CN114910001A - 一种基于光纤传感技术的屋面板结构、系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤传感技术的屋面板结构、系统及监测方法，包括固定组件、若干个屋面板、光纤传感器，所述固定组件上设有若干个光纤固定节点，相邻所述光纤固定节点之间安装有屋面板，所述光纤传感器与光纤固定节点固定相连。本发明采用光纤配合光纤固定结点结构，对屋面板的位移情况进行监测，在屋面板位移过大时，及时获取该信息，并获取具体的屋面板位置，进而达到全屋面寿命的有效监测。

Description

一种基于光纤传感技术的屋面板结构、系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤传感技术的屋面板结构、系统及监测方法，属于土木工程学科、建筑结构健康监测、材料科学、计算机科学等学科交叉技术。

背景技术

近年来空间结构的金属屋面风致破坏事故的不断出现，特别是大跨度屋面被风揭开之后，经常被吹落，造成损坏，严重甚至会砸到人、建筑物及行驶过程中的交通工具。对结构屋面破坏时的风荷载进行统计发现，大多屋面被掀起时均未达到结构所处地区最大风荷载值，这是由于金属屋面系统在服役过程中长期经受风荷载、环境腐蚀及温度等载荷的反复作用，结构和材料自身将不可避免地产生损伤累积和性能退化，甚至导致结构破坏。所以对屋面引入健康监测的概念，可以实时不间断的监测结构内力变化，确定结构构件易损部位、结构控制部位和损伤敏感部位，如变形控制点、应力集中的位置、动力响应敏感点等；从而更好地评定结构内部状态。

通过国内外的研究现状发现，现阶段屋面板位移监测主要通过数值模拟、现场布设电类传感器。这里有一定的局限性，主要表现为1)数值模拟计算模型往往无法准确模拟实际现场屋面板受风载情况，无法模拟全寿命过程屋面板变形过程2)电类传感器不具备复用功能，电类传感器抗电磁干扰、抗潮湿、耐久性等性能较差，对应用环境要求比较高，在屋面表面的室外环境中，电类传感器难以长期可靠采集数据；3)全寿命运行维护的针对性缺失，全方位进行维护耗时耗力过大，效果也不够显著。

因此十分需要一种布设简便、信号稳定、数据可靠、便于工程推广应用的同时可实现全寿命全时段屋面板位移监测的新方法。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤传感技术的屋面板结构、系统及监测方法，以实现对屋面健康的有效监测。

本发明提供了一种基于光纤传感技术的屋面板结构包括固定组件、若干个屋面板、光纤传感器，所述固定组件上设有若干个光纤固定节点，相邻所述光纤固定节点之间安装有屋面板，所述光纤传感器与光纤固定节点固定相连。

进一步地，所述光纤固定节点包括光纤固定部、固定竖杆，所述光纤固定部安装于固定竖杆顶部，所述光纤传感器通过光纤固定部与固定竖杆固定相连。

更进一步地，所述固定组件还包括若干个檩条，所述光纤固定节点包括固定底座，所述固定底座位于固定竖杆底部，所述光纤固定节点通过固定底座安装于檩条上。

更进一步地，所述固定竖杆上设有螺纹部，所述光纤固定节点还设有固定夹板，所述固定夹板与螺纹部螺纹连接，所述屋面板安装于固定夹板、檩条之间。

更进一步地，所述光纤固定节点至少包括第一光纤固定节点、第二光纤固定结点，所述第一光纤固定节点的固定竖杆长度大于所述第二光纤固定结点的固定竖杆长度，所述光纤传感器在竖直面呈波纹状结构。

更进一步地，所述第一光纤固定节点、第二光纤固定结点依次间隔排列。

进一步地，所述光纤传感器为光纤智能筋。

本发明还公开一种上述屋面板结构的系统，所述系统包括信号采集器，所述信号采集器与光纤传感器信号相连。

进一步地，所述系统还包括监控平台，所述信号采集器与监控平台采用有线或无线相连通。

本发明还公开一种上述系统的监测方法，所述监控平台设有位移阈值，所述监测方法包括信号采集器采集光纤信息，并发送给监控平台，由监控平台将光纤信息转变为光纤固定节点处的位移变化量，并与位移阈值进行比较，若所述位移变化量超过位移阈值，则说明此时屋面板位移有较大变化，存在破损风险。

本发明与现有技术相比，采用光纤配合光纤固定结点结构，对屋面板的位移情况进行监测，在屋面板位移过大时，及时获取该信息，并获取具体的屋面板位置，进而达到全屋面寿命的有效监测。

附图说明

图1为本发明实施例系统示意图；

图2为本发明实施例系统剖面示意图；

图3为本发明实施例系统逻辑图；

图4为本发明实施例固定节点A安装示意图；

图5为本发明实施例固定节点A构造大样图；

图6为本发明实施例固定节点B安装示意图；

图7为本发明实施例固定节点B构造大样图。

1、固定组件；11、光纤固定节点；111、光纤固定部；112、固定竖杆；113、固定底座；114、第一光纤固定节点；115、第二光纤固定结点；116、固定夹板；12、檩条；2、屋面板；3、光纤传感器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种基于光纤传感技术的屋面板2结构包括固定组件1、若干个屋面板2、光纤传感器3，所述固定组件1上设有若干个光纤固定节点11，相邻所述光纤固定节点11之间安装有屋面板2，所述光纤传感器3与光纤固定节点11固定相连。

可选的，所述光纤传感器3为光纤智能筋。

其中，如图1所示，多个屋面板2依次安装在固定组件1上，组成多排的屋面板2结构，而光纤传感器3则以S形排布，只需使用一根光纤传感器3便可以对多排屋面板2结构进行监测。同一排的相邻屋面板2之间设有光纤固定节点11，光纤传感器3安装在光纤固定节点11上。若屋面板2因温度变化产生应力，导致形成位移时，会带动光纤固定节点11产生偏移，在光纤传感器3内形成特定信号，工作人员可及时获取该信号，并获知屋面板2位移情况，达到实时监测的效果。

本发明实施例采用光纤配合光纤固定结点结构，对屋面板2的位移情况进行监测，在屋面板2位移过大时，及时获取该信息，并获取具体的屋面板2位置，进而达到全屋面寿命的有效监测。此外，本发明实施例采用光纤智能筋，提高整体性能的方法，既适用于新建工程，也适用现有工程的屋面板2加固，实现无损加固

可选的，所述光纤固定节点11包括光纤固定部111、固定竖杆112，所述光纤固定部111安装于固定竖杆112顶部，所述光纤传感器3通过光纤固定部111与固定竖杆112固定相连。

其中，固定竖杆112为圆杆结构，光纤固定部111为夹持结构，使光纤传感器3与光纤固定部111之间固定相连，若光纤固定部111形成位移，则会在对应的光纤传感器3处形成信号，方便工作人员及时获取信息。而利用光纤布里渊传感技术，可获知具体位移的发生位置，使工作人员可以第一时间定位问题位置。

特别的，所述固定组件1还包括若干个檩条12，所述光纤固定节点11包括固定底座113，所述固定底座113位于固定竖杆112底部，所述光纤固定节点11通过固定底座113安装于檩条12上。

其中，固定组件1包括若干个平行的檩条12。光纤固定节点11通过固定底座113安装在檩条12上。固定底座113，向上开口的凹型结构，屋面板2安装在凹型结构两边处。

特别的，所述固定竖杆112上设有螺纹部，所述光纤固定节点11还设有固定夹板116，所述固定夹板116与螺纹部螺纹连接，所述屋面板2安装于固定夹板116、檩条12之间。

其中，在安装时，工作人员可通过旋转固定夹板116，使屋面板2固定在固定夹板116、檩条12之间。

本发明实施例通过设置螺纹部，方便安装，配合螺母等结构即可使屋面板2固定在固定夹板116、檩条12之间，光纤固定节点11采用全螺栓连接，可实现现场无明火作业，避免现场焊接。

特别的，所述光纤固定节点11至少包括第一光纤固定节点11411、第二光纤固定结点115，所述第一光纤固定节点11411的固定竖杆112长度大于所述第二光纤固定结点115的固定竖杆112长度，所述光纤传感器3在竖直面呈波纹状结构。

特别的，所述第一光纤固定节点11411、第二光纤固定结点115依次间隔排列。

其中，第一光纤固定节点11411、第二光纤固定结点115依次重复排列，使光纤传感器3形成波浪式结构(类抛物线)。

本发明实施例通过设置第一光纤固定节点11411、第二光纤固定结点115固定竖杆112长度不同，使光纤传感器3形成波浪式结构，相比传统的直线结构，可便于现场将智能筋固定张紧，避免水平布设带来的假张紧、松弛问题，同时也能适应各种造型复杂的屋面。

特别的，第一光纤固定节点11411的固定竖杆112高于第二光纤固定结点115，且第一光纤固定节点11411的光纤固定部111为夹持结构，使光纤传感器3固定在光纤固定部111处。第二光纤固定节点11的光纤固定部111为固定竖杆112上的通孔，光纤传感器3穿过通孔，夹持结构，固定夹板116螺旋安装在固定竖杆112上，固定夹板116配合通孔对光纤传感器3进行夹持。

本发明实施例还公开一种上述屋面板2结构的系统，所述系统包括信号采集器，所述信号采集器与光纤传感器3信号相连。

可选的，所述系统还包括监控平台，所述信号采集器与监控平台采用有线或无线相连通。

其中，信号采集器为BORDA/R解调仪，可对光纤信号进行变换，并发送给监测平台，实现对光纤信号的实时监控。

本发明实施例还公开一种上述系统的监测方法，所述监控平台设有位移阈值，所述监测方法包括信号采集器采集光纤信息，并发送给监控平台，由监控平台将光纤信息转变为光纤固定节点11处的位移变化量，并与位移阈值进行比较，若所述位移变化量超过位移阈值，则说明此时屋面板2位移有较大变化，存在破损风险。

其中，在实际应用时，若屋面板2松动，产生位移，则会带动光纤固定节点11变化，进而使光纤松动，形成光纤感知信号。信号采集器对光纤感知信号进行变换，形成光纤信息，并发送给监控平台，由监控平台对光纤信息进行分析，获取屋面板2的具体位移情况，进而配合设定好的位移阈值，实现对屋面板2位移情况的评估，若位移过大，则由监控平台向工作人员发送预警信息，使工作人员可以及时对屋面板2进行维修。

综上所述，本发明实施例与现有技术相比，具有优点如下：

(1)针对屋面板2结构全寿命过程所经历的各个阶段，分析其在外载作用下损伤及破坏机理，确定需要提高屋面板2整体受力性能的区域。

(2)针对屋面板2易出现破坏的区域提出对全寿命屋面板2位移监测方法的要求，满足空间上的分布性和时间上的长期性。

(3)考虑光纤布里渊传感技术特点，充分利用光纤布里渊传感技术的分布特性，提出以光纤布里渊传感技术为主的屋面板2监测系统，通过分布式光纤智能筋测量系统对屋面板2应变进行监测同时实现损伤定位。

(4)通过力学关系，通过由线到面的应变数据计算获取屋面板2面外的位移变化情况，设置变形预警阀值，实现全寿命监测及预警。

本发明是考虑增强纤维复合材料的材料属性和光纤布里渊分布式传感技术的特点，充分利用光纤分布式测量的优点和增强复合材料的力学性能，具有较好的工程应用前景

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述屋面板结构包括固定组件、若干个屋面板、光纤传感器，所述固定组件上设有若干个光纤固定节点，相邻所述光纤固定节点之间安装有屋面板，所述光纤传感器与光纤固定节点固定相连。

2.根据权利要求1所述一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述光纤固定节点包括光纤固定部、固定竖杆，所述光纤固定部安装于固定竖杆顶部，所述光纤传感器通过光纤固定部与固定竖杆固定相连。

3.根据权利要求2所述一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述固定组件还包括若干个檩条，所述光纤固定节点包括固定底座，所述固定底座位于固定竖杆底部，所述光纤固定节点通过固定底座安装于檩条上。

4.根据权利要求3所述一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述固定竖杆上设有螺纹部，所述光纤固定节点还设有固定夹板，所述固定夹板与螺纹部螺纹连接，所述屋面板安装于固定夹板、檩条之间。

5.根据权利要求4所述一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述光纤固定节点至少包括第一光纤固定节点、第二光纤固定结点，所述第一光纤固定节点的固定竖杆长度大于所述第二光纤固定结点的固定竖杆长度，所述光纤传感器在竖直面呈波纹状结构。

6.根据权利要求5所述一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述第一光纤固定节点、第二光纤固定结点依次间隔排列。

7.根据权利要求1所述一种基于光纤传感技术的屋面板结构，其特征在于，所述光纤传感器为光纤智能筋。

8.一种应用权利要求1-7任一所述屋面板结构的系统，其特征在于，所述系统包括信号采集器，所述信号采集器与光纤传感器信号相连。

9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述系统还包括监控平台，所述信号采集器与监控平台采用有线或无线相连通。

10.一种权利要求9所述系统的监测方法，其特征在于，所述监控平台设有位移阈值，所述监测方法包括信号采集器采集光纤信息，并发送给监控平台，由监控平台将光纤信息转变为光纤固定节点处的位移变化量，并与位移阈值进行比较，若所述位移变化量超过位移阈值，则说明此时屋面板位移有较大变化，存在破损风险。

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