一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀的制作方法
【專利摘要】一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀，其特征在于：所述轉(zhuǎn)角儀由一組或多組長標距應(yīng)變傳感單元平行分布在底板上，并整體封裝而成；所述長標距應(yīng)變傳感單元由能實現(xiàn)反應(yīng)標距內(nèi)平均應(yīng)變變化特征值的長標距應(yīng)變傳感器組成。本實用高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀可以采用預(yù)埋或者全面張貼或者兩端張貼的方式，安裝在各個待測構(gòu)件上，各個待測構(gòu)件包含的長標距應(yīng)變傳感單元的數(shù)目根據(jù)測量要求及現(xiàn)場條件而制定。
【專利說明】一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及了一種用于土建交通結(jié)構(gòu)中健康檢測和監(jiān)測的技術(shù)，尤其涉及了一種基于分布式應(yīng)變傳感的高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)正廣泛應(yīng)用于土木工程的重大或復(fù)雜結(jié)構(gòu)。受彎構(gòu)件是工程結(jié)構(gòu)中常見的構(gòu)件之一，轉(zhuǎn)角是評價其安全性能的重要指標。目前常用的轉(zhuǎn)角測量儀器有，經(jīng)緯儀，水準儀，姿態(tài)儀和電解液傾斜儀等。但因為受測量儀器內(nèi)傳感元件自身擺動頻率、穩(wěn)定性以及測量成本的影響，這些儀器都不適用于連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測或者大范圍的多點測量。此時，設(shè)計研究出一種可信度高的適合大型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角監(jiān)測及測量方法顯得尤為重要。
[0003]目前在大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，越來越多的研究側(cè)重于分布式應(yīng)變測量。分布式應(yīng)變測量可以通過長標距應(yīng)變傳感器，進行大范圍的連續(xù)靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變測量，來實現(xiàn)描述結(jié)構(gòu)中局部和整體變形。但是分布式應(yīng)變測量本身是一種監(jiān)測應(yīng)變變化的檢測手段，目前還沒有有效的通過應(yīng)變來實現(xiàn)受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)角計算的系統(tǒng)和方法。
[0004]為了對大型結(jié)構(gòu)中受彎構(gòu)件的健康狀況實施可靠的監(jiān)測和監(jiān)測，需要有一種能夠有效建立分布式應(yīng)變測量和轉(zhuǎn)角關(guān)系的計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的是在綜合分布式應(yīng)變測量，提供一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀及其測量方法，實現(xiàn)對大范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)實時轉(zhuǎn)角變化的感知，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)彈塑性分析，以達到對結(jié)構(gòu)安全性能評估的目的。
[0006]本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀，所述轉(zhuǎn)角儀由一組或多組長標距應(yīng)變傳感單元平行分布在底板上，并整體封裝而成。
[0007]所述長標距應(yīng)變傳感單元由能實現(xiàn)反應(yīng)標距內(nèi)平均應(yīng)變變化特征值的長標距應(yīng)變傳感器組成。
[0008]所述長標距應(yīng)變傳感器為長標距光纖或者碳纖維應(yīng)變傳感器。
[0009]所述轉(zhuǎn)角儀采用預(yù)埋或者全面張貼或者兩端張貼的方式，安裝在各個待測構(gòu)件上，所述各個待測構(gòu)件包含的長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目根據(jù)測量要求及現(xiàn)場條件而制定。
[0010]所述各個待測構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目不大于三，長標距應(yīng)變傳感單元水平間隔不小于2厘米。
[0011]所述待測構(gòu)件是一種或多種材料組成的柱或梁的受彎構(gòu)件。
[0012]本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用還如下技術(shù)方案:一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀的測量方法，所述測量方法包括以下步驟:
[0013]步驟一:根據(jù)監(jiān)測對象結(jié)構(gòu)的類型和幾何尺寸，將監(jiān)測對象結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件劃分為長標距應(yīng)變傳感單元，并布設(shè)分布式應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)；[0014]步驟二:根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)測量各構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元的初始應(yīng)變分布，如某一構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目大于I需按其在構(gòu)件內(nèi)水平位置劃分子傳感單元；
[0015]步驟三:根據(jù)各構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元內(nèi)的實測應(yīng)變變化，并計算構(gòu)件端部對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；
[0016]步驟四:疊加以上步驟獲得的各構(gòu)件轉(zhuǎn)角，整合結(jié)構(gòu)內(nèi)各節(jié)點的轉(zhuǎn)角。
[0017]在步驟二中所述的初始應(yīng)變值是由長標距應(yīng)變傳感器測量獲得，所述長標距應(yīng)變傳感器布設(shè)時貫穿結(jié)點位置。
[0018]當某一構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目等于一時，在步驟三中所述的轉(zhuǎn)角計算方法包括以下步驟:
[0019]步驟a:根據(jù)長標距應(yīng)變傳感單元的應(yīng)變變化及對應(yīng)構(gòu)件的受力模型，整合構(gòu)件內(nèi)彎曲應(yīng)變分布；
[0020]步驟b:根據(jù)纖維模型賦予長標距應(yīng)變傳感單元端部對應(yīng)截面的應(yīng)變分布，并迭代計算該截面內(nèi)中性軸高度；
[0021]步驟c:根據(jù)以上步驟獲得的中性軸高度、應(yīng)變分布，計算長標距應(yīng)變傳感單元端部對應(yīng)截面的曲率；
[0022]步驟d:根據(jù)截面內(nèi)曲率及構(gòu)件內(nèi)對應(yīng)位置，疊加計算長標距應(yīng)變傳感單元端部對應(yīng)轉(zhuǎn)角。
[0023]在步驟b中所述的中性軸高度迭代計算，具體包括以下步驟:
[0024]步驟1.在長標距應(yīng)變傳感器對應(yīng)的截面內(nèi)從壓縮側(cè)到張拉，以微小間隔將截面劃分為層次，并依次將所述各層假定為中性軸；
[0025]步驟I1.根據(jù)構(gòu)件受彎區(qū)應(yīng)變分布，按照步驟I假定的中性軸位置，依據(jù)平截面假定原理，賦予截面內(nèi)各層對應(yīng)的應(yīng)變值；
[0026]步驟II1.根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，分別計算該截面內(nèi)混凝土、鋼筋以及各種材料對應(yīng)的應(yīng)力；
[0027]步驟IV.根據(jù)計算獲得的應(yīng)力，分別計算截面內(nèi)的壓縮側(cè)和張拉側(cè)的內(nèi)力；
[0028]步驟V.依次重復(fù)第I步到第IV步的循環(huán)，直至截面內(nèi)合力為零，停止循環(huán)，記錄該點對應(yīng)的中性軸位置；
[0029]步驟V1.利用步驟V獲得的中性軸位置和對應(yīng)的應(yīng)變，計算截面內(nèi)的曲率；
[0030]步驟νπ.根據(jù)截面內(nèi)曲率和對應(yīng)的位置，獲得構(gòu)件彎曲轉(zhuǎn)角。
[0031]當某一構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目大于一時，在步驟三中所述的轉(zhuǎn)角計算方法包括以下步驟:
[0032]步驟a:根據(jù)各子傳感單元的應(yīng)變變化及構(gòu)件組成材料本構(gòu)關(guān)系，判斷是否出現(xiàn)塑性變形；
[0033]步驟b:根據(jù)子傳感單元的幾何尺寸，計算單元結(jié)點處剛體轉(zhuǎn)角；
[0034]步驟c:根據(jù)以上步驟獲取的單元剛體轉(zhuǎn)角，按照疊加原理獲取構(gòu)件端部的轉(zhuǎn)角增量。
[0035]所述測量方法滿足線性的計算要求，同時滿足混凝土開裂或鋼筋屈服的非線性計算要求。
[0036]本實用新型具有如下有益效果:[0037](I)根據(jù)受彎構(gòu)件端部測量的應(yīng)變值，整合受彎區(qū)應(yīng)變分布，以消除構(gòu)件在受軸向張拉或壓縮產(chǎn)生的應(yīng)變變化；
[0038](2)根據(jù)彎曲應(yīng)變分布，以實現(xiàn)柱或梁等受彎構(gòu)件的高精度轉(zhuǎn)角計算；
[0039](3)根據(jù)纖維模型將截面細分化，構(gòu)件內(nèi)多種材料作為獨立的模型進行考慮，降低了計算模型的復(fù)雜性，滿足了諸如混凝土開裂或鋼筋屈服等非線性計算的要求；
[0040](4)通過節(jié)點處應(yīng)變計算裂縫寬度，以滿足構(gòu)件單元出現(xiàn)剛體轉(zhuǎn)角時計算誤差；
[0041](5)通過動靜態(tài)分布式應(yīng)變傳感，以滿足靜態(tài)或動態(tài)轉(zhuǎn)角測量的要求，為實現(xiàn)實時的動靜態(tài)轉(zhuǎn)角監(jiān)測提供解決方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀的上視剖面圖(左)。
[0043]圖2是本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀內(nèi)封裝式軸向剖面圖(右上)。
[0044]圖3是本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀外封裝式軸向剖面圖(右下)。
[0045]圖4是構(gòu)件內(nèi)傳感單元及轉(zhuǎn)角儀尺寸示意圖。
[0046]圖5是大型結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)角儀分布布設(shè)示意圖。
[0047]其中:
[0048]1-長標距應(yīng)變傳感單元；2_底板；3_連接跳線；4_受彎構(gòu)件；5_支承構(gòu)件；6_結(jié)合處；7-跨中；8_轉(zhuǎn)角儀單元；I1-轉(zhuǎn)角儀外側(cè)到邊緣距離；12-轉(zhuǎn)角儀內(nèi)側(cè)到邊緣距離；A-構(gòu)件受拉側(cè)；B-構(gòu)件受壓側(cè)；C-單元水平寬度；D-變形前單元高度；E-變形后單元高度；
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合實例對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明:
[0050]請參照圖1至圖3所示，本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀是由一組或多組長標距應(yīng)變傳感單元I平行分布在底板2上，并整體封裝而成。其中長標距應(yīng)變傳感單元I由能實現(xiàn)反應(yīng)標距內(nèi)平均應(yīng)變變化特征值的長標距應(yīng)變傳感器組成，如長標距光纖或者碳纖維應(yīng)變傳感器。
[0051]請參照圖1至圖3并結(jié)合圖4所示，本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀可以采用預(yù)埋或者全面張貼或者兩端張貼的方式，安裝在各個待測構(gòu)件上，各個待測構(gòu)件包含的長標距應(yīng)變傳感單元I的數(shù)目根據(jù)測量要求及現(xiàn)場條件而制定。各個待測構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元I的數(shù)目不應(yīng)大于三，單元水平間隔不小于2厘米。
[0052]對于截面較小的待測構(gòu)件，可采用單根長標距應(yīng)變傳感單元組成轉(zhuǎn)角儀。如需要滿足待測構(gòu)件內(nèi)轉(zhuǎn)角分布測量要求時，根據(jù)待測構(gòu)件豎直方向長度，可采用多根長標距應(yīng)變傳感單元分布串聯(lián)組成轉(zhuǎn)角儀。對于截面較寬或者需要滿足大變形檢測目的的構(gòu)件，可使用多根并行排列的分布式長標距應(yīng)變傳感單元而組成轉(zhuǎn)角儀。
[0053]前述的待測構(gòu)件可以是一種或多種材料組成的柱或梁等受彎構(gòu)件。
[0054]請參照圖1至圖3并結(jié)合圖4至圖5所示，本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀的測量方法包括如下步驟:
[0055]步驟一:根據(jù)監(jiān)測對象結(jié)構(gòu)的類型和幾何尺寸，將監(jiān)測對象結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件劃分為長標距應(yīng)變傳感單元，并布設(shè)分布式應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)；
[0056]步驟二:根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)測量各構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元的初始應(yīng)變分布，如某一構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目大于I需按其在構(gòu)件內(nèi)水平位置劃分子傳感單元；
[0057]步驟三:根據(jù)各構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元內(nèi)的實測應(yīng)變變化，并計算構(gòu)件端部對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；
[0058]步驟四:疊加以上步驟獲得的各構(gòu)件轉(zhuǎn)角，整合結(jié)構(gòu)內(nèi)各節(jié)點的轉(zhuǎn)角。
[0059]在上述步驟二中，初始應(yīng)變值是由長標距應(yīng)變傳感器測量獲得，長標距應(yīng)變傳感器布設(shè)時需貫穿結(jié)點位置。
[0060]當某一構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目等于一時，在步驟三中所述的轉(zhuǎn)角計算方法包括以下步驟:
[0061]步驟a.根據(jù)長標距應(yīng)變傳感單元的應(yīng)變變化及對應(yīng)構(gòu)件的受力模型，整合構(gòu)件內(nèi)彎曲應(yīng)變分布；
[0062]步驟b.根據(jù)纖維模型賦予長標距應(yīng)變傳感單元端部對應(yīng)截面的應(yīng)變分布，并迭代計算該截面內(nèi)中性軸高度；
[0063]步驟c.根據(jù)以上步驟獲得的中性軸高度、應(yīng)變分布，計算長標距應(yīng)變傳感單元端部對應(yīng)截面的曲率；
[0064]步驟d.根據(jù)截面內(nèi)曲率及構(gòu)件內(nèi)對應(yīng)位置，疊加計算長標距應(yīng)變傳感單元端部對應(yīng)轉(zhuǎn)角。
[0065]在步驟b中所述的中性軸高度迭代計算，具體包括以下步驟:
[0066]步驟1.在長標距應(yīng)變傳感器對應(yīng)的截面內(nèi)從壓縮側(cè)到張拉，以微小間隔將截面劃分為層次，并依次將所述各層假定為中性軸；
[0067]步驟I1.根據(jù)構(gòu)件受彎區(qū)應(yīng)變分布，按照步驟I假定的中性軸位置，依據(jù)平截面假定原理，賦予截面內(nèi)各層對應(yīng)的應(yīng)變值；
[0068]步驟II1.根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，分別計算該截面內(nèi)混凝土、鋼筋以及各種材料對應(yīng)的應(yīng)力；
[0069]步驟IV.根據(jù)計算獲得的應(yīng)力，分別計算截面內(nèi)的壓縮側(cè)和張拉側(cè)的內(nèi)力；
[0070]步驟V.依次重復(fù)第I步到第IV步的循環(huán)，直至截面內(nèi)合力為零，停止循環(huán)，記錄該點對應(yīng)的中性軸位置；
[0071]步驟V1.利用步驟V獲得的中性軸位置和對應(yīng)的應(yīng)變，計算截面內(nèi)的曲率；
[0072]步驟νπ.根據(jù)截面內(nèi)曲率和對應(yīng)的位置，獲得構(gòu)件彎曲轉(zhuǎn)角。
[0073]當某一構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目大于一時，在步驟三中所述的轉(zhuǎn)角計算方法包括以下步驟:
[0074]步驟a.根據(jù)各子傳感單元的應(yīng)變變化及構(gòu)件組成材料本構(gòu)關(guān)系，判斷是否出現(xiàn)塑性變形；
[0075]步驟b.根據(jù)子傳感單元的幾何尺寸，計算單元結(jié)點處剛體轉(zhuǎn)角；
[0076]步驟c.根據(jù)以上步驟獲取的單元節(jié)點處剛體轉(zhuǎn)角，按照疊加原理獲取構(gòu)件端部的轉(zhuǎn)角增量。
[0077]本實用新型高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀的測量方法滿足線性的計算要求，同時滿足諸如混凝土開裂或鋼筋屈服等非線性計算要求。[0078]上述構(gòu)件在軸向受拉或受壓等受力情況復(fù)雜時，可以滿足高精度計算的要求。
[0079]根據(jù)上述剛體轉(zhuǎn)角和彎曲轉(zhuǎn)角的總和計算出總轉(zhuǎn)角，該總轉(zhuǎn)角根據(jù)分布式應(yīng)變傳感方式不同，可以滿足靜態(tài)或動態(tài)的測量要求。
[0080]為了進一步闡述本實用新型的高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀及其測量方法，下面結(jié)合具體的實施例來闡述:
[0081]第一步:對高h寬b的受彎構(gòu)件4，從構(gòu)件錨固段開始安裝包含2個平行排列的長標距應(yīng)變傳感單元組成的轉(zhuǎn)角儀,安裝完成后記錄對應(yīng)的初始應(yīng)變分布ε (η) ο
[0082]第二步:當構(gòu)件受彎時，根據(jù)圖4所示構(gòu)件及轉(zhuǎn)角儀幾何尺寸以及轉(zhuǎn)角儀內(nèi)平2個傳感應(yīng)變差Λ ε，按照下式獲取錨固段開裂高度，并計算剛體轉(zhuǎn)角0s。
[0083]第三步:通過受彎構(gòu)件端部測量的應(yīng)變值，根據(jù)分布式測量整合
[0084]
【權(quán)利要求】
1.一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀，其特征在于:所述轉(zhuǎn)角儀由一組或多組長標距應(yīng)變傳感單元平行分布在底板上，并整體封裝而成；所述長標距應(yīng)變傳感單元由能實現(xiàn)反應(yīng)標距內(nèi)平均應(yīng)變變化特征值的長標距應(yīng)變傳感器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀，其特征在于:所述長標距應(yīng)變傳感器為長標距光纖或者碳纖維應(yīng)變傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高性能結(jié)構(gòu)動靜態(tài)轉(zhuǎn)角儀，其特征在于:各個待測構(gòu)件內(nèi)長標距應(yīng)變傳感單元數(shù)目不大于三，長標距應(yīng)變傳感單元水平間隔不小于2厘米。
【文檔編號】G01B21/32GK203489865SQ201320544505
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】吳智深, 黃璜 申請人:東南大學, 江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司