CN112012251B - 基于fbg系统的斜phc方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法 - Google Patents

基于fbg系统的斜phc方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于FBG系统的斜PHC方桩轴向‑弯曲变形的联合监测方法,包括S1、根据斜PHC方桩安装时的倾斜方向分析斜PHC方桩的受力特点,并确定斜PHC方桩受到水平载荷和竖向载荷的方向;S2、根据步骤S1中获得的斜PHC方桩的受力特点确定监测点的位置和数量,监测点沿PHC方桩轴向布置;S3、在斜PHC方桩受到水平载荷的两个相对侧面上监测点对应的位置,以斜PHC方桩的轴线为对称轴对称设置两个FBG传感器;在斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上监测点对应的位置设置一个FBG传感器,同一监测点处横截面上的三个FBG传感器的几何中心共面。该方法能够实现同一监测点处的轴向变形和弯曲变形的联合监测。

Description

基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域,具体涉及一种基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法。
背景技术
斜PHC方桩被广泛应用于港口、码头、桥梁等工程中,在使用过程中容易受到由于地震、冲击、撞击等引起的水平载荷以及由于自重产生的竖向载荷,因此研究斜PHC方桩的弯曲和轴向变形对于桩基监测具有重要意义。
FBG光纤光栅传感系统(简称FBG系统)由于具有防潮、耐腐蚀、灵敏度高、检测信号稳定等优点,被广泛应用于桩基检测中。FBG系统主要包括数据解调仪和串联式的多个FBG传感器,FBG传感器用于采集监测点处反射光的波长,并将采集的数据传输至数据解调仪;数据解调仪根据采集的数据计算得到监测点处的应变。
申请号为201210476519.8的文献公开了一种PHC管桩试桩应力、应变检测的方法,该方法只在PHC管桩的一个侧面上布置FBG传感器,只能检测PHC管桩的轴向变形,而不能检测弯曲变形,因此并不能全面检测PHC管桩的变形状态。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明拟解决的技术问题是,提供一种基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:
一种基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1、根据斜PHC方桩安装时的倾斜方向分析斜PHC方桩的受力特点,并确定斜PHC方桩受到水平载荷和竖向载荷的方向;
S2、根据步骤S1中获得的斜PHC方桩的受力特点确定监测点的位置和数量,监测点沿PHC方桩轴向布置;
S3、在斜PHC方桩受到水平载荷的两个相对侧面上监测点对应的位置,以斜PHC方桩的轴线为对称轴对称设置两个FBG传感器;在斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上监测点对应的位置设置一个FBG传感器,同一监测点横截面上的三个FBG传感器的几何中心共面,FBG传感器采集FBG传感器所在位置的反射光波长,并将采集的数据传输至FBG系统的数据解调仪;数据解调仪根据公式(1)和(2)计算得到斜PHC方桩在FBG传感器所在位置的应变ε;
Δλ=λ10 (1)
Figure BDA0002652630520000011
式中,Δλ表示反应光的波长偏移量;λ0表示斜PHC方桩未受到载荷时,FBG传感器所在位置的反射光的初始波长;λ1表示斜PHC方桩受到载荷后,FBG传感器所在位置的反射光的波长;ξ表示FBG传感器的反应光栅的光学参数;
设定在同一监测点处斜PHC方桩受到水平载荷的两个侧面的应变分别为εa和εb,并根据公式(3)计算得到斜PHC方桩在该监测点处的弯曲应变Δε,即斜PHC方桩在此监测点处的弯曲变形;
Figure BDA0002652630520000021
斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上的FBG传感器所在位置的应变即为斜PHC方桩在相应监测点处的轴向变形。
所述步骤S3中布置FBG传感器的具体步骤为:
S31、切槽:在斜PHC方桩需要布置FBG传感器的侧面进行测量放线并切槽,切槽的几何中心位于相应侧面的中线上;
S32、清理:清理切槽内的杂物,然后在槽底涂覆一层环氧树脂层并静置24小时;待环氧树脂层完全固化后,用砂纸对环氧树脂层进行打磨,使其产生粗糙表面;
S33、连线:在打磨好的切槽内再次进行测量放线,确定FBG传感器的布设位置;然后用速干胶将FBG传感器固定在相应位置上,同时将FBG传感器的连接线沿斜PHC方桩侧面的中线位置进行同步铺设,并用速干胶将其固定在切槽内;
S34、封装:待FBG传感器及连接线均固定完毕后,从切槽的边缘处向切槽内注入环氧树脂,完成FBG传感器的封装;
S35、打磨:待注入切槽内的环氧树脂完全固化后,对切槽处已经固结的环氧树脂进行打磨,使其外层形成粗糙接触面,完成FBG传感器的布置。
所述切槽深度为6mm,宽度为30mm;环氧树脂层的厚度为1mm;注入环氧树脂的高度大于切槽深度1-2mm。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.由于斜PHC方桩的桩径较大,测量单一侧面的应变并不能反映斜PHC方桩整个桩身的真实弯曲变形情况,因此本发明在斜PHC方桩监测点处的三个侧面上分别设有一个FBG传感器,其中两个FBG传感器分别位于斜PHC方桩受到水平载荷的两个相对侧面上,通过求取斜PHC方桩两侧应变的平均值得出斜PHC方桩的弯曲变形,测量结果更加精确;另一个FBG传感器用于监测轴向变形,实现同一监测点处的轴向变形和弯曲变形的联合监测,使得监测更为全面,并提高了监测的效率,为实际工程中的斜桩桩身变形监测提供了更为安全可靠的监测方法。
2.本发明的切槽的槽底涂覆一层环氧树脂层,并对环氧树脂层进行打磨,使其产生粗糙表面,使得FBG传感器粘结更稳固;在FBG传感器封装完毕后,利用角磨机对切槽处已经固结的环氧树脂进行打磨,使其外层形成粗糙接触面,增大与土层的摩擦力,提高斜PHC方桩承载竖向载荷的能力,尽可能减小由于布置FBG传感器对斜PHC方桩承载力的影响。
附图说明
图1为本发明的方法流程图;
图2为本发明的斜PHC方桩的受力原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作下一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明的技术方案,不限制申请的保护范围。
本发明提供一种基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法(简称方法,参见图1),具体包括以下步骤:
S1、根据斜PHC方桩安装时的倾斜方向分析斜PHC方桩的受力特点,并确定斜PHC方桩受到水平载荷和竖向载荷的方向;
S2、根据步骤S1中获得的斜PHC方桩的受力特点确定监测点的位置和数量,监测点沿PHC方桩轴向布置;
S3、在斜PHC方桩受到水平载荷的两个相对侧面上监测点对应的位置,以斜PHC方桩的轴线为对称轴对称设置两个FBG传感器,用于监测弯曲变形;在斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上监测点对应的位置设置一个FBG传感器,用于监测轴向变形;同一监测点处横截面上的三个FBG传感器的几何中心共面,实现同一监测点处轴向变形与弯曲变形的联合监测;FBG传感器用于采集FBG传感器所在位置的反射光波长,并将采集的数据传输至FBG系统的数据解调仪;数据解调仪根据公式(1)和(2)计算得到斜PHC方桩在FBG传感器所在位置的应变ε;
Δλ=λ10 (1)
Figure BDA0002652630520000031
式中,Δλ表示反应光的波长偏移量;λ0表示斜PHC方桩未受到载荷时,FBG传感器所在位置的反射光的初始波长;λ1表示斜PHC方桩受到载荷后,FBG传感器所在位置的反射光的波长;ξ表示FBG传感器的反应光栅的光学参数,其具体取值在FBG传感器出厂时实际标定后给出;
设定在同一监测点处斜PHC方桩受到水平载荷的两个侧面的应变分别为εa和εb,根据公式(3)计算得到斜PHC方桩在该监测点处的弯曲应变Δε,即斜PHC方桩在此监测点处的弯曲变形;
Figure BDA0002652630520000032
斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上的FBG传感器所在位置的应变即为斜PHC方桩在相应监测点处的轴向变形。
所述步骤S3中布置FBG传感器的具体步骤为:
S31、切槽:在斜PHC方桩需要布置FBG传感器的侧面进行测量放线并切槽,切槽的几何中心位于相应侧面的中线上;切槽深度为6mm,宽度为30mm,既不影响斜PHC方桩整体承载能力的前提下又能保证FBG传感器的可靠性;
S32、清理:通过刷子或风机清理切槽内的杂物,然后在槽底涂覆一层环氧树脂层并静置24小时,等待环氧树脂层固化;待环氧树脂层完全固化后,用砂纸对环氧树脂层进行打磨,使其产生粗糙表面,使得FBG传感器粘结更稳固;所述环氧树脂层的厚度为1mm;
S33、连线:在打磨好的切槽内再次进行测量放线,确定监测点的位置,即FBG传感器的布设位置;然后用速干胶将FBG传感器固定在相应位置上,同时将FBG传感器的连接线沿斜PHC方桩侧面的中线位置进行同步铺设,并用速干胶将其固定在切槽内;
S34、封装:待FBG传感器及连接线均固定完毕后,从切槽的边缘处向切槽内注入环氧树脂,完成FBG传感器的封装,使FBG传感器得到可靠保护;其中,注入环氧树脂的高度大于切槽深度1-2mm,方便后期对斜PHC方桩进行表面处理;
S35、打磨:待注入切槽内的环氧树脂完全固化后(约48小时),利用角磨机对切槽处的已经固结的环氧树脂进行打磨,使其外层形成粗糙接触面,增大与土层的摩擦力,提高斜PHC方桩承载竖向载荷的能力,尽可能减小由于布置FBG传感器对斜PHC方桩承载力的影响,至此完成FBG传感器的布置。
实施例
本实施例基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法,具体步骤为:
S1、根据斜PHC方桩安装时的倾斜方向分析斜PHC方桩的受力特点,并确定斜PHC方桩受到水平载荷和竖向载荷的方向;如图2所示,本实施例中斜PHC方桩的倾斜方向为右上方(以竖直平面为参考面),其受到水平向左的水平载荷,受到竖直向下的竖向载荷;
S2、根据斜PHC方桩的受力特点确定监测点的位置和数量,可以在主要受力部位增加监测点的个数;本实施例沿斜PHC方桩轴向均匀布置10个监测点;
S3、在斜PHC方桩左右两个侧面上与监测点对应的位置对称设置一对FBG传感器,用于监测斜PHC方桩的弯曲变形;在斜PHC方桩的前侧面上与监测点对应的位置处设置一个FBG传感器,用于监测斜PHC方桩的轴向变形;FBG传感器用于采集FBG传感器所在位置的反射光波长,并将采集的数据传输至FBG系统的数据解调仪;数据解调仪根据公式(1)和(2)计算得到斜PHC方桩在FBG传感器处的应变ε;
Δλ=λ10 (1)
Figure BDA0002652630520000041
式中,Δλ表示反应光的波长偏移量;λ0表示斜PHC方桩未受到载荷时,FBG传感器所在位置的反射光的初始波长;λ1表示斜PHC方桩受到载荷后,FBG传感器所在位置的反射光的波长;ξ表示FBG传感器的反应光栅的光学参数,其具体取值在FBG传感器出厂时实际标定后给出;
其中,同一监测点处斜PHC方桩左、右两个侧面的应变分别为εa和εb,并根据公式(3)计算得到斜PHC方桩在该监测点处的弯曲应变Δε,即斜PHC方桩在此监测点处的弯曲变形;
Figure BDA0002652630520000051
斜PHC方桩前侧面上的FBG传感器所在位置的应变即为斜PHC方桩在相应监测点处的轴向变形。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法,用于实现桩身同一监测点处轴向变形和弯曲变形的联合监测;其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1、根据斜PHC方桩安装时的倾斜方向分析斜PHC方桩的受力特点,并确定斜PHC方桩受到水平载荷和竖向载荷的方向;
S2、根据步骤S1中获得的斜PHC方桩的受力特点确定监测点的位置和数量,监测点沿PHC方桩轴向布置;
S3、在斜PHC方桩受到水平载荷的两个相对侧面上监测点对应的位置,以斜PHC方桩的轴线为对称轴对称设置两个FBG传感器;在斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上监测点对应的位置设置一个FBG传感器,同一监测点横截面上的三个FBG传感器的几何中心共面,FBG传感器采集FBG传感器所在位置的反射光波长,并将采集的数据传输至FBG系统的数据解调仪;数据解调仪根据公式(1)和(2)计算得到斜PHC方桩在FBG传感器所在位置的应变ε;
Δλ=λ10 (1)
Figure FDA0003567402730000011
式中,Δλ表示反应光的波长偏移量;λ0表示斜PHC方桩未受到载荷时,FBG传感器所在位置的反射光的初始波长;λ1表示斜PHC方桩受到载荷后,FBG传感器所在位置的反射光的波长;ξ表示FBG传感器的反应光栅的光学参数;
设定在同一监测点处斜PHC方桩受到水平载荷的两个侧面的应变分别为εa和εb,并根据公式(3)计算得到斜PHC方桩在该监测点处的弯曲应变Δε,即斜PHC方桩在此监测点处的弯曲变形;
Figure FDA0003567402730000012
斜PHC方桩剩余两个侧面的任意一个侧面上的FBG传感器所在位置的应变即为斜PHC方桩在相应监测点处的轴向变形。
2.根据权利要求1所述的基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法,其特征在于,步骤S3中布置FBG传感器的具体步骤为:
S31、切槽:在斜PHC方桩需要布置FBG传感器的侧面进行测量放线并切槽,切槽的几何中心位于相应侧面的中线上;
S32、清理:清理切槽内的杂物,然后在槽底涂覆一层环氧树脂层并静置24小时;待环氧树脂层完全固化后,用砂纸对环氧树脂层进行打磨,使其产生粗糙表面;
S33、连线:在打磨好的切槽内再次进行测量放线,确定FBG传感器的布设位置;然后用速干胶将FBG传感器固定在相应位置上,同时将FBG传感器的连接线沿斜PHC方桩侧面的中线位置进行同步铺设,并用速干胶将其固定在切槽内;
S34、封装:待FBG传感器及连接线均固定完毕后,从切槽的边缘处向切槽内注入环氧树脂,完成FBG传感器的封装;
S35、打磨:待注入切槽内的环氧树脂完全固化后,对切槽处已经固结的环氧树脂进行打磨,使其外层形成粗糙接触面,完成FBG传感器的布置。
3.根据权利要求2所述的基于FBG系统的斜PHC方桩轴向-弯曲变形的联合监测方法,其特征在于,切槽深度为6mm,宽度为30mm;环氧树脂层的厚度为1mm;注入环氧树脂的高度大于切槽深度1-2mm。
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