CN115854900A - 一种刚性道面翘曲变形在线监测方法、设备、介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚性道面翘曲变形在线监测方法、设备、介质，所述方法包括如下步骤：在目标道面板处设置一个或多个应变传感模块，每个应变传感模块包括对应设置在目标道面板的上部和下部的第一应变传感器和第二应变传感器；对于每一个应变传感模块，分别从第一应变传感器、第二应变传感器获取第一应变数据、第二应变数据，根据第一应变数据和第二应变数据，获取当前位置的翘曲变形量。与现有技术相比，本发明通过在道面板上下两层布设静态应变计感知静态应变，准确推导翘曲变形量与静态应变的关系，实时掌握跑道道面的翘曲变形，为跑道病害的诱因诊断、精准养护提供支撑。

Description

一种刚性道面翘曲变形在线监测方法、设备、介质

技术领域

本发明涉及机场工程领域，尤其是涉及一种刚性道面翘曲变形在线监测方法、设备、介质。

背景技术

机场刚性道面厚度通常为42cm，在高温天气下，板顶与板底的温差能够达到15℃，水泥混凝土的热胀冷缩效应会导致道面板发生翘曲变形。飞机作用的荷载应力会与温度翘曲变形产生的应力产生叠加效应。当总应力超过水泥混凝土板的容许应力，易造成断板、接缝破损等结构性病害。传统做法主要利用温度梯度预估道面的翘曲变形量，理论计算条件过于理想化，结果局限性较大。

中国专利申请号CN202011521010.1公开了一种智能跑道和机场道面信息监测方法。智能跑道包括机场跑道本体，机场跑道本体中设有地基沉降感知模块和道面性状感知模块；所述地基沉降感知模块包括单点沉降测量装置等；所述道面性状感知模块包括基层表面点式承压监测装置等。本发明所提供的智能跑道和方法，具有针对跑道运行和管养的自动、自主、智慧化感知与解析能力，可对地基沉降风险、板底脱空风险、道面断裂风险、飞机滑水风险实时监测、适时决策，出现事故症候时及时预警，并可主动确定维护管养方案，可以实现无人化管理。但是，该专利没有针对道面翘曲变形的问题提供解决方案。

综上，现有的道面翘曲变形的监测方法存在如下缺点：

(1)现有的道面翘曲变形监测精度不理想，无法准确表达翘曲变形量与静态应变的关系，因此得到的跑道道面翘曲变形量不准确，无法为跑道病害的诱因诊断、精准养护提供技术支撑。

(2)当前的道面翘曲监测没有实现自动化计算和可视化展示，不能满足确解析、动态评价、实时预警的功能要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，通过在道面板上下两层布设静态应变计感知静态应变，准确推导翘曲变形量与静态应变的关系，实现精确、实时掌握跑道道面的翘曲变形，为跑道病害的诱因诊断、精准养护提供技术支撑。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的一个方面，提供了一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，包括如下步骤：

在目标道面板处设置一个或多个应变传感模块，每个所述应变传感模块包括对应设置在所述目标道面板的上部和下部的第一应变传感器和第二应变传感器；

对于每一个所述应变传感模块，分别从第一应变传感器、第二应变传感器获取第一应变数据、第二应变数据，根据所述第一应变数据和第二应变数据，采用下式获取当前的应变传感模块所在位置的翘曲变形量，

其中，c为道面板边缘点翘曲量，d为道面板边缘点至翘曲为零的板中心的距离，ε_t为所述第一应变数据，ε_b为所述第二应变数据，h为所述第一应变传感器与所述第二应变传感器的间距。

作为优选的技术方案，所述的第一应变传感器设置在距离目标道面板板顶1-10cm的层位上，所述第二应变传感器设置在距离目标道面板板底1-10cm的层位上。

作为优选的技术方案，所述的应变传感模块的水平投影位于纵缝板边中点、纵缝板板角、横缝板边中点、横缝板板角中的一个或多个。

作为优选的技术方案，所述的第一应变传感器和第二应变传感器为基于光纤光栅技术的静态应变计。

作为优选的技术方案，所述的目标道面板的板内为均匀且各向同性的线弹性材料。

作为优选的技术方案，还包括：

汇总各个所述应变传感模块所在位置的翘曲变形量，绘制翘曲变形量与时刻的关系图，实现道面板翘曲变形量的可视化。

作为优选的技术方案，所述的道面板边缘点至翘曲为零的板中心的距离和所述第一应变传感器与所述第二应变传感器的间距在监测前通过测量获得。

作为优选的技术方案，所述的应变传感模块通过钢筋支架固定在所述目标道面板处。

本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述刚性道面翘曲变形在线监测方法的指令。

本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述刚性道面翘曲变形在线监测方法的指令。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用一个或多个应变传感模块采集道面板应变数据，每个应变传感模块包括对应设置在目标道面板的上部和下部两个应变传感器，通过建立更准确的算法模型表达翘曲变形量与静态应变的关系，实现了跑道道面翘曲变形的精确掌握，为跑道病害的诱因诊断、精准养护提供技术支撑。

(2)通过高性能传感器主动感知，海量数据无损、快速传输，核心算法模型程序化运行，实现了跑道道面翘曲变形量指标的在线自动化计算与可视化展示，满足了智慧跑道系统跑道性能精确解析、动态评价、实时预警的功能要求。

附图说明

图1为实施例中刚性道面翘曲变形在线监测方法的流程图；

图2(a)为实施例中静态应变计在竖直方向上安装位置的示意图；

图2(b)为实施例中静态应变计在水平方向上安装位置的示意图；

图3为实施例中道面板翘曲变形量与板底、板顶应变关系式的计算示意图；

图4为实施例中道面板翘曲变形量可视化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所述，本实施例提供了一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，包括以下步骤：

步骤S1，兼顾功能要求与安全性，采用静态应变计进行翘曲变形监测，静态应变计分别布设于距板顶、板底4cm层位；

步骤S2，根据板的厚度、平面尺寸，建立翘曲变形量与板底、板顶应变的关系；

步骤S3，静态应变计数据每隔0.5小时采集，并将数据实时发送至场务用房；

步骤S4，在线计算与可视化翘曲变形量，绘制翘曲变形量与时刻的关系图。

在步骤S1中，为保证静态应变计准确感知道面板板顶、板底应变，同时避免混凝土保护层过薄造成道面板损伤和静态应变计损坏，在竖直方向上，静态应变计布设于距板顶、板底4cm层位，如图2(a)所述。考虑到板边、板角翘曲量相比板中更大，在平面上，水平方向上静态应变计位于纵缝板边中点和板角、横缝板边中点和板角，如图2(b)所述。静态应变计采用钢筋支架的形式进行固定；该传感器基于光纤光栅技术感知监测对象的应变变化，将传感器埋入道面板中，当道面板发生形变时，传感器随之产生应变，从而导致光信号(即光的波长)发生改变，获取变化的信号数据后在采集仪中换算出应变大小，可实现环境荷载作用下道面板应变的实时感知。其中，静态应变计量程2500με，精度0.5με，工作温度-20～80℃，可实现道面板应变的精准、全天候、全范围感知。

计算翘曲量的过程如下式所示，基于一块道面板推导翘曲量与板顶，以向上翘曲为例，计算示意图如图3所述。向下翘曲可由同理可得，在此不表。道面板翘曲变形量与板底、板顶应变的关系式的计算假设为：板内为均匀、各向同性的线弹性材料；截面弯曲后仍保持平面；竖向无应力和应变；相较于板体尺寸，翘曲量足够小；道面板翘曲后呈球面。

根据应变的定义可得式(1)、(2)：

其中，l为道面板的原长，l_t为板顶静态应变计所在位置弧长，l_b为板底静态应变计所在位置弧长。

由几何关系可得式(3)、(4)：

l_t＝R·θ (3)

l_b＝(R+h)·θ (4)

其中，R为板顶静态应变计所在位置球面半径，θ为弧长对应的圆心角。

联立式(1)～(4)得式(5)、(6)：

(1+ε_t)·l＝R·θ (5)

(1+ε_b)·l＝Rθ+hθ (6)

联立式(5)、(6)得道面板翘曲曲率ρ：

由几何关系推导得：

将式(7)代入式(8)可得翘曲量：

其中，c为道面板边缘点翘曲量(c>0，道面板向上翘曲，c<0，道面板向下翘曲)，d为板边缘点至翘曲为零的板中心的距离，ε_t为板顶静态应变计所在位置板的应变，ε_b为板底静态应变计所在位置板的应变，h为板顶静态应变计与板底静态应变计间距。

在步骤S3中，为适应机场数据采集频率高、传输距离远、数据海量等特点，满足机场高频、快速响应等需求，本发明的静态应变计通过光信号实现解调和传输，传感器与采集仪间采用光缆连接，可实现海量数据的快速、长距离、稳定无损传输。综合考虑环境温、湿度变化对混凝土道面板热胀冷缩、湿度翘曲、干缩徐变等力学效应的影响和数据量对系统运行效率影响，选定0.5小时作为静态应变计数据采集间隔，间隔更长可能错失关键应变数据，更短则可能采集过多不必要数据降低系统运行效率。

在步骤S4中，将道面板翘曲变形量与板底、板顶应变关系的算法模型嵌入道面运行环境监测系统，进行道面板翘曲变形量的自动化计算，并绘制翘曲变形量与时刻的关系图，实现道面板翘曲变形量的在线监测。

实施例2

本实施例依托某国际机场新建工程，属亚热带季风性湿润气候。试验板位于机场西一跑道，道面板平面尺寸5.0m×5.0m；道面结构自上而下为42cm水泥混凝土面层、沥青基隔离层、水泥稳定碎石基层以及压实土基；道面板横缝为设传力杆假缝，纵缝为设传力杆平缝。

利用实施例1的监测方法，获取该机场跑道刚性道面板翘曲变形的过程如下：

(1)在竖向上，将静态应变计布设于距板顶、板底4cm层位；在平面上，静态应变计位于纵缝板边中点和板角、横缝板边中点和板角，如图1所示。

(2)静态应变计数据每隔0.5小时采集，并采用光缆通过光信号将数据实时发送至场务用房，4月1日至4月4日所采集道面板板顶、板底应变数据见表1(仅显示部分数据)。

(3)基于测得板顶、板底应变数据，根据道面板翘曲变形量与板底、板顶应变关系式在线实时计算道面板翘曲变形量，并进行可视化展示。翘曲变形量与板底、板顶应变关系式如下：

其中，c为道面板边缘点翘曲量(c>0，道面板向上翘曲，c<0，道面板向下翘曲)，d为板边缘点至翘曲为零的板中心的距离，ε_t为板顶静态应变计所在位置板的应变，ε_b为板底静态应变计所在位置板的应变，h为板顶静态应变计与板底静态应变计间距。

翘曲变形量计算结果见表2(仅显示部分数据)，翘曲变形量与时刻关系图如图4所述。

表1 4月1日至4月4日道面板板顶、板底应变数据

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表2 4月1日至4月4日道面板翘曲量

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由图4可知，道面板翘曲变形量最大值出现在每日14:00～17:00左右，翘曲量为负值，道面板向下翘曲，道面板此时为正温度梯度，热胀效应导致中间拱起，四周下翘；道面板翘曲变形量最小值出现在每日6:00～8:00左右，翘曲量为正值，道面板向上翘曲，道面板此时为负温度梯度，冷缩效应导致四周上翘。

板边，接缝类型为设传力杆平缝(纵缝)时翘曲量为-0.553mm～0.212mm、为设传力杆假缝(横缝)时翘曲量为-0.311mm～0.157mm；板角，接缝为设传力杆平缝(纵缝)时翘曲量为-2.327mm～0.746mm、接缝为设传力杆假缝(横缝)时则为-2.242mm～0.590mm；可见，板角翘曲量高于板边，且接缝为设传力杆平缝时，道面翘曲量更大。

由此可见，本发明的刚性道面翘曲变形在线监测方法，通过高性能传感器主动感知，海量数据无损、快速传输，核心算法模型在线自动化计算翘曲变形指标与可视化展示，实现了跑道道面翘曲变形的实时、精确掌握，为跑道病害的诱因诊断、精准养护提供技术支撑，满足了智慧跑道系统跑道性能精确解析、动态评价、实时预警的功能要求。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

实施例3

本实施例提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器和存储器，存储器内储存有一个或多个程序，包括用于执行如实施例1所述刚性道面翘曲变形在线监测方法的指令。

实施例4

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，一个或多个程序包括用于执行如实施例1所述的刚性道面翘曲变形在线监测方法的指令。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

在目标道面板处设置一个或多个应变传感模块，每个所述应变传感模块包括对应设置在所述目标道面板的上部和下部的第一应变传感器和第二应变传感器；

对于每一个所述应变传感模块，分别从第一应变传感器、第二应变传感器获取第一应变数据、第二应变数据，根据所述第一应变数据和第二应变数据，采用下式获取当前的应变传感模块所在位置的翘曲变形量，

其中，c为道面板边缘点翘曲量，d为道面板边缘点至翘曲为零的板中心的距离，ε_t为所述第一应变数据，ε_b为所述第二应变数据，h为所述第一应变传感器与所述第二应变传感器的间距。

2.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，所述的第一应变传感器设置在距离目标道面板板顶1-10cm的层位上，所述第二应变传感器设置在距离目标道面板板底1-10cm的层位上。

3.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，所述的应变传感模块的水平投影位于纵缝板边中点、纵缝板板角、横缝板边中点、横缝板板角中的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，所述的第一应变传感器和第二应变传感器为基于光纤光栅技术的静态应变计。

5.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，所述的目标道面板的板内为均匀且各向同性的线弹性材料。

6.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，还包括：

汇总各个所述应变传感模块所在位置的翘曲变形量，绘制翘曲变形量与时刻的关系图，实现道面板翘曲变形量的可视化。

7.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，所述的道面板边缘点至翘曲为零的板中心的距离和所述第一应变传感器与所述第二应变传感器的间距在监测前通过测量获得。

8.根据权利要求1所述的一种刚性道面翘曲变形在线监测方法，其特征在于，所述的应变传感模块通过钢筋支架固定在所述目标道面板处。

9.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述刚性道面翘曲变形在线监测方法的指令。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述刚性道面翘曲变形在线监测方法的指令。

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