CN115096948A - 一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，通过阻抗分析仪测量模块预制综合管廊横向接头处铜基压电片的压电导纳信号，提取其共振频率，并与对应的抗弯刚度进行函数拟合，得到接头抗弯刚度与压电共振频率之间关系的拟合方程，从而实现对管廊健康状态的实时监测。其有益效果是：能够对管廊进行实时监测，且成本较低，精度更高；铜基压电片可跨缝布置在管廊接缝两端，其导纳变化与接头抗弯刚度直接相关；导纳实部共振频率反映了接头结构刚度等固有属性的变化，与抗弯刚度进行logistic拟合，能够表现出接头抗弯刚度的变化规律，从而对接头抗弯刚度进行实时监测。
Description
技术领域
本发明属于城市地下管廊技术领域，涉及到结构健康监测，具体涉及一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法。
背景技术
随着城市规模的不断发展，地下空间的建设逐渐成为重点。其中，地下综合管廊能够有效利用地下空间，集中管理水电、通信、燃气等管道线路，实现统一管理，极大地方便了各类管线的安装维护等，减小了对环境的不利影响。凭借其集中化、规范化、现代化等优点，地下综合管廊逐渐成为未来城市的发展趋势。地下综合管廊根据其施工工艺分为现浇整体式和预制拼装式。相比于现浇综合管廊，预制拼装综合管廊的施工周期较短，质量可控，且对周围环境的影响较小，能够满足城市发展的各类要求。而整体预制拼装综合管廊形式单一、吊装运输困难，难以适应不同的施工环境。模块预制综合管廊的组合拼装形式方便设计与安装，同时降低了生产运输成本，使管廊施工安全高效。
模块预制综合管廊由各个部件通过横向接头和纵向接头连接而成。接头处结构与力学性质均不连续，因此，接头是影响模块预制综合管廊整体力学性能的重要部位。而接头处的抗弯刚度，尤其是横向接头处的抗弯刚度，是衡量该处接头力学性能的重要指标，对实际工程中模块预制综合管廊的设计施工具有很大的指导意义。抗弯刚度即接头处产生单位转角所需的弯矩大小，能够反映出接头在荷载作用下抵抗变形的能力。目前，国内外对模块预制综合管廊横向接头抗弯刚度的研究较少，且不够深入，没有形成完整的研究体系。
发明内容
本发明提供了一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，通过阻抗分析仪测量模块预制综合管廊横向接头处铜基压电片的压电导纳信号，提取其共振频率，并与对应的抗弯刚度进行函数拟合，得到接头抗弯刚度与压电共振频率之间关系的拟合方程，从而实现对管廊健康状态的实时监测，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤1，检查各模块管廊接头连接情况，预紧各弧形螺栓；
步骤2，在接头处布置相应测点，包括千分表和可跨缝布置的铜基压电片；步骤3，正式测试前，对试件进行初步测试，选取合适的测试频段；
步骤4，正式测试时，对试件进行分级静载，采集各接头在不同荷载下的接缝张开量与铜基压电片的压电导纳信号；
步骤5，通过接缝张开量计算得到接头抗弯刚度，提取试件在各频段的共振频率；
步骤6，建立接头抗弯刚度与各共振频率的散点图并拟合得到二者函数关系，并利用此拟合函数对管廊接头抗弯刚度进行实时监测。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中，各接头通过4根M8的8.8级高强弧形螺栓预紧连接。
作为本发明的一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤2进一步包括以下子步骤：
步骤2.1，根据压电陶瓷的同一性测试选取合适的压电陶瓷片，并用环氧树脂胶固定在30mm×10mm×0.3mm的铜片上；
步骤2.2，在管廊缩尺模型接头两端粘贴角钢，以固定千分表；
步骤2.3，将千分表固定在一侧角钢上，测头抵在另一侧角钢，铜基压电片通过环氧树脂胶跨缝布置在接头处。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3中选择测试频段的导纳实部曲线须包含明显波峰。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4中须在加载过程中注意管廊的裂缝开展情况。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤5中抗弯刚度的计算方法如下：
式中，K为根据相关规范要求的管廊横向接头处的抗弯刚度，M为通过有限元计算得到的接头处的弯矩，h为接头处管廊厚度，Δx为管廊接头处的相对张开量。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤6中对接头抗弯刚度和共振频率相关关系的拟合，首先绘制接头抗弯刚度与对应共振频率的散点图，利用logistic函数模型拟合二者关系，logistic函数模型表达式如下：
式中，K为根据相关规范要求的管廊横向接头处的抗弯刚度，f为对应的共振频率，A1、A2、p、f0为logistic函数模型的四个独立变量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1，压电导纳共振频率方法相对于其它结构健康监测方法，能够对管廊进行实时监测，且成本较低，精度更高；
2，铜基压电片可跨缝布置在管廊接缝两端，其导纳变化与接缝张开量直接相关，即与接头抗弯刚度直接相关；
3，导纳实部共振频率反映了接头结构刚度等固有属性的变化，与抗弯刚度进行logistic拟合，能够表现出接头抗弯刚度的变化规律，从而对接头抗弯刚度进行实时监测。
附图说明
图1为本发明技术路线图；
图2为本发明模块预制综合管廊缩尺模型的测点布置图；
图3为本发明2个铜基压电片测点的压电导纳实部信号初步测试结果；
图4为C1测点在340-510kHz监测频段的接头抗弯刚度-共振频率散点图及logistic函数拟合曲线图；
图5为本发明C2测点在340-510kHz监测频段的接头抗弯刚度-共振频率散点图及logistic函数拟合曲线图；
图6为本发明15kN和50kN工况下C1测点通过logistic函数模型计算得到的抗弯刚度与对应通过实际测量得到的抗弯刚度对比；
图7为本发明15kN和50kN工况下C2测点通过logistic函数模型计算得到的抗弯刚度与对应通过实际测量得到的抗弯刚度对比；
图中，H1为千分表测点，位于接头侧面底部，C1、C2为铜基压电片测点，分别位于接头侧面底部与底面中部；
具体实施方式
实施例1
如图1至图7所示，本发明公开了一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，图1是本发明所提供的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法的技术路线图，具体阐述如下：
首先，检查结构及各接头完整情况，预紧各弧形螺栓。
随后，在接头处布置相应测点，包括千分表和铜基压电片。通过同一性测试选取合适的压电陶瓷片，并用环氧树脂胶固定在30mm×10mm×0.3mm的铜片上，在管廊缩尺模型接头两端粘贴角钢，以固定千分表，将千分表固定在一侧角钢上，测头抵在另一侧角钢，铜基压电片通过环氧树脂胶跨缝布置在接头处。
然后，正式测试前，对试件进行初步测试，选取合适的测试频段。选择测试频段的导纳实部曲线须包含明显波峰。
然后，正式测试时，对试件进行分级加载，采集各接头在不同荷载下的接缝张开量与铜基压电片的压电导纳信号。同时在加载过程中注意管廊的裂缝开展情况。
然后，通过接缝张开量计算得到接头抗弯刚度，提取试件在各频段的共振频率。
最后，建立接头抗弯刚度与共振频率之间的拟合函数关系，实现对管廊接头抗弯刚度的实时监测。
以下以模块预制双舱综合管廊缩尺模型分级加载试验为例，对本发明进行介绍。管廊结构与测点布置如图2所示。
步骤一：将管廊模型置于水平地面，检查结构及各接头完整情况，预紧各弧形螺栓。管廊结构尺寸如图所示，各接头通过4根M8的8.8级高强弧形螺栓连接。
步骤二：布置各传感器，包括千分表和铜基压电片。通过同一性测试选取合适的PZT-5A型压电陶瓷片，并用环氧树脂胶固定在30mm×10mm×0.3mm的铜片上，在管廊缩尺模型接头两端粘贴角钢，以固定千分表，将千分表固定在一侧角钢上，测头抵在另一侧角钢，铜基压电片通过环氧树脂胶跨缝布置在接头处，静置2天待其固化。
步骤三：正式测试前，对试件进行初步测试。初步测试的导纳实部曲线如图3所示，综合考虑后，选取测试频段340-510kHz。所选择测试频段的导纳实部曲线尽可能地包含明显波峰。
步骤四：预载。试验加载形式由图2可知，在相应位置放置分配梁，分配梁下布置细砂使管廊受力均匀。试验前对管廊模型进行6级预载，包括3级侧向荷载，每级5kN，3级竖向荷载，大舱和小舱每级分别为5kN和2kN，每级预载持续5min，检查管廊与仪器性能后逐级卸载，每级持续5min。
步骤五：正式加载。正式加载过程包括：首先对管廊模型进行6级侧向加载，每级5kN，接着按照5:2的比例分别在大舱顶部和小舱顶部施加6级竖向荷载，前8级每级分别为2.5kN和1kN，后8级每级分别为5kN和2kN。每级荷载持续5min后开始采集压电导纳和相对张开量数据。
步骤六：建立logistic刚度监测模型。对接头在测试频段下的导纳实部数据进行处理，提取接头处铜基压电片在测试频段下的共振频率；根据测得的接头张开量与接头抗弯刚度计算公式计算得到对应接头的抗弯刚度变化。绘制抗弯刚度-共振频率散点图，并利用logistic函数进行拟合，如图4所示，建立基于共振频率的logistic刚度预测模型如下：
式中，K1、K2分别为C1、C2测点的接头抗弯刚度计算值，单位取kN·m/rad，f1、f2分别是C1、C2测点在测试频段下的共振频率，单位取kHz。
步骤八：利用部分未参与拟合的试验数据对拟合函数模型进行验证。将通过拟合函数模型计算得到的接头抗弯刚度与通过实际测量得到的对应接头抗弯刚度进行对比，验证本发明的有效性。
由图4和图5可知，接头各频段的抗弯刚度-共振频率散点图用logistic函数模型拟合效果良好。两个测点在340-510kHz频段的抗弯刚度-共振频率散点图呈现出相同的规律。在340-510kHz频段的信号激励下，大舱外侧接头C1与C2测点的共振频率随接头抗弯刚度的减小而减小，整体来说，加载初期各接头的抗弯刚度减小速率较快，随后逐渐平稳，符合logistic函数模型。
随后利用未参与拟合的试验数据进行验证。将通过logistic函数模型计算得到的接头抗弯刚度与对应的通过实际测量得到的接头抗弯刚度进行对比，结果如图6和图7所示。从表中结果可以看出，通过logistic函数模型计算得到的接头抗弯刚度的误差在10％以内，说明本拟合函数模型能够对接头抗弯刚度进行较准确的监测。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，检查各模块管廊接头连接情况，预紧各弧形螺栓；
步骤2，在接头处布置相应测点，包括千分表和可跨缝布置的铜基压电片；
步骤3，正式测试前，对试件进行初步测试，选取合适的测试频段；
步骤4，正式测试时，对试件进行分级静载，采集各接头在不同荷载下的接缝张开量与铜基压电片的压电导纳信号；
步骤5，通过接缝张开量计算得到接头抗弯刚度，提取试件在各频段的共振频率；
步骤6，建立接头抗弯刚度与各共振频率的散点图并拟合得到二者函数关系，并利用此拟合函数对管廊接头抗弯刚度进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于：所述步骤1中，各接头通过4根M8的8.8级高强弧形螺栓预紧连接。
3.根据权利要求1所述的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于：所述步骤2进一步包括以下子步骤：
步骤2.1，根据压电陶瓷的同一性测试选取合适的压电陶瓷片，并用环氧树脂胶固定在30mm×10mm×0.3mm的铜片上；
步骤2.2，在管廊缩尺模型接头两端粘贴角钢，以固定千分表；
步骤2.3，将千分表固定在一侧角钢上，测头抵在另一侧角钢，铜基压电片通过环氧树脂胶跨缝布置在接头处。
4.根据权利要求1所述的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于：所述步骤3中选择测试频段的导纳实部曲线须包含明显波峰。
5.根据权利要求1所述的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于：所述步骤4中须在加载过程中注意管廊的裂缝开展情况。
6.根据权利要求1所述的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于，所述步骤5中抗弯刚度的计算方法如下：
式中，K为根据相关规范要求的管廊横向接头处的抗弯刚度，M为通过有限元计算得到的接头处的弯矩，h为接头处管廊厚度，Δx为管廊接头处的相对张开量。
7.根据权利要求5所述的一种模块预制综合管廊接头抗弯刚度监测方法，其特征在于，所述步骤6中对接头抗弯刚度和共振频率相关关系的拟合，首先绘制接头抗弯刚度与对应共振频率的散点图，利用logistic函数模型拟合二者关系，logistic函数模型表达式如下：
式中，K为根据相关规范要求的管廊横向接头处的抗弯刚度，f为对应的共振频率，A1、A2、p、f0为logistic函数模型的四个独立变量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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