一种高性能结构动静态转角仪及其测量方法技术

一种高性能结构动静态转角仪，由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成。本发明专利技术高性能结构动静态转角仪可以采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，各个待测构件包含的长标距应变传感单元的数目根据测量要求及现场条件而制定。本发明专利技术高性能结构动静态转角仪及其测量方法，能够实现对大范围内结构实时转角变化的感知，实现结构弹塑性分析，以达到对结构安全性能评估的目的。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种高性能结构动静态转角仪，由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成。本专利技术高性能结构动静态转角仪可以采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，各个待测构件包含的长标距应变传感单元的数目根据测量要求及现场条件而制定。本专利技术高性能结构动静态转角仪及其测量方法，能够实现对大范围内结构实时转角变化的感知，实现结构弹塑性分析，以达到对结构安全性能评估的目的。【专利说明】
本专利技术涉及了 一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术，尤其涉及了 一种基于分布式应变传感的高性能结构动静态转角仪及其测量方法。
技术介绍
随着我国基础建设的高速发展，结构健康监测系统及其相关技术正广泛应用于土木工程的重大或复杂结构。受弯构件是工程结构中常见的构件之一，转角是评价其安全性能的重要指标。目前常用的转角测量仪器有，经纬仪，水准仪，姿态仪和电解液倾斜仪等。但因为受测量仪器内传感元件自身摆动频率、稳定性以及测量成本的影响，这些仪器都不适用于连续的动态监测或者大范围的多点测量。此时，设计研究出一种可信度高的适合大型结构的转角监测及测量方法显得尤为重要。目前在大型结构健康监测中，越来越多的研究侧重于分布式应变测量。分布式应变测量可以通过长标距应变传感器，进行大范围的连续静态和动态应变测量，来实现描述结构中局部和整体变形。但是分布式应变测量本身是一种监测应变变化的检测手段，目前还没有有效的通过应变来实现受弯构件转角计算的系统和方法。为了对大型结构中受弯构件的健康状况实施可靠的监测和监测，需要有一种能够有效建立分布式应变测量和转角关系的计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是在综合分布式应变测量，提供，实现对大范围内结构实时转角变化的感知，实现结构弹塑性分析，以达到对结构安全性能评估的目的。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案:一种高性能结构动静态转角仪，所述转角仪由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成。所述长标距应变传感单元由能实现反应标距内平均应变变化特征值的长标距应变传感器组成。所述长标距应变传感器为长标距光纤或者碳纤维应变传感器。所述转角仪采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，所述各个待测构件包含的长标距应变传感单元数目根据测量要求及现场条件而制定。所述各个待测构件内长标距应变传感单元数目不大于三，长标距应变传感单元水平间隔不小于2厘米。所述待测构件是一种或多种材料组成的柱或梁的受弯构件。本专利技术为实现上述目的，采用还如下技术方案:一种高性能结构动静态转角仪的测量方法，所述测量方法包括以下步骤:步骤一:根据监测对象结构的类型和几何尺寸，将监测对象结构中的各构件划分为长标距应变传感单元，并布设分布式应变传感网络；步骤二:根据传感网络测量各构件内长标距应变传感单元的初始应变分布，如某一构件内长标距应变传感单元数目大于I需按其在构件内水平位置划分子传感单元；步骤三:根据各构件内长标距应变传感单元内的实测应变变化，并计算构件端部对应的转角；步骤四:叠加以上步骤获得的各构件转角，整合结构内各节点的转角。在步骤二中所述的初始应变值是由长标距应变传感器测量获得，所述长标距应变传感器布设时贯穿结点位置。当某一构件内长标距应变传感单元数目等于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤:步骤a:根据长标距应变传感单元的应变变化及对应构件的受力模型，整合构件内弯曲应变分布；步骤b:根据纤维模型赋予长标距应变传感单元端部对应截面的应变分布，并迭代计算该截面内中性轴高度；步骤c:根据以上步骤获得的中性轴高度、应变分布，计算长标距应变传感单元端部对应截面的曲率；步骤d:根据截面内曲率及构件内对应位置，叠加计算长标距应变传感单元端部对应转角。在步骤b中所述的中性轴高度迭代计算，具体包括以下步骤:步骤1.在长标距应变传感器对应的截面内从压缩侧到张拉，以微小间隔将截面划分为层次，并依次将所述各层假定为中性轴；步骤I1.根据构件受弯区应变分布，按照步骤I假定的中性轴位置，依据平截面假定原理，赋予截面内各层对应的应变值；步骤II1.根据材料应力-应变本构关系，分别计算该截面内混凝土、钢筋以及各种材料对应的应力；步骤IV.根据计算获得的应力，分别计算截面内的压缩侧和张拉侧的内力；步骤V.依次重复第I步到第IV步的循环，直至截面内合力为零，停止循环，记录该点对应的中性轴位置；步骤V1.利用步骤V获得的中性轴位置和对应的应变，计算截面内的曲率；步骤νπ.根据截面内曲率和对应的位置，获得构件弯曲转角。当某一构件内长标距应变传感单元数目大于一时，在步骤三中所述的转角计算方法包括以下步骤:步骤a:根据各子传感单元的应变变化及构件组成材料本构关系，判断是否出现塑性变形；步骤b:根据子传感单元的几何尺寸，计算单元结点处刚体转角；步骤c:根据以上步骤获取的单元刚体转角，按照叠加原理获取构件端部的转角增量。所述测量方法满足线性的计算要求，同时满足混凝土开裂或钢筋屈服的非线性计算要求。本专利技术具有如下有益效果:(I)根据受弯构件端部测量的应变值，整合受弯区应变分布，以消除构件在受轴向张拉或压缩产生的应变变化；(2)根据弯曲应变分布，以实现柱或梁等受弯构件的高精度转角计算；(3)根据纤维模型将截面细分化，构件内多种材料作为独立的模型进行考虑，降低了计算模型的复杂性，满足了诸如混凝土开裂或钢筋屈服等非线性计算的要求；(4)通过节点处应变计算裂缝宽度，以满足构件单元出现刚体转角时计算误差；(5)通过动静态分布式应变传感，以满足静态或动态转角测量的要求，为实现实时的动静态转角监测提供解决方法。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术高性能结构动静态转角仪的上视剖面图(左)。图2是本专利技术高性能结构动静态转角仪内封装式轴向剖面图(右上)。图3是本专利技术高性能结构动静态转角仪外封装式轴向剖面图(右下)。图4是构件内传感单元及转角仪尺寸示意图。图5是大型结构中转角仪分布布设示意图。其中:1-长标距应变传感单元；2_底板；3_连接跳线；4_受弯构件；5_支承构件；6_结合处；7-跨中；8_转角仪单元；I1-转角仪外侧到边缘距离；12-转角仪内侧到边缘距离；A-构件受拉侧；B-构件受压侧；C-单元水平宽度；D-变形前单元高度；E-变形后单元高度；【具体实施方式】下面结合实例对本专利技术的技术方案进行详细说明:请参照图1至图3所示，本专利技术高性能结构动静态转角仪是由一组或多组长标距应变传感单元I平行分布在底板2上，并整体封装而成。其中长标距应变传感单元I由能实现反应标距内平均应变变化特征值的长标距应变传感器组成，如长标距光纤或者碳纤维应变传感器。请参照图1至图3并结合图4所示，本专利技术高性能结构动静态转角仪可以采用预埋或者全面张贴或者两端张贴的方式，安装在各个待测构件上，各个待测构件包含的长标距应变传感单元I的数目根据测量要求及现场条件而制定。各个待测构件内长标距应变传感单元I的数目不应大于三，单元水平间隔不小于2厘米。对于截面较小的待测构件，可采用单根长标距应变传感单元组成转角仪。如需要满足待测构件内转角分布测量要求时，根据待测构件竖直方向长度，可采用多根长标距应变传感单元分布串联组成转角仪。对于截本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能结构动静态转角仪，其特征在于：所述转角仪由一组或多组长标距应变传感单元平行分布在底板上，并整体封装而成；所述长标距应变传感单元由能实现反应标距内平均应变变化特征值的长标距应变传感器组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴智深，黄璜，
申请(专利权)人：东南大学，江苏绿材谷新材料科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：