一种工程监测用高精度结构位移测量方法

摘要

本发明公开了一种工程监测用高精度结构位移测量方法，包括标准节段的制作与安装；各标准节段应变数据的采集与传输；由应变值推测结构位移的编程实现；结构位移显示与数据存储。本发明一种工程监测用高精度结构位移测量方法，可实现各类工程结构物在不同场地条件下结构位移的有效测量；该测量方法具有原理明确、实施难度低、材料易取、制作简便和测量精度高等优点，克服了原有结构位移测量装置难以实现多点同步测量或测量成本极大的问题，在保证测量精度的情况下大幅度降低了结构位移的观测难度与硬件成本，为工程结构物施工及运营管理过程提供了有效位移监测手段。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程监测用高精度结构位移测量方法，适用于各类工程结构施工、运营阶段结构变形、土体位移的实时监测。

背景技术

在土木工程施工和运营过程中，工程结构关键构件的变形、土体的水平位移及沉降是进行施工控制、安全预警的重要指标性。例如：连续梁桥悬臂施工过程中，悬臂端竖向挠度关系到桥梁能否顺利合龙；高层结构在风荷载作用下，顶层最大水平是保障结构安全、控制舒适度的重要参数；桥梁结构通车前进行静载测试时，需要验证结构跨中竖向挠度值是否满足规范标准的要求；在基坑施工过程中，围护桩及周围土体的水平位移直接表征基坑围护体系的安全性与稳定性。

目前，对这些变形和位移参数进行测量的主要手段有：全站仪、GPS、激光测量仪、测斜仪等，这些传感器均能在某些方面对目标变形或位移进行较为精确的测量，但是各自均有尚无法克服的缺点。全站仪难以实现多点连续实时监测，GPS和激光测量仪价格过于昂贵，测斜仪仅可用于测量土体水平向位移且测量精度有限。更为重要的是，这些仪器仅拥有单一的测量功能，无法实现上部结构、下部结构各方向位移的有效实时测量。可见，对工程监测用结构位移测量技术的更新换代势在必行。

应变是可以反映结构变形特性的重要参数，与结构的位移间存在着非常密切的联系。但是，应变与结构位移间尚未有明确的关系式，且温度、磁场、节点连接等环境因素对应变测量结果干扰较大，因而仍未有利用应变监测实现结构位移测量的实例存在。值得注意的是，近些年随着低温敏材料和光纤光栅技术的突破性进展，温度影响、噪声干扰、数据传输等固有难题迎刃而解，应变测量技术取得了革命性的更新换代，测量精度和灵敏度大幅度提升，基于应变的结构位移测量迎来了发展与应用的契机。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可以满足各类工程结构物不同部位不同方向位移的测量需求，能准确测得工程结构物在施工/运营过程中的实时变形状态的工程监测用高精度结构位移测量方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明一种工程监测用高精度结构位移测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，标准节段的制作与安装：

根据待测结构的特征对标准节段的高宽比、截面类型、截面尺寸和材料进行设计，在节间外边缘布置轴向应变传感器；将n个标准节段按序号依次进行刚性连接，确保使其随待测结构变形而变形，在1号节段的底部安装水平倾角监测传感器；

第二步，各标准节段应变数据的采集与传输：

通过光纤进行远距离数据传输，基于虚拟仪器软件LabVIEW编制数据采集平台，并引入输出数据的本地值进行数据滤波处理，实现应变数据的有效采集；

第三步，由应变值推测结构位移的编程实现：

根据细长杆件弯曲变形理论，推导结构位移测试表达式，并基于LabVIEW编制实现程序，并将该程序导入中央控制芯片，同时实现界面的可视化；其中通过轴向应变传感器测量标准节段两侧纤维的应变，并从两侧纤维的应变差值的角度推导得到标准节段顶端截面转角θ_p，从而得到节段中线顶端的水平位移Δx；在推导得到标准节段的水平位移后，进一步进行待测结构位移的推导得到第i节段绝对转角θ_i和第i个节点的位移ΔX_i；

第四步，结构位移显示与数据存储，将中央控制芯片计算得到的结构位移数据转化成光信号，通过光纤远距离传输至监测控制室，采用检波器将光信号转化为数字信号，利用第三步中的可视化界面进行结构位移的实时显示，并将位移数据存储至大容量硬盘中。

其中，所述第一步中标准节段的截面类型为圆形或正方形，节段高宽比为4～6，材料为硬聚氯乙烯、碳纤维和铝合金；轴向应变传感器为光纤光栅轴向应变传感器，安装于标准节段中间位置；进行节段连接与安装时，所述1号节段底部的水平倾角监测传感器的安装时的初始读数为0。

优选的，其特征在于：所述步骤三中，轴向应变传感器测量标准节段两侧纤维的应变分别为ε₁和ε₂，标准节段两侧纤维长度的差值Δl为：

其中，L₀为标准节段的长度；标准节段顶端截面转角θ_p为：其中D为沿待测位移方向标准节段的厚度；节段中线顶端的水平位移Δx为：

进一步，所述步骤三中第i节段绝对转角θ_i为：其中θ₀为1号标准节段基底截面转角，ε_j1和ε_j2为第j个标准节段两侧纤维的应变；结构从底部向上第i个节点的位移ΔX_i为：

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明一种工程监测用高精度结构位移测量方法，可实现各类工程结构物在不同场地条件下结构位移的有效测量；该测量方法具有原理明确、实施难度低、材料易取、制作简便和测量精度高等优点，克服了原有结构位移测量装置难以实现多点同步测量或测量成本极大的问题，在保证测量精度的情况下大幅度降低了结构位移的观测难度与硬件成本，为工程结构物施工及运营管理过程提供了有效位移监测手段。

附图说明

图1是本发明的技术流程图；

图2是本发明的标准节段构造图；

图3是本发明的标准节段变形示意图；

图4是本发明的应变-转角换算原理示意图；

图5是本发明标准节段杆件正方形截面示意图；

图6是本发明标准节段杆件圆形截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种工程监测用高精度结构位移测量方法，包括以下步骤：

第一步，标准节段的制作与安装：

根据待测结构的特征对标准节段的高宽比、截面类型、截面尺寸和材料进行设计，在节间外边缘布置轴向应变传感器；将n个标准节段按序号依次进行刚性连接，确保使其随待测结构变形而变形，在1号节段的底部安装水平倾角监测传感器；

第二步，各标准节段应变数据的采集与传输：

通过光纤进行远距离数据传输，基于虚拟仪器软件LabVIEW编制数据采集平台，并引入输出数据的本地值进行数据滤波处理，实现应变数据的有效采集；

第三步，由应变值推测结构位移的编程实现：

根据细长杆件弯曲变形理论，推导结构位移测试表达式，并基于LabVIEW编制实现程序，并将该程序导入中央控制芯片，同时实现界面的可视化；其中通过轴向应变传感器测量标准节段两侧纤维的应变，并从两侧纤维的应变差值的角度推导得到标准节段顶端截面转角θ_p，从而得到节段中线顶端的水平位移Δx；在推导得到标准节段的水平位移后，进一步进行待测结构位移的推导得到第i节段绝对转角θ_i和第i个节点的位移ΔX_i。

第四步，结构位移显示与数据存储，将中央控制芯片计算得到的结构位移数据转化成光信号，通过光纤远距离传输至监测控制室，采用检波器将光信号转化为数字信号，利用第三步中的可视化界面进行结构位移的实时显示，并将位移数据存储至大容量硬盘中。

本实施例以X方向水平位移测量为例，对本发明的方法作详细说明：

对长度L₀的等截面标准节段而言，当其所附着的待测结构产生水平位移ΔX后，标准节段将因受横向剪力而弯曲，产生水平位移。其中，标准节段中心轴顶端的水平位移与其所附着结构物的水平位移相同，如图3所示。由于标准节段的长度较小，弯曲产生水平位移是微小的，可假定其中性轴仍为直线。考虑到中性轴与顶端截面垂直，因弯曲产生的节段中线顶端的水平位移Δx可通过标准节段顶端截面转角θ_p求得，如图4所示。

本发明通过光纤光栅轴向应变传感器测量标准节段两侧纤维的应变，如图2所示，并从两侧纤维应变差值的角度推导得到标准节段顶端截面转角θ_p，从而得到标准节段中线顶端的水平位移Δx，具体推导过程如下：

安装于两光纤光栅传感器SX1和SX2测得的应变分别为ε₁和ε₂，则标准节段两侧纤维长度的差值Δl为：

标准节段产生的变形是微小的，则标准节段顶端截面转角θ_p为：

式中，D为沿待测位移方向标准节段的厚度。

进一步地，标准节段中线顶端的水平位移Δx为：

在推导得到标准节段的水平位移计算公式后，即可根据实际测量杆件的安装标准进一步进行待测结构位移的推导。

本发明将n个标准节段按序号依次进行连接，不同节段之间进行刚接。其中，在1号节段底部安装有水平倾角传感器，安装时确保其初始读数为0。

当被测结构物发生横向变形时，每个标准节段的轴向应变传感器均会测得对应的应变值ε_i1和ε_i2(i＝1、2…n，共n节)。由式(2)可得到第i个标准节段的相对转角Δθ_i为：

式中，ε_i1和ε_i2第i个标准节段两侧纤维的应变。

在测量过程中，1号标准节段基底截面转角为θ₀，那么第i号标准节段的绝对转角θ_i为：

此时θ_i≈sinθ_i不再成立，从底部向上各个节点的横向位移ΔX_i为：

上面仅介绍了X方向位移的测量原理，Y方向和Z方向的位移测量原理与X方向位移的测量原理相同。

其中，标准节段的截面类型为圆形或正方形，如图5和图6所示；节段高宽比宜为4～6，材料选取轻质、强度足、韧性好、价格低的材料，如硬聚氯乙烯材料、碳纤维、铝合金等；轴向应变传感器为光纤光栅轴向应变传感器，安装于节段中间位置；进行节段连接与安装时，需要保证1号节段底部倾角传感器的读数为0。