CN114608772B - 基于智能应变纤维的混凝土构件挠度实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能应变纤维的混凝土构件挠度实时监测系统及监测方法。系统由设置于工字钢梁上、下两腿端面的横向智能纤维、工字钢梁纵向的纵向智能纤维、工字钢梁中部的竖向智能纤维构成的智能纤维监测梁，和数据接收器构成，构成的智能纤维监测梁敷设在距面板表面下0.5米处；方法包括监测系统的安装，数据的获取，数据的处理，数据的应用。本发明监测系统取消可动部件，显著提高信噪比，保证观测数据的长期可靠稳定，系统将面板土石高坝内部变形监测整合为网络一体化系统，实现变形观测的时空全覆盖，最大的应变量可达200％，大幅提高监测应用效率和价值；系统可方便地进行弯折和建立分支结构、树枝结构、网状结构等，实现对山体密集覆盖监测。
Description
技术领域
本发明涉及智能纤维及大坝监测领域，特别涉及一种基于智能应变纤维的混凝土细长构件挠度实时监测系统及其监测方法。
背景技术
混凝土面板堆石坝是以堆石为主体并在上游面设置混凝土面板作为防渗结构的一种坝型。混凝土面板作为混凝土面板堆石坝的主要堆防渗结构，其安全是混凝土面板堆石坝安全运行的最重要保障。
混凝土面板安全问题主要包括面板接缝的受力变形等方面，面板坝的变形范围通常横向小于0.3mm，多为0.1mm，高可达0.5mm以上。面板上的变形在空间中呈无规律分布，通过传统的单点测量方式无法完全测量变形的发生，当前混凝土面板堆石坝的安全监测技术主要以点式监测仪器及光纤陀螺仪监测技术为主。但以上监测技术存在只能测某点的形变，布设范围太大，反应速度差且施工成本高。采用常规光纤应变纤维，存在变形能力差、易被拉断、价格高昂、反应慢、易受干扰、数据处理繁杂导致响应不及时等问题。所以有必要探究新的智能应变纤维实时监测方案，对该领域内的监测技术进行完善。
现有的智能纤维监测方式主要有表面安装、埋于浅地表、依附于网状物等模块化填埋于面板坝体中，基于智能纤维技术和电子与通信模块，通过智能纤维来监测周围环境的应力和应变，将监测到的信号通过无线通讯传输至服务器进行分析处理，并在终端进行显示。
发明内容
本发明根据现有技术的不足公开了一种基于智能应变纤维的混凝土构件挠度实时监测系统及监测方法。本发明目的是提供一种基于智能纤维传感技术，针对面板堆石坝的面板变形及开缝等情况，利用附着于混凝土细长构件的智能纤维监测挠度变化，实现面板变形及开缝的实时监控。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明首先公开了一种基于智能纤维的混凝土构件挠度实时监测系统，其特征在于：监测系统由设置于工字钢梁上、下两腿端面的横向智能纤维、工字钢梁纵向的纵向智能纤维、工字钢梁中部的竖向智能纤维构成的智能纤维监测梁，和数据接收器构成；
各智能纤维采用热熔胶固定于工字钢梁相应处，构成的智能纤维监测梁敷设在距面板表面下0.5米处。
所述工字钢梁高度h为100mm，腿宽b为48mm，腰厚d为5.3mm，腿厚t为8.5mm；纵向长度3～6米。
上述横向智能纤维、纵向智能纤维、竖向智能纤维分别与数据接收器联接。
所述智能纤维监测梁与监测混凝土铆接方式相连固定。
本发明还公开了采用上述系统的挠度实时监测方法，包括以下步骤：监测系统的安装，数据的获取，数据的处理，数据的应用；
将与监测混凝土固定后的智能纤维监测梁与数据接收器联接；智能纤维监测梁安装固定在接缝处面板表面0.5米处，预设一段智能纤维与信号接收器相连，面板内铺设电线通电后等待面板最终胶凝成型；
数据接收器或云平台所示数据即为各智能纤维的变形量，通过面板协同智能纤维公式可计算敷设智能纤维区域面板薄弱处挠度，其计算方法为：
通过挠度得出面板薄弱处是否变形过载，影响其安全性能。
本发明基于智能应变纤维的混凝土构件监测系统，主要包括架设在面板坝上的附着有智能应变纤维的细长构件，架设在面板坝周边的太阳能供电装置，通过无线通讯设备的传输最终显示到个人终端上的显示装置。当智能纤维发生形变，通过其中的电流信号发生改变，并传输到个人电脑中，在电脑中，通过数据分析软件将收集到的数据进行分类整合计算，得出纤维相对长度的变化，带入相关公式中可得出面板变形范围及变形点。
本发明有益效果：本发明将面板土石坝的内部变形监测的常规设备原理简化，简化消除可动部件，显著提高系统的信噪比，切实保证观测数据的长期可靠稳定性，使之成为具有实用价值的先进适用的监测手段。与大坝常规监测手段相辅相成。本发明消除人工测点、手工操作，便于实施实时在线遥测。本发明监测系统将面板土石高坝内部变形监测整合为网络一体化系统，实现变形观测的时空全覆盖。本发明基础系统的智能纤维根据不同的应用场景，可对纤维的弹性进行调控，最大的应变量可达200％，是施工中普遍应用的分布式光纤的应变能力的数十万倍，大幅提高监测应用效率和价值。本发明基础系统基于电学信号，可方便地进行弯折和建立分支结构、树枝结构、网状结构等，可对山体进行密集覆盖。
附图说明
图1是本发明监测系统示意图；
图2是本发明监测系统安装示意图；
图3是面板堆石坝表面局部放大示意图；
图4是应变监测实验结果与理论模型；
图5是智能纤维监测挠度对比曲线。
图中，1是横向智能纤维，2是纵向智能纤维，3是竖向智能纤维，4是数据接收器，5是工字钢梁，6是石坝面板。
图5中，A是2.5米处扰度，B是2米处挠度，C是跨中扰度，图中A、B还覆盖0.5米处和1米处挠度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图，下面对本发明基于智能应变纤维的混凝土构件挠度实时监测系统进行详细说明。
本发明实时监测系统包括设置固定有智能纤维的工字钢梁5，如图1至图5所示，系统包括：设置于工字钢梁5的上、下两腿端面的横向智能纤维1、工字钢梁5纵向的纵向智能纤维2、工字钢梁5中部的竖向智能纤维3构成的智能纤维监测梁，和数据接收器4。
如图所示，在工字钢梁5上敷设各智能纤维，作为板型欧拉梁体在弯曲使得拉压侧，即可形成智能纤维监测梁。形成的智能纤维监测梁的长度为3-6m。
智能纤维监测梁在接缝处敷设安装，竖向监测梁紧贴接缝布设安装，直接连接在接缝钢筋处，在接缝端部用膨胀螺丝固定，下用钢板条平托，形成简支座。安装作业用全站仪进行控制测量，保障准确定位调平，保证立置梁顶端和平置梁的水平度：梁之间接头的安装需要紧密。
布设监测梁时梁上部用膨胀螺栓固定，膨胀螺栓间距0.5～2m，用以监测坝体的垂直位移和径向水平唯一。切向监测梁在靠左岸的接缝中固定其左侧，靠右岸的水平接缝中固定其右侧，用以监测坝体的垂直位移以及切向水平位移。二者正交布设，监测梁底部用砼嵌固，形成固端，作为基准点。同前，安装作业中要保证定位准确。
坝肩岩体，边坡滑坡体等位移体的监测课参考上述在接缝处的布置及实施方式，在坝肩平硐、灌浆廊道、竖井或钻井中，敷设双向或单向监测梁，以观测水平位移，竖直位移以及软弱带的变形。
采用上述监测系统的监测方法包括以下步骤：
将智能纤维监测梁与数据接收器4相连，将智能纤维监测梁在接缝处敷设于面板表面0.5米处，预设一段智能纤维与信号发射器相连。面板内铺设电线通电后等待面板最终胶凝成型。
此后智纤云平台中所示数据即为智能纤维的变形量，通过面板协同智能纤维公式可计算敷设智能纤维区域面板薄弱处挠度，其计算方法为：
可通过挠度得出面板薄弱处是否变形过载，影响其安全性能。
下面说明本发明智能纤维混凝土构件监测系统的应用方式：
各梁中的智能纤维可测得沿程一维空间的应变连续函数。当监测梁数值分布即形成细长构件得二位悬臂梁，可观测2个变形分量：梁的纵向变形及挠度。当监测梁水平布置-端部固定时，其挠度出现在水平面内。所以沿一条测线将两监测梁正交敷设即可观测沿线得变形三分量，即垂直位移，径向水平位移，切向水平位移。
该系统主要包括架设在面板坝上的附着有智能应变纤维的细长构件，架设在面板坝周边的太阳能供电装置，通过无线通讯设备的传输最终显示到个人终端上的显示装置。当智能纤维发生形变，通过其中的电流信号发生改变，并传输到个人电脑或数据接收器中，通过数据分析软件将收集到的数据进行分类整合计算，得出纤维相对长度的变化，带入相关公式中可得出面板变形范围及变形点
智能纤维梁的线性构型及分析：
将工字钢梁变形结构的受力变形简化为梁发生弯曲时的变形，以工字钢梁轴线为x轴，由材料力学可知当梁发生弯曲变形时，在任意一截面处的弯矩表示为
式中，M(x)为某截面处型钢弯矩，Iz为型钢截面对中性轴z的惯性矩，E为型钢材料可变形模量，ε(x)为某截面任意一点的应变，y(x)为某截面对应该点相对中性面的距离。本试验分别在型钢变形结构的上、下内表面沿线布设了相互平行两条传感智能纤维，上式可表示为
其中Δl中l在智能纤维显示中可表示为
ε1(x)-ε2(x)可表示为
型钢变形结构的变形量可以用梁受弯时的挠度来表示，其挠度沿线的分布曲线为
上式中Iz，E为与变形结构材料和型式相关的常数，C1，C2为可以通过挠度曲线的2个已知边界条件确定的2个参数，利用拟合得的应变测量差值的分布曲线可计算型钢变形结构的挠度分布曲线表达式为
本发明进行以下实验验证：
本发明细长构件挠度测定的实验装置，包括一定长度的工字钢，实验中所用工字钢为型号10的工字钢，现场中所用钢材为C240型工字钢，用于实验测定的智能应变纤维，应变信号收集器，用于施加定点力的千斤顶，用于测量定点力的传感器以及安装实验装置的带有反力架的框架。一定长度的工字钢采用型号10，长度为3m的工字钢，智能应变纤维以及应变信号收集器为深圳智纤云公司产品，其作用是测定两点相对位移以及将其以指定通道数据形式表达出来。所述千斤顶、传感器以及反力架为对细长构件中点施加一定大小的力的装置。
所述的实验框架中安装好实验装置，在所述型号10的工字钢的三向表面粘贴智能纤维，通电后利用千斤顶以及力传感器，对构件中点施加一定的力，重复实验，获得其挠度计算方法以及绘制该构件的挠曲线。
在施加定点力的同时，对其变形跨中、1m、2m处使用应变计测量变形量，获得数据后于智能纤维形变测量结果进行对比。
对细长杆件变形中点逐步施加构件最大荷载15～30％的力，加载至构件形体变形肉眼可观测时停止实验，测定其挠度。
数据处理结果：
| 力传感器数据/N | 实测跨中挠度 | 智能纤维计算挠度 |
| 0 | 0.00 | 0.00000 |
| 10 | 0.01 | 0.01115 |
| 50 | 0.05 | 0.05573 |
| 100 | 0.11 | 0.11145 |
| 150 | 0.17 | 0.16718 |
| 200 | 0.22 | 0.22290 |
| 250 | 0.28 | 0.27863 |
| 300 | 0.33 | 0.33436 |
| 350 | 0.39 | 0.39008 |
| 荷载/N | 0.5m处挠度 | 1m处挠度 | 跨中挠度 | 2m处挠度 | 2.5m处挠度 |
| 0 | 0.0000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.0000 |
| 10 | 0.0005 | 0.000949 | 0.01115 | 0.000949 | 0.0005 |
| 50 | 0.0027 | 0.004747 | 0.05573 | 0.004747 | 0.0027 |
| 100 | 0.0054 | 0.009494 | 0.11145 | 0.009494 | 0.0054 |
| 150 | 0.0080 | 0.014241 | 0.16718 | 0.014241 | 0.0080 |
| 200 | 0.0107 | 0.018988 | 0.22290 | 0.018988 | 0.0107 |
| 250 | 0.0134 | 0.023735 | 0.27863 | 0.023735 | 0.0134 |
| 300 | 0.0161 | 0.028482 | 0.33436 | 0.028482 | 0.0161 |
| 350 | 0.0188 | 0.033229 | 0.39008 | 0.033229 | 0.0188 |
。
Claims (5)
1.基于智能纤维的混凝土构件挠度实时监测系统，其特征在于：监测系统由设置于工字钢梁上、下两腿端面的横向智能纤维、工字钢梁纵向的纵向智能纤维、工字钢梁中部的竖向智能纤维构成的智能纤维监测梁，和数据接收器构成；各智能纤维采用热熔胶固定于工字钢梁相应处，构成的智能纤维监测梁敷设在距面板表面下0.5米处；
当智能纤维发生形变，通过其中的电流信号发生改变，并传输到个人电脑或数据接收器中，通过数据分析软件将收集到的数据进行分类整合计算，得出纤维相对长度的变化，带入以下公式中可得出面板变形范围及变形点；
智能纤维监测梁的线性构型及分析：
将工字钢梁变形结构的受力变形简化为梁发生弯曲时的变形，以工字钢梁轴线为x轴，由材料力学可知当梁发生弯曲变形时，在任意一截面处的弯矩表示为
式中，M(x)为某截面处型钢弯矩，IZ为型钢截面对中性轴z的惯性矩，E为型钢材料可变形模量，ε(x)为某截面任意一点的应变，y(x)为某截面对应该点相对中性面的距离；分别在型钢变形结构的上、下内表面沿线布设了相互平行两条传感智能纤维，上式可表示为
Δl在智能纤维显示中可表示为
ε1(x)-ε2(x)可表示为
型钢变形结构的变形量可以用梁受弯时的挠度来表示，其挠度沿线的分布曲线为
IzEyD(x)＝-∫[∫M(x)dx]dx+C1x+C2
式中，C1、C2为可以通过挠度曲线的2个已知边界条件确定的2个参数，利用拟合得的应变测量差值的分布曲线可计算型钢变形结构的挠度分布曲线表达式为
2.根据权利要求1所述的基于智能纤维的混凝土构件挠度实时监测系统，其特征在于：所述工字钢梁高度h为100mm，腿宽b为48mm，腰厚d为5.3mm，腿厚t为8.5mm；纵向长度3～6米。
3.根据权利要求1所述的基于智能纤维的混凝土构件挠度实时监测系统，其特征在于：横向智能纤维、纵向智能纤维、竖向智能纤维分别与数据接收器联接。
4.根据权利要求1所述的基于智能纤维的混凝土构件挠度实时监测系统，其特征在于：所述智能纤维监测梁与监测混凝土铆接方式相连固定。
5.基于智能纤维的混凝土构件挠度实时监测方法，其特征在于：监测方法采用权利要求1至4任一项所述的监测系统，包括以下步骤：监测系统的安装，数据的获取，数据的处理，数据的应用；
监测系统的安装：将与监测混凝土固定后的智能纤维监测梁与数据接收器联接；智能纤维监测梁安装固定在接缝处面板表面0.5米处，预设一段智能纤维与信号接收器相连，面板内铺设电线通电后等待面板最终胶凝成型；
数据接收器或云平台所示数据即为各智能纤维的变形量，通过面板协同智能纤维公式可计算敷设智能纤维区域面板薄弱处挠度，其计算方法为：
IzEyD(x)＝-∫[∫M(x)dx]dx+C1x+C2
通过挠度得出面板薄弱处是否变形过载，影响其安全性能。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 混杂纤维增强复合材料梁挠度计算理论研究;袁辉;陈浩森;赵启林;;玻璃钢/复合材料(第04期);全文 * |
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| CN114608772A (zh) | 2022-06-10 |
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