CN112798640B - 一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法。该方法包括在地下结构的内表面布置温度和应变传感器；采集地下结构的温度和应变监测数据；计算荷载应变和热膨胀系数；求解归一化热膨胀系数，建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵；根据荷载应变，前、后两个评价周期的欧式距离矩阵变化研判地下结构损伤。本发明的方法可更大程度上消除传感器误差的影响，对结构损伤识别将更加敏感与准确，可充分利用现有监测中常用的应变和温度传感器数据，不额外增加数据采集的成本。

Description

一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法

技术领域

本发明涉及地下结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法。

背景技术

近年来，随着我国基础建设的迅速发展，地下空间开发如火如荼。然而，建成后的混凝土地下建筑结构埋置于地下，工作环境复杂多变，外界荷载变化大且难以预测。地下建筑结构经常出现开裂，渗漏水，钢筋锈蚀，混凝土局部碎裂，甚至整体垮塌的重大灾害，这引起了地下结构管养单位的高度重视，如何有效地对地下结构进行损伤监测成为一项重大的技术调整。

当前地下结构损伤主要采用表面应变计(监测混凝土表面应变)，静力水准仪(监测沉降)、钢筋计(监测钢筋应力)、砼应变计(监测混凝土内部应变)、位移计(监测指定点沿指定方向的位移)、土压力计(监测土压力)、渗压计(监测地下水渗漏)、锚杆应力计(监测锚杆受力)等，取得了较好的监测效果。但这些传感器仅能反映特定点局部区域特定监测内容的变化，欲反映整个结构的状态需在空间中布设大量传感器，极大提高了监测费用和设备安装困难。当前使用日益广泛的光纤传感器则能较好地用一根连续的光纤覆盖较大范围的监测需求，但造价昂贵，容易损坏，监测内容相对单一。授权于2017.07.18的中国发明专利“基于EMD的结构刚度损伤监测方法及系统”公开了基于监测结构振动响应评价结构刚度损伤程度的一种方法，特别适用于冲击荷载作用下的结构微小刚度损伤监测判定；除此之外，还有类似专利或研究成果基于结构在外力作用下的振动识别结构损伤，但是地下结构一般不会直接承受外部冲击荷载，地下结构在正常外部荷载下也不会出现明显的振动，因此通过振动监测评价地下结构刚度损伤效果不好。授权于2017.04.26的中国发明专利“一种大跨桥梁损伤识别方法”公开了一种基于温度应变识别桥梁结构损伤的方法，但这种方法需要在横截面上布设传感器，在建成后的地下结构中只能在表面布设传感器，无法在结构断面内布设传感球，因而这种方法无法应用于地下结构。

热膨胀系数表征物体由于温度的变化引起的相应体积改变，是材料、建筑结构重要的物理指标，对结构的损伤监测、风险评价具有重要意义。对地下建筑结构而言，热膨胀系数是周围岩土体约束刚度、钢筋混凝土材料损伤程度的综合体现，即使在单点测试热膨胀系数，仍能反映测点附近很大范围内的结构损伤状态。基于热膨胀系数的地下结构损伤监测方法是未来地下结构监测的新方向。本发明提供了一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构损伤监测方法，同时利用结构的应变响应和热膨胀系数，能提升地下结构损伤监测水平，保障地下结构的安全服役。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，包括以下步骤：

在地下结构的内表面指定n个监测点，在每一监测点布置一个温度传感器和两个应变传感器，所述两个应变传感器为方向相互垂直设置的第一应变传感器和第二应变传感器；

在一个评价周期内采集温度传感器测得的m个温度值T_i,j、第一应变传感器测得的m个第一应变值ε_I,i,j和第二应变传感器测得的m个第二应变值ε_II,i,j，其中，i表示第i个监测点，i≤n，j表示一个评价周期中该传感器采集的第j个数据，j≤m，m为一个评价周期内的采集次数；

根据所述第一应变值ε_I,i,j和温度值T_i,j计算第一热膨胀系数α_I,i和第一荷载应变

根据所述第二应变值ε_II,i,j和温度值T_i,j计算第二热膨胀系数α_II,i和第二荷载应变

当某一监测点的第一荷载应变或第二荷载应变超过报警阈值时，则认为该监测点附近存在结构损伤风险，发出预警信息。

进一步的，第一热膨胀系数α_I,i和第一荷载应变

的计算方式如下：

1)在

范围内等距确定k个备选α_I,i值(包括两端的

和

)，其中，

为钢筋混凝土材料在无约束状态下的典型热膨胀系数；对每个备选α_I,i值计算以下皮尔逊相关系数ρ：

其中，

为平均第一应变，

为平均第一应变，

2)绘制

曲线，在曲线上找到使得ρ²最小的α_I,i值即为待求解的第一热膨胀系数α_I,i；

3)第一荷载应变

的计算方式为：

其中，ε_I,i,1、T_i,1分别为监测点i处在一个评价周期内采集的第一个第一应变值和第一个温度值，

为监测点i处在一个评价周期内采集的第一个第一荷载应变(与上一个评价周期的最后一个第一荷载应变相同)；

通过上述方式计算获得第二热膨胀系数α_II,i和第二荷载应变

进一步的，还包括：

求解归一化热膨胀系数，建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵，具体包括：

1)、求解归一化第一热膨胀系数

和归一化第二热膨胀系数

2)、建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵EDM₁、EDM₂、EDM₃、EDM₄，其统一形式为：

其中，p分别取值为1、2、3、4，D_ia表示第i个监测点与第a个监测点之间热膨胀系数的差值的绝对值；

对EDM₁有

对EDM₂有

对EDM₃有

对EDM₄有

用ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄表示4个热膨胀系数欧式距离矩阵各自的前后两个评价周期的差值绝对值矩阵，如ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄中任何一个矩阵中有至少一行或一列的值超过设定阈值，则认为识别出的异常列或异常行对应的监测点附近存在较大结构损伤风险，发出预警信息。

进一步的，所述监测点的位置选择在结构较脆弱或外部荷载较大或破坏后果较严重的部位，当地下结构在各部位相差不大时，采用均匀布点。

进一步的，在一个评价周期内均匀间隔采集取样，所述一个评价周期不小于24小时，以覆盖一个完整的温度升降周期。

进一步的，每三个监测点设置在地下结构的一个监测断面上。

有益效果：1、本发明在同一测点布设相互垂直的传感器，可推测两个方向的热膨胀系数，基于热膨胀系数构建四个热膨胀系数欧氏距离矩阵，由此可更大程度上消除传感器误差的影响，对结构损伤识别将更加敏感与准确；

2、本发明的各个传感器的荷载应变可反映传感器所处局部的结构受力状态，基于各个测点监测数据推导得到的热膨胀系数可反映测点附近较大范围内结构所受约束的情况，将不同空间范围的监测结构相结合，更有利于识别结构潜在损伤；

3、本发明可充分利用现有监测中常用的应变和温度传感器数据，不额外增加数据采集的成本；

4、本发明采用求解基于最小误差的方程组分离温度应变和荷载应变更加合理。

附图说明

图1为温度传感器和两个应变传感器在监测断面内的设置示意图；

图2为传感器及监测断面在地下结构中设置示意图；

图3为监测点3在一个评价周期内的温度变化图；

图4为监测点3在一个评价周期内的第一应变变化图；

图5为监测点3在一个评价周期内的第二应变变化图；

图6为

曲线图；

图7为监测点3在一个评价周期内的第一荷载应变图；

图8为

曲线图；

图9为监测点3在一个评价周期内的第二荷载应变图；

图10为监测点14在一个评价周期内的第一荷载应变图；

图11为监测点14在一个评价周期内的第二荷载应变图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，包括以下步骤：

在地下结构的内表面指定n个监测点，在每一监测点布置一个温度传感器和两个应变传感器，两个应变传感器为方向相互垂直设置的第一应变传感器和第二应变传感器。每个监测断面上所指定的监测点的数量可以根据实际需要进行变化，优选每三个监测点设置在地下结构的一个监测断面上。

在一个评价周期内采集温度传感器测得的m个温度值T_i,j、第一应变传感器测得的m个第一应变值ε_I,i,j和第二应变传感器测得的m个第二应变值ε_II,i,j，其中，i表示第i个监测点，i≤n，j表示一个评价周期中该传感器采集的第j个数据，j≤m，m为一个评价周期内的采集次数。

根据所述第一应变值ε_I,i,j和温度值T_i,j计算第一热膨胀系数α_I,i和第一荷载应变

根据所述第二应变值ε_II,i,j和温度值T_i,j计算第二热膨胀系数α_II,i和第二荷载应变

当某一监测点的第一荷载应变或第二荷载应变超过报警阈值时，则认为该监测点附近存在较大的结构损伤风险，发出预警信息。当健康监测系统运行一个评价周期后，可以绘制第一荷载应变、第二荷载应变随时间变化的关系图形。需要说明的是，当一个评价周期结束后即立即进入下一个评价周期，如此不断评价结构损伤状态，在判断为结构损伤的监测断面上，可以增加监测点进行重点监测。

本发明实施例的，第一热膨胀系数α_I,i和第一荷载应变

的计算方式如下：

1)在

范围内等距选择k个α_I,i值(包括两端的

和

)，其中，

为钢筋混凝土材料在无约束状态下的典型热膨胀系数；对每个α_I,i值计算皮尔逊相关系数：

其中，

为平均第一应变，

为平均第一应变，

2)绘制

曲线，在曲线上找到使得ρ²最小的α_I,i值即为待求解的第一热膨胀系数α_I,i；

3)第一荷载应变

的计算方式为：

其中，ε_I,i,1、T_i,1分别为监测点i处在一个评价周期内采集的第一个第一应变值和第一个温度值，

为监测点i处在一个评价周期内采集的第一个第一荷载应变(与上一个评价周期的最后一个第一荷载应变相同)；

同样，通过上述方式计算获得第二热膨胀系数α_II,i和第二荷载应变

还包括：

求解归一化热膨胀系数，建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵，具体包括：

1)、求解归一化第一热膨胀系数

和归一化第二热膨胀系数

2)、建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵EDM₁、EDM₂、EDM₃、EDM₄，其统一形式为：

其中，p分别取值为1、2、3、4，D_ia表示第i个监测点与第a个监测点之间热膨胀系数的差值的绝对值；

对EDM₁有

对EDM₂有

对EDM₃有

对EDM₄有

用ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄表示4个热膨胀系数欧式距离矩阵各自的前后两个评价周期的差值绝对值矩阵，如ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄中任何一个矩阵中有至少一行或一列的值超过设定阈值，则认为识别出的异常列或异常行对应的监测点附近存在较大结构损伤风险，发出预警信息。

本发明实施例的监测点的位置选择在结构较脆弱或外部荷载较大或破坏后果较严重的部位，当地下结构在各部位相差不大时，采用均匀布点。

优选一个评价周期内均匀间隔采集取样，一个评价周期不小于24小时，以覆盖一个完整的温度升降周期。具体的，以一个评价周期为一天(24小时)为例，采集取样是按照设定时间间隔进行的，如每隔五分钟采集一次。

举例说明：对某长度为120m的矩形截面隧道，每隔10米布置一个监测断面，每个断面布置三个监测点，共33个监测点，每个监测点包括一个温度传感器、两个应变传感器且分别为第一应变传感器和第二应变传感器，且两个应变传感器方向相互垂直，传感器贴在混凝土结构内表面。监测点位置如图1和2所示。

每5分钟监测一组数据，以一天为一个评价周期，上述m为288，这样，每个评价周期内每个监测点可采集288个温度值、288个第一应变值、288第二应变值。测得各监测点的温度值T_i,j、第一应变值ε_I,i,j、第二应变值ε_II,i,j，其中，i表示第i个监测点，(i≤33)，j表示一个评价周期中采集的第j个数据(j≤288)。以监测点3为例，一天内的温度变化如图3所示，第一应变变化如图4所示，第二应变变化如图5所示。

以监测点3为例，第一热膨胀系数α_I,3和第一荷载应变

的计算方式如下：

取钢筋混凝土材料在无约束状态下的典型热膨胀系数

为1×10^-5/℃，在0.6×10^-5/℃—1.4×10^-5/℃范围内以2×10^-7/℃为间距，等距确定41个备选α_I,3值(包括两端的0.6×10^-5/℃和1.4×10^-5/℃)，对每个备选α_I,3值计算皮尔逊相关系数ρ：

其中，

为平均第一应变、

为平均温度；

绘制

曲线，如图6所示，在曲线上找到使得ρ²最小的

值为1.10，即监测点3的第一热膨胀系数α_I,3＝1.10×10^-5/℃；

测点3的第一荷载应变

的计算方式为：

其中，ε_I,3,1、T_3,1分别为监测点3处在一个评价周期内采集的第一个第一应变值和第一个温度值，

为监测点3处在一个评价周期内采集的第一个第一荷载应变(与上一个评价周期的最后一个第一荷载应变相同)；

按照上述方法算得的第一荷载应变

如图7所示；

通过上述方式计算获得测点3的第二热膨胀系数α_II,3和第二荷载应变

绘制的

曲线如图8所示，在曲线上找到使得ρ²最小的

值为1.04，即监测点3的第二热膨胀系数α_II,3＝1.04×10^-5/℃；算得的第二荷载应变

如图9所示；

其他监测点的监测数据采用相同方法处理，此处不再赘述。

以监测点3为例，求解归一化第一热膨胀系数

和归一化第二热膨胀系数

其他监测点的监测数据采用相同方法处理，此处不再赘述。

运用33个监测点的热膨胀系数得到4个热膨胀系数欧式距离矩阵EDM₁、EDM₂、EDM₃、EDM₄，其计算结果为：

将所得到欧式距离矩阵与前一天的欧式距离矩阵进行差值处理，计算出ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄分别为：

根据荷载应变，前后两个评价周期的欧式距离矩阵变化研判地下结构是否达到损伤预警水平。

如图10和11所示，14号监测点的第一荷载应变超过拉伸应变预警阈值70με，发出预警。

从上述四个差值矩阵可以看到，ΔEDM₁中第14列和14行中的元素值整体上明显偏大，ΔEDM₂中第14列和14行中的元素值整体上明显偏大，ΔEDM₃中第14行中的元素值整体上明显偏大，ΔEDM₄中第14列中的元素值整体上明显偏大。设定报警阈值为0.05时，可判定14号监测点附近的结构存在较大的损伤风险，发出预警。

每个评价周期内循环重复采集数据监测，通过热膨胀系数矩阵和荷载应变研判结构损伤风险，必要时发出预警；可以在监测点14所在断面增加2个监测点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在地下结构的内表面指定n个监测点，在每一监测点布置一个温度传感器和两个应变传感器，所述两个应变传感器为方向相互垂直设置的第一应变传感器和第二应变传感器；

在一个评价周期内采集温度传感器测得的m个温度值T_i,j、第一应变传感器测得的m个第一应变值ε_I,i,j和第二应变传感器测得的m个第二应变值ε_II,i,j，其中，i表示第i个监测点，i≤n，j表示一个评价周期中该传感器采集的第j个数据，j≤m，m为一个评价周期内的采集次数；

根据所述第一应变值ε_I,i,j和温度值T_i,j计算第一热膨胀系数α_I,i和第一荷载应变

根据所述第二应变值ε_II,i,j和温度值T_i,j计算第二热膨胀系数α_II,i和第二荷载应变

当某一监测点的第一荷载应变或第二荷载应变超过报警阈值时，则认为该监测点附近存在结构损伤风险，发出预警信息；

第一热膨胀系数α_I,i和第一荷载应变

的计算方式如下：

1)在

范围内等距确定k个备选α_I,i值，其中，

为钢筋混凝土材料在无约束状态下的典型热膨胀系数；对每个备选α_I,i值计算以下皮尔逊相关系数ρ：

其中，

为平均第一应变，

为平均第一应变，

2)绘制

曲线，在曲线上找到使得ρ²最小的α_I,i值即为待求解的第一热膨胀系数α_I,i；

3)第一荷载应变

的计算方式为：

其中，ε_I,i,1、T_i,1分别为监测点i处在一个评价周期内采集的第一个第一应变值和第一个温度值，

为监测点i处在一个评价周期内采集的第一个第一荷载应变；

通过上述方式计算获得第二热膨胀系数α_II,i和第二荷载应变

2.根据权利要求1所述的基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，其特征在于，还包括：

求解归一化热膨胀系数，建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵，具体包括：

1)、求解归一化第一热膨胀系数

和归一化第二热膨胀系数

2)、建立4个热膨胀系数欧式距离矩阵EDM₁、EDM₂、EDM₃、EDM₄，其统一形式为：

其中，p分别取值为1、2、3、4，D_ia表示第i个监测点与第a个监测点之间热膨胀系数的差值的绝对值；

对EDM₁有

对EDM₂有

对EDM₃有

对EDM₄有

用ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄表示4个热膨胀系数欧式距离矩阵各自的前后两个评价周期的差值绝对值矩阵，如ΔEDM₁、ΔEDM₂、ΔEDM₃、ΔEDM₄中任何一个矩阵中有至少一行或一列的值超过设定阈值，则认为识别出的异常列或异常行对应的监测点附近存在较大结构损伤风险，发出预警信息。

3.根据权利要求1所述的基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，其特征在于，所述监测点的位置选择在结构较脆弱或外部荷载较大或破坏后果较严重的部位，当地下结构在各部位相差不大时，采用均匀布点。

4.根据权利要求1所述的基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，其特征在于，在一个评价周期内均匀间隔采集取样，所述一个评价周期不小于24小时，以覆盖一个完整的温度升降周期。

5.根据权利要求1所述的基于热膨胀系数与荷载应变的地下结构健康监测方法，其特征在于，每三个监测点设置在地下结构的一个监测断面上。

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