工程結(jié)構(gòu)損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法
【專利摘要】工程結(jié)構(gòu)損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法，屬于結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是在分布式感知元件上構(gòu)建多種傳感標(biāo)距，隨著損傷演化自適應(yīng)動(dòng)態(tài)選擇相應(yīng)尺度的傳感標(biāo)距，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式變標(biāo)距測(cè)試，實(shí)現(xiàn)傳感標(biāo)距隨著損傷演化的自適應(yīng)匹配，兼顧結(jié)構(gòu)整體和局部、量化局部損傷表征的全歷程監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的效果和益處是發(fā)展了刻畫結(jié)構(gòu)局部大變形如塑性變形、屈曲、裂縫和界面相對(duì)滑移等損傷特征的時(shí)空演化的全歷程監(jiān)測(cè)方法，為重大結(jié)構(gòu)的損傷與破壞倒塌機(jī)理提供有效的技術(shù)手段和可靠的數(shù)據(jù)支持，并服務(wù)于結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定和剩余壽命預(yù)測(cè)。
【專利說明】工程結(jié)構(gòu)損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種工程結(jié)構(gòu)損傷表征監(jiān)測(cè)的變標(biāo)距測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁、隧道、高層建筑和水壩等重要基礎(chǔ)設(shè)施，在地震、風(fēng)災(zāi)等環(huán)境荷載及人為事故等作用下，常引發(fā)由局部損傷累積演化或突發(fā)損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)整體失效，其性態(tài)往往表現(xiàn)為強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合效應(yīng)，而目前尚缺少成熟的分析理論和設(shè)計(jì)方法。因此，通過全歷程監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，對(duì)其擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和反饋分析，合理評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全及剩余服役壽命，以形成預(yù)警機(jī)制消減災(zāi)害的影響程度，是最有效的方法之一。然而，結(jié)構(gòu)局部性態(tài)的時(shí)空特征隨著荷載作用和損傷演化過程的變化而不斷改變，并在不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生突變和內(nèi)力重分布。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)局部性態(tài)的時(shí)空特征演化的測(cè)試方式提出了新的要求。
[0003]當(dāng)前，通常采用固定標(biāo)距的光纖和光纖光柵、壓電薄膜、同軸電纜及電阻式應(yīng)變片等感知元件對(duì)工程結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷時(shí)空特征演化的測(cè)試存在以下兩個(gè)問題:(1)在結(jié)構(gòu)的損傷從微觀至宏觀的跨尺度演化過程中，固定的短標(biāo)距感知元件無法實(shí)現(xiàn)損傷中后期的演化程度；固定的長標(biāo)距感知元件對(duì)于損傷的出現(xiàn)和擴(kuò)展不夠敏感、且無法準(zhǔn)確測(cè)量其損傷程度。(2)在結(jié)構(gòu)損傷從局部至整體的擴(kuò)展過程中，如采用固定長標(biāo)距感知元件，則局部損傷程度被平均，無法實(shí)現(xiàn)損傷定位，很容易造成損傷誤判；如采用固定的短標(biāo)距感知元件，則可能因局部損傷程度超出測(cè)試量程退出工作，而需布置大量的感知元件；而分布式固定標(biāo)距式傳感技術(shù)存在以上類似的缺點(diǎn)。因此，隨著損傷演化過程的發(fā)展，刻畫結(jié)構(gòu)損傷尺度的幾何標(biāo)距也要作相應(yīng)的調(diào)整，有必要采用兼顧結(jié)構(gòu)局部損傷和整體信息的變標(biāo)距測(cè)試方法。
[0004]目前，已有學(xué)者通過光纖光柵和光纖共線傳感的方式實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)全尺度大規(guī)模分布式的較高精度和局部高精度的測(cè)試；通過串聯(lián)長標(biāo)距光纖光柵實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量離散為等參單元結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)；通過在同軸電纜表面制作阻抗不連續(xù)提高其測(cè)試精度；通過在同軸電纜外導(dǎo)體層上刻系列薄弱螺紋或系列螺旋孔分布式測(cè)試大裂縫。以上改進(jìn)的分布式傳感技術(shù)，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)局部損傷和整體信息的測(cè)試，由于其本質(zhì)上為固定標(biāo)距測(cè)試方法，在損傷演化過程中不能隨著損傷的幾何尺寸而調(diào)整標(biāo)距，無法精細(xì)地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)全歷程的損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種兼顧結(jié)構(gòu)整體和局部、量化局部損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法，解決結(jié)構(gòu)損傷時(shí)空演化過程中微觀損傷不易被識(shí)別、宏觀損傷超出測(cè)試量程、損傷全歷程信息不易獲取等應(yīng)用問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種兼顧結(jié)構(gòu)整體和局部、量化局部損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法，其實(shí)現(xiàn)步驟:為匹配結(jié)構(gòu)局部損傷的幾何尺寸，通過打孔、刻槽等減小橫截面積的方式在分布式感知元件上制作N個(gè)薄弱截面，形成低反射點(diǎn)，由相鄰的兩低反射點(diǎn)構(gòu)建合適的物理傳感標(biāo)距，考慮信號(hào)處理技術(shù)由任意不相鄰的兩低反射點(diǎn)重構(gòu)傳感標(biāo)距，形成變標(biāo)距傳感探頭；根據(jù)兩個(gè)低反射點(diǎn)之間的傳感效果，通過信噪比分析該技術(shù)的最大和最小標(biāo)距、及其相應(yīng)的空間分辨率；選用纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料或硅橡膠等超彈性材料封裝該變標(biāo)距傳感探頭，通過材料性能試驗(yàn)測(cè)試封裝后的傳感探頭在不同變形階段的力學(xué)性能；根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，將封裝后的變標(biāo)距傳感探頭粘貼或埋入結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)局部損傷出現(xiàn)前、損傷演化和失效破壞，針對(duì)結(jié)構(gòu)的變形或損傷等局部性態(tài)隨著時(shí)間和空間的突變、不連續(xù)等特征，以分布式感知元件的空間分辨率或前一階段的測(cè)試標(biāo)距為基準(zhǔn)，采用優(yōu)化的方式匹配結(jié)構(gòu)損傷的幾何尺度，從而得到損傷演化任意時(shí)空階段的最優(yōu)測(cè)試標(biāo)距，量化結(jié)構(gòu)局部損傷的特征，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部損傷全歷程監(jiān)測(cè)。
[0008]該變標(biāo)距測(cè)試方法如一把游標(biāo)卡尺，在位移精度得以保證的前提下根據(jù)對(duì)象自適應(yīng)、調(diào)整卡口位置。
[0009]所述的N個(gè)薄弱截面是指兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)薄弱截面，其具體數(shù)量由被測(cè)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸及測(cè)試要求確定。
[0010]所述的匹配結(jié)構(gòu)局部損傷的幾何尺寸，是指?jìng)鞲袠?biāo)距與損傷的幾何尺寸相近或在
同一數(shù)量級(jí)內(nèi)。
[0011]所述的分布式感知元件，是指索式或線式等可形成多種不同標(biāo)距的傳感元件。
[0012]所述的重構(gòu)測(cè)試標(biāo)距，是指通過信號(hào)處理技術(shù)重構(gòu)傳感標(biāo)距，區(qū)別于物理傳感標(biāo)距。
[0013]所述的最優(yōu)測(cè)試標(biāo)距，是指在物理傳感標(biāo)距基礎(chǔ)上，隨著損傷時(shí)空演化，通過優(yōu)化算法得到的測(cè)試標(biāo)距。
[0014]本發(fā)明的效果和益處是:為監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)整體信息和局部損傷表征提供了一種分布式的變標(biāo)距測(cè)試方法；解決了監(jiān)測(cè)過程中損傷的隨機(jī)性和無法先知性、微觀損傷不易有效識(shí)另O、宏觀損傷超出測(cè)試量程、損傷全歷程信息不易獲取等健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的難題；實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)局部大變形的塑性變形、屈曲、裂縫和界面相對(duì)滑移等損傷的全歷程監(jiān)測(cè)，為重大工程的損傷機(jī)理與破壞倒塌機(jī)制研究提供有效的技術(shù)手段及可靠的數(shù)據(jù)支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖1是用于工程結(jié)構(gòu)損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法的傳感探頭結(jié)構(gòu)圖。
[0016]附圖2是損傷初期階段的變標(biāo)距測(cè)試方法示意圖。
[0017]附圖3是損傷擴(kuò)展階段的變標(biāo)距測(cè)試方法示意圖。
[0018]附圖4是損傷失效破壞階段的變標(biāo)距測(cè)試方法示意圖。
[0019]附圖2至附圖4為針對(duì)裂縫損傷時(shí)空演化的變標(biāo)距測(cè)試方法。
[0020]圖中:1變標(biāo)距傳感探頭；2損傷初期的標(biāo)距；3初始裂縫；4損傷演化階段的標(biāo)距；5擴(kuò)展中的裂縫；6失效破壞階段的標(biāo)距；7失效破壞階段的裂縫。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。[0022]一種兼顧結(jié)構(gòu)整體和局部、量化局部損傷表征的分布式的變標(biāo)距測(cè)試方法，其變標(biāo)距傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示；其使用方法的示意圖如附圖2、附圖3、附圖4所
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[0023]兼顧結(jié)構(gòu)局部損傷和整體信息、量化工程結(jié)構(gòu)損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法，其實(shí)施方式如下:
[0024]首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特性及受力形式，基于分布式傳感技術(shù)，通過高速鉆機(jī)或飛秒激光等工具在在索式或線式元件上打孔或刻槽制作薄弱截面，形成低反射點(diǎn)，構(gòu)建傳感條件，由相鄰的兩點(diǎn)構(gòu)建合適的物理傳感標(biāo)距，考慮信號(hào)處理技術(shù)由任意不相鄰的兩點(diǎn)重構(gòu)傳感標(biāo)距，形成變標(biāo)距傳感探頭；考慮任意兩個(gè)低反射點(diǎn)的傳感效果，通過信噪比分析該技術(shù)的最大和最小標(biāo)距、及其相應(yīng)的空間分辨率；然后，選用FRP、橡膠等超彈性材料封裝將其進(jìn)行封裝，并通過室內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)傳感器的應(yīng)用效果，后將其埋入或外貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的位置感知結(jié)構(gòu)的變形；隨著結(jié)構(gòu)局部損傷出現(xiàn)前、損傷演化和失效破壞，針對(duì)結(jié)構(gòu)的變形或損傷等局部性態(tài)隨著時(shí)間和空間的突變、不連續(xù)等特征，針對(duì)任一損傷部位以其為中心選擇一定的對(duì)稱區(qū)域，得到該區(qū)域內(nèi)隨空間變化的應(yīng)變曲線。以分布式感知元件的空間分辨率或前一階段的測(cè)試標(biāo)距為基準(zhǔn)，以空間分辨率為步長選擇測(cè)試標(biāo)距，得到隨空間變化的應(yīng)變曲線，與前一階段的應(yīng)變曲線的一階導(dǎo)數(shù)的吻合程度，采用優(yōu)化的方式匹配結(jié)構(gòu)損傷的幾何尺度，從而得到損傷演化任意時(shí)空階段的最優(yōu)測(cè)試標(biāo)距，量化結(jié)構(gòu)局部損傷的特征，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部損傷全歷程監(jiān)測(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種工程結(jié)構(gòu)損傷表征的變標(biāo)距測(cè)試方法，其特征是:在分布式感知元件上制作N個(gè)薄弱截面形成低反射點(diǎn)，由相鄰的兩低反射點(diǎn)構(gòu)建合適的物理傳感標(biāo)距，考慮信號(hào)處理技術(shù)由任意不相鄰的兩低反射點(diǎn)重構(gòu)傳感標(biāo)距，形成變標(biāo)距傳感探頭；隨著結(jié)構(gòu)局部損傷出現(xiàn)前、損傷演化和失效破壞，針對(duì)結(jié)構(gòu)的變形或損傷等局部性態(tài)隨著時(shí)間和空間的突變、不連續(xù)特征，以分布式感知元件的空間分辨率或前一階段的測(cè)試標(biāo)距為基準(zhǔn)，采用優(yōu)化的方式匹配結(jié)構(gòu)損傷的幾何尺度，得到損傷演化任意時(shí)空階段的最優(yōu)測(cè)試標(biāo)距，量化結(jié)構(gòu)局部損傷的特征，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部損傷全歷程監(jiān)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK103499458SQ201310428200
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】周智, 江勝華, 王花平, 歐進(jìn)萍 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)