一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，本方法针对锚具的损伤监测传统方法中测点布置不够精确的问题提出的一种新型传感器布点方式。首先，通过理论推导构建出锚具的轴向应力/应变分布梯度函数，根据海森矩阵法对应变梯度分布函数求极值点，将极值点作为传感器布置点，确定传感器布置点的位置与间距；其次，构建传感器与被监测结构之间的界面应力分布函数，根据传感器布置点处的应变大小，优化该布置点处CFRP传感器的布置尺寸；最后，通过上述理论推导，构建出基于分布式传感理念的传感器布点方式，便于在后期工程实践中快速、准确的确定CFRP传感器布点。准确的确定CFRP传感器布点。准确的确定CFRP传感器布点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法


[0001]本专利技术属于土木工程桥梁缆索的结构健康监测领域，尤其涉及一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法。

技术介绍

[0002]针对在役大跨桥梁缆索结构健康状况的监测，接触式结构健康监测方法是在锚具内部或表面黏贴传感元件(电子类应变计、光纤FBG传感器)，从而对结构的安全性能进行监测预警。传统接触式监测方式的传感器布点一般采用轴向等距或者轴向阵列的方式，但这种监测方式存在监测区域分区不清晰，测点布置不够精确等问题。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，本申请根据锚具受力特征，构建其应力/应变分布的梯度函数；通过分析有限元模拟锚具受力后的应力分布，基于分布式传感理念与应力/应变分布的梯度函数确定锚具上的传感器布点；再通过理论推导构建传感器与被监测结构之间的界面应力分布函数，确定每个传感器布点处的CFRP传感器的尺寸。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，根据锚具受力特征，构建锚具的应力/应变分布的梯度函数；
[0007]步骤2，根据海森矩阵法对应力/应变分布梯度函数求极值点，所述极值点为传感器布置点；
[0008]步骤3，基于传感器布置点处的正应力、剪应力以及传感器长度构建传感器与被监测结构之间的界面应力分布函数，基于界面应力分布函数确定每个传感器布置点处CFRP传感器的布置尺寸。
[0009]进一步，所述锚具的应力/应变分布的梯度函数表示为：ε(x)
l
＝ax
l3
+bx
l2
+cx
l
+d
[0010]其中，a是梯度函数中三次项系数；b是梯度函数中二次项系数；c是梯度函数中一次项系数；d是梯度函数中常数项系数；x
l
为任意位置处的应力梯度长度。
[0011]进一步，所述界面应力分布函数表示为：
[0012]dσ
cg
(x)
·
b
cg
·
h
cg
＝τ(x)
·
b
cg
·
dx
[0013][0014]其中，τ(x)为传感器布置点处剪应力；C1、C2分别为常数项；M为关于传感器、粘结剂的材料参数；b
cg
为CFRP传感器的宽度；h
cg
为传感器的厚度；x为第i传感器布置点处CFRP传感器的长度；σ
cg
(x)为CFRP传感器拉应力。
[0015]进一步，利用有限元仿真软件对锚具进行受力仿真，获得传感器布置点处的正应力，将正应力代入界面应力分布函数，获取传感器布置点处的剪应力和CFRP传感器的长度。
[0016]进一步，所述传感器布置点之间的距离关系表示为：
[0017][0018]其中，L(x)
n+1
为第n+1个传感器与第n个传感器之间的间距；H为海森矩阵符号；f[L(x)
n
]为该函数在(x)
n
点处的海森矩阵；为该函数在(x)
n
点处的梯度。
[0019]进一步，对锚具轴向受力进行仿真得到应力分布，选取应力阈值对锚具进行分区；在应力值超过阈值的区域，根据海森矩阵法对应变梯度分布函数求极值点，获取传感器布置点。
[0020]本专利技术的有益效果如下：
[0021]1、本专利技术所提出的一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，本方法中通过理论推导构建出锚具的轴向应力/应变分布梯度函数，根据海森矩阵法对应力/应变分布梯度函数求极值点，并将极值点作为传感器的布置点。相较于现有技术中采用等间距随机设置传感器布置点，本申请将极值点作为传感器的布置点能够保证监测点的测量精度。且本申请在获取布置点之后能够得到布置点之间的位置关系，便于在实际应用中直接确定监测点在锚具上的位置。
[0022]2、本专利技术所提出的一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，本方法中通过分析有限元模拟锚具受力后的应力分布，基于分布式传感理念，根据应力数值的大小对锚具进行分区，且可以仅在应力较高的区域内根据海森矩阵法对应变梯度分布函数求极值点，确定传感器布置点的位置与间距；可以减少传感器的安装数量，节约工程检测中的成本，以及数据处理的工作量。
[0023]3、本专利技术所提出的一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，较其他监测方法，本方法中通过理论推导，构建传感器与被监测结构之间的界面应力分布函数，根据传感器测点的应变大小，优化传感器的布置尺寸。
[0024]4、本专利技术所提出的一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，基于分布式传感理念的整套传感器布点方式，具有较好的可行性、优异性与可靠性，可以在未来的大跨/超大跨桥梁的锚固系统中实现监测与预警，为智慧运维提供技术支持。
附图说明
[0025]图1为弧锥型锚具图；
[0026]图2为锚具受力模型图；
[0027]图3为有限元模拟后锚具应力分布图；
[0028]图4为锚具，粘结层，传感器界面受力分析图；
[0029]图5为CFRP传感器分布图；
[0030]图1中：11、锚具定位板，12、螺母，13、锚筒，14、粘结剂，15、CFRP绞线；
[0031]图3中：31、低应力区锚，32、高应力区，33、中应力区，34、自由端，35、张拉端；图5中：51、CFRP传感器。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点表述清楚，下述将结合附图及实施例对本

技术实现思路
进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0033]结合附图1
‑
5，本申请提出了一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，包括如下步骤：
[0034]步骤1，根据锚具受力特征，构建锚具的应力/应变分布的梯度函数。在本实施例中，以弧锥型锚具为例进行说明，弧锥型锚具包括锚具定位板11、螺母12、锚筒13、粘结剂14、CFRP绞线15。
[0035]根据易损性分析理论，将锚筒内侧当作一根水平横梁并将其划分为n个单元，单元i上的轴力为F
i
，则水平横梁单元上的轴力为：
[0036]F
i
‑1＝F
i
+N
i
·
cosθ
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0037]其中，i＝1,2,
…
,n；N
i
是第i个水平横梁上的轴力；θ
i
是第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据锚具受力特征，构建锚具的应力/应变分布的梯度函数；步骤2，根据海森矩阵法对应力/应变分布梯度函数求极值点，所述极值点为传感器布置点；步骤3，基于传感器布置点处的正应力、剪应力以及传感器长度构建传感器与被监测结构之间的界面应力分布函数，通过界面应力分布函数确定每个传感器布置点处CFRP传感器的布置尺寸。2.根据权利要求1所述的一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，其特征在于，所述锚具的应力/应变分布的梯度函数表示为：ε(x)
l
＝ax
l3
+bx
l2
+cx
l
+d其中，a是梯度函数中三次项系数；b是梯度函数中二次项系数；c是梯度函数中一次项系数；d是梯度函数中常数项系数；x
l
为任意位置处的应力梯度长度。3.根据权利要求1所述的一种适用于锚具结构健康监测的CFRP传感器布点方法，其特征在于，所述界面应力分布函数表示为：dσ
cg
(x)
·
b
cg
·
h
cg
＝τ(x)
·
b
cg
·
dx其中，τ(x)为传感器布置点处传感器与锚具间界面的剪应力；C1、C2分别为常数项；M为关于传感器、粘结剂的材料参数；b
cg
为CFRP传感器的宽度；h
cg<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣桂，经正男，刘聃，李十泉，李颖，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：