测方法，其特征在于，应用如权利要求1-2任一项所述装配式管廊节间裂缝监测位置的确定方法，包括：

确定管廊横截面上最大裂缝位置和最大裂缝宽度；

确定管廊轴线方向最大裂缝位置和最大裂缝宽度。

5.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，根据平截面假定确定管廊横截面上最大裂缝位置和最大裂缝宽度。

6.根据权利要求5所述的预测方法，其特征在于，整个截面上裂缝宽度可以表示为：

ω＝ax+by+c (1)

式中，ω为裂缝宽度，x和y为截面特点位置的坐标，a、b、c为待定参数；

根据三个裂缝监测点的数据，代入式(1)能够求得a、b、c取值，从而得到整个截面裂缝宽度分布的函数，据此可以求得任意一点坐标对应的裂缝宽度ω_max，并确定裂缝宽度最大值对应的位置。

7.根据权利要求6所述的预测方法，其特征在于，沿管廊轴线共计有n个上述监测断面，沿拱轴线分布对应的坐标分别为z₁，z₂…，z_n，每个断面都能够确定唯一的裂缝最大宽度和最大宽度对应的位置，n个最大裂缝宽度数值记为ω_max，1，ω_max，2…，ω_max，n，利用多项式能够建立最大裂缝宽度ω_max和坐标z的关系式：

将n个最大裂缝宽度数值代入式(2)能够求出n个待定未知数a_i，从而建立最大裂缝宽度和轴向坐标z之间的一元n-1次函数关系式，根据函数求最大值原理，可求得整个管廊轴线方向最大裂缝宽度对应的位置及最大裂缝宽度数值。

8.根据权利要求4-7所述的预测方法，其特征在于，根据管廊轴线方向最大裂缝位置和最大裂缝宽度进行裂缝预警。

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