一种混凝土结构组合式应变监测单元及其状态评估方法技术

本发明专利技术公开了一种混凝土结构组合式应变监测单元，包括正方体主体，所述正方体主体的各条边及各面的一条对角线上布有共计18个振弦应变传感器，各振弦应变传感器两端通过连接杆和螺旋弹簧分别与位于正方体主体八个顶角处的螺栓球节点螺纹连接；所述正方体主体内部固定设置有顶部开口的圆筒状隔离筒，隔离筒的筒壁由外向内依次包括弹性隔离网、透水透气层、弹性隔离网，所述隔离筒内居中设置用于测量无荷载下的混凝土温度及收缩应变的基准传感器。本发明专利技术还提供了一种基于所述组合式应变监测单元的混凝土状态评估方法。本发明专利技术可较为准确的分析出混凝土结构所处的受力状态，同时可根据需要与混凝土破坏准则中指标进行比较，评估混凝土开裂可能性。

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土结构组合式应变监测单元及其状态评估方法
本专利技术涉及一种埋入式混凝土结构中组合式应变监测单元及其状态评估方法，主要应用大型混凝土结构在建造及营运状况下的健康监测及评估。
技术介绍
混凝土结构是当代土木行业中最主要的建筑形式，承担许多重大作用，建成后面临各种各样的荷载及变形作用时一旦开裂将造成很多难以估计的损失。许多重要的结构为了实时了解其在施工、运营期间的健康状况，需要埋设应变传感器。目前可用于混凝土应变监测的埋入式传感器根据测量原理不同，主要分为：(1)电阻式传感器，基于电阻-应变效应的敏感元件；(2)振弦式传感器，以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器；(3)光纤式传感器，把光的强度、波长、频率、相位、偏振态等参数作为被调制的信号源。在传感器受力体形状、材质改进方面近些年来主要的专利技术有：大连理工大学的专利“混凝土材料封装的混合量程FBG应变、裂纹传感器”(申请号：CN201110091992.X)是一种混凝土材料封装的混合量程FBG应变、裂纹传感器。东莞理工学院的专利“基于二维同轴布拉格结构的应变传感器”(申请号：CN201610389770.9)是一种基于二维同轴布拉格结构的应变传感器。郑州大学的专利“一种柔性可穿戴应变传感器及其制备方法”(申请号：CN201610327953.8)提供一种柔性可穿戴的应变传感器，适用于大应变下的响应。山东大学的专利“一种混凝土结构物应力应变传感器及其监测方法”(申请号：CN201610079130.8)主要是利用环氧树脂机敏材料基体作为受力构件的传感器。复杂的混凝土结构许多监测点的应力方向难以确定，并会随时间发生变化，目前传感器只能测单一方向的应变，在无法充分了解应力场基本情况时，很难有效评估该类结构的受力状态。另外混凝土材料会受到温度和收缩等变形的作用，变形机理复杂，作用到传感器上的许多变形在混凝土结构内部不产生应力，但会引起传感器读数变化，使实际监测到的数据多数成为无效值。在埋入式传感器监测原理及数据分析方面主要集中在温度作用下的测量原理及修正。如中南大学陈常松等认为对无约束状态下埋入式振弦传感器测量应变是由自身与混凝土试件线膨胀系数差导致，并以此建立约束状态下振弦式应变计的温度影响修正公式。福州大学王国杰等把监测到的应变数据直接减去无约束自由应变和温度修正应变，来定义混凝土内部应力应变。天津大学亢景付等通过室内试验的方法，测量温度变化下埋入式应变传感器实测应变与混凝土试件应变的关系，提出了基于混凝土应变计观测数据的温度应力计算公式。剑桥大学YuGe等在混凝土梁中埋入不同种类传感器，在不同温度下表现出差别，并认为是由于传感器与混凝土的不同结合效果造成的。武汉大学瞿立新等通过在混凝土浇筑仓表面埋设多向应变计组及无应力计，利用应变计监测到实际应变扣除无应力计监测值来计算混凝土内部实际应力，再结合有限元模型模拟和试验数据进行开裂风险评估。其中的无应力计由应变计和无应力桶组成，无应力筒主要由薄铁皮组成，不能够满足空气和水分在混凝土内部有效流通，与实际混凝土的收缩变形势必存在一定差别，使用起来需要分别固定，也较为不方便。因此，面对复杂混凝土构件中不同方向的拉压应力、剪应力，以及温度和收缩变形干扰，需要一种能过滤掉非荷载作用变形，满足不同方向应变的监测，使用更加方便的测量装置及评估体系。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的一种混凝土结构组合式应变监测单元及其状态评估方法是为解决混凝土结构复杂应力场下的状态监测评估而设计的，自身消除混凝土温度和收缩应变的无效应变同时，测量不同方向的应变，计算剪应变，精确地描绘出混凝土单元变化形状，对混凝土结构健康监测具有重要的意义。本专利技术通过如下技术方案实现：一种混凝土结构组合式应变监测单元，包括一正方体主体，所述正方体主体的各条边及各面的一条对角线上布有共计18个振弦应变传感器，各振弦应变传感器两端通过连接杆和螺旋弹簧分别与位于正方体主体八个顶角处的螺栓球节点螺纹连接；所述正方体主体内部居中固定设置有圆筒状隔离筒，所述隔离筒底部封闭，顶部开口，筒壁由外向内依次包括弹性隔离网、透水透气层、弹性隔离网，所述隔离筒内居中设置基准传感器，用于测量无荷载下的混凝土温度及收缩应变。进一步地，所述振弦应变传感器的直径≤20mm，壁厚≤1mm，轴向单位面积变形刚度为2.0～4.0×107kN/m3。进一步地，所述连接杆为中空结构，用于数据线从中穿过，4-5条数据线汇集后集中从一个螺栓球节点出来。进一步地，所述隔离筒的顶部、底部和侧面均设置有骨架，同时，所述隔离筒的顶部、底部通过连接杆与螺栓球节点进行固定连接。进一步地，所述弹性隔离网采用塑料隔离网，所述塑料隔离网的网眼直径≤5mm，所述透水透气层依次包括滤纸层、土工布层、滤纸层。进一步地，所述的基准传感器的型号与所述振弦应变传感器相一致。一种基于所述混凝土结构组合式应变监测单元的状态评估方法，包括步骤：S1、通过数据采集器监测所述正方体主体各边及面上传感器的应变数据；S2、把监测到的18个振弦应变传感器的应变数据减去基准传感器测量到的混凝土温度和收缩应变，得到每一个振弦应变传感器的产生应力的应变值其中i＝0,1,2，……18；εi为振弦应变传感器直接测量到的应变值，ε0基准传感器测量的混凝土温度和收缩应变；S3、根据所述正方体主体的几何位置关系构建混凝土单元体的三维变形形状，通过得到的各振弦应变传感器的产生应力的应变值计算反映混凝土单元应变状态的参数，包括混凝土单元体各方向的平均应变值、剪应变的值、变形梯度值；S4、将反映混凝土单元应变状态的参数结合混凝土材料的弹性模量、抗压、抗拉强度指标，分析出混凝土结构所处的受力状态，并且根据需要与混凝土破坏准则中指标进行比较，评估混凝土开裂情况。进一步地，步骤S3中，所述的各方向变形梯度值包括X方向变形梯度值、Y方向变形梯度值、Z方向变形梯度值，通过计算每个面上的4条边的和应变(包括产生应力的应变、温度、收缩、徐变等)，与同一方向的另一个面上的值进行比较，计算应变梯度；X方向变形梯度：Y方向变形梯度：Z方向变形梯度：进一步地，步骤S3中，所述的各方向变形梯度值包括X方向变形梯度值、Y方向变形梯度值、Z方向变形梯度值，通过计算每个面上的4条边的和应变，与同一方向的另一个面上的传感器测量值进行比较，计算应变梯度，即利用同一方向两个面的传感器测量值进行比较，每个面4个，比较方法如下：X方向变形梯度：Y方向变形梯度：Z方向变形梯度：进一步地，步骤S3中，所述的剪应变的值是通过位于正方体主体每个面4条边的振弦应变传感器直接测量到的应变值和对角线上振弦应变传感器直接测量到的应变值计算所得：α1、α2为正方体主体监测面被对角线分割的两个角变化的角度，其中，略去高阶项，简化后得：ε对角为正方体主体监测面对角线上振弦应变传感器直接测量到的应变值；ε边正方体主体监测面一条边上振弦应变传感器直接测量到的应变值；ε相邻边为所述监测面相邻边上振弦应变传感器直接测量到的应变值；γ为直角的剪应变。本专利技术能够实现对面对复杂混凝土构件不同方向的受力检测，能过滤掉非荷载作用变形的干扰，通过计算得到的产生应力的应变或者剪应变γ后获得反映混凝土应变状态的主要参数，并结合试验室本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：包括一正方体主体，所述正方体主体的各条边及各面的一条对角线上布有共计18个振弦应变传感器，各振弦应变传感器两端通过连接杆和螺旋弹簧分别与位于正方体主体八个顶角处的螺栓球节点螺纹连接；所述正方体主体内部居中固定设置有圆筒状隔离筒，所述隔离筒底部封闭，顶部开口，隔离筒的筒壁由外向内依次包括弹性隔离网、透水透气层、弹性隔离网，所述隔离筒内居中设置基准传感器，用于测量无荷载下的混凝土温度及收缩应变。

【技术特征摘要】
1.一种混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：包括一正方体主体，所述正方体主体的各条边及各面的一条对角线上布有共计18个振弦应变传感器，各振弦应变传感器两端通过连接杆和螺旋弹簧分别与位于正方体主体八个顶角处的螺栓球节点螺纹连接；所述正方体主体内部居中固定设置有圆筒状隔离筒，所述隔离筒底部封闭，顶部开口，隔离筒的筒壁由外向内依次包括弹性隔离网、透水透气层、弹性隔离网，所述隔离筒内居中设置基准传感器，用于测量无荷载下的混凝土温度及收缩应变。2.根据权利要求1所述混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：所述振弦应变传感器的直径≤20mm，壁厚≤1mm，轴向单位面积变形刚度为2.0～4.0×107kN/m3。3.根据权利要求1所述混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：所述连接杆为中空结构，用于数据线从中穿过。4.根据权利要求1所述混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：所述隔离筒的顶部、底部和侧面均设置有骨架，同时，所述隔离筒的顶部、底部通过连接杆与螺栓球节点进行固定连接。5.根据权利要求1所述混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：所述弹性隔离网采用塑料隔离网，所述塑料隔离网的网眼直径≤5mm，所述透水透气层依次包括滤纸层、土工布层、滤纸层。6.根据权利要求1所述混凝土结构组合式应变监测单元，其特征在于：所述的基准传感器的型号与所述振弦应变传感器相一致。7.一种基于权利要求1至6中任一项所述混凝土结构组合式应变监测单元的状态评估方法，其特征在于，包括步骤：S1、通过数据采集器监测所述正方体主体各边及面上传感器的应变数据；S2、把监测到的18个振弦应变传感器的应变数据减去基准传感器测量到的混凝土温度和收缩应变，得到每一个振弦应变传感器的产生应力的应变值其中i＝0,1,2，……18；εi为振弦应变传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐兆全，范学明，潘志刚，
申请(专利权)人：华南理工大学，华南理工大学建筑设计研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44