一种混凝土结构组合式应变监测单元及其状态评估方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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发明有：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Yu Ge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。

发明内容

针对上述技术问题，本发明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。

本发明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；ε_i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。

本发明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，并结合试验室中混凝土材料的弹性模量、抗压、抗拉强度等指标，可以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，结构简单、使用方便且更加精确真实。

附图说明

图1为本发明实施例的一种混凝土结构组合式应变监测单元立体示意图；

图2为本发明实施例的监测单元的侧面结构示意图；

图3为本发明实施例的监测单元的顶面结构示意图；

图4为本发明实施例的监测单元的内部结构示意图；

图5为本发明实施例的传感器布置及编号说明；

图6为本发明实施例的监测单元体顶面计算剪应变示意图；

图7为本发明实施例的某混凝土墙体浇筑中埋设监测单元示意图；

图8为本发明实施例的某混凝土墙体浇筑中埋设监测单元中A处的可能发生的立面变形及监测示意图；

图9为本发明实施例的某混凝土墙体浇筑中埋设监测单元中B两处的可能发生的立面变形及监测示意图。

图中：1～18-各振弦应变传感器编号；19-振弦应变传感器；20-螺栓球节点；21-螺旋弹簧；22-连接杆；23-隔离筒；24-数据线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

如图1至图4所示，一种混凝土结构组合式应变监测单元，包括一正方体主体，边长150～250mm，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19，各振弦应变传感器两端通过连接杆22和螺旋弹簧21分别与位于正方体主体八个顶角处的螺栓球节点20螺纹连接，螺旋弹簧21具有远远小于混凝土的弹性模量，能够在安装初期不发生较明显变形的情况下支承传感器和连接杆22的重量，并方便与两端的连接杆22相连接；边上的振弦应变传感器19用于测量三个相互垂直方向的拉压应变，面对角线上的振弦应变传感器19测量斜向变形；所述正方体主体内部居中固定设置有圆筒状隔离筒23，所述隔离筒23底部封闭，顶部开口，用于灌筑混凝土。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，所述的基准传感器的型号与所述振弦应变传感器19相一致。本实施例借鉴“无应力计”的特点，所述正方体主体内部集成化设置隔离筒，筒中设置基准传感器，用于测量无荷载下的混凝土温度及收缩应变。

具体而言，本实施例中，为减小应变监测单元的整体重量，保证安装初期的位置固定，防止弹簧被压弯，采用弹簧固定连接传感器时不会发生较明显的移位，各传感器重量不宜过大，所述振弦应变传感器19的直径≤20mm，壁厚≤1mm，轴向单位面积变形刚度为2.0～4.0×10⁷kN/m³，从而保证与混凝土弹性模量接近，减少误差，所述振弦应变传感器19技术成熟、误差小和稳定性强，量程±1000με，并配备相应数据采集仪。

螺栓球节点20在3个相邻面上留有6个螺栓连接孔，但除了顶面、底面需用于固定内置隔离筒外，其余螺栓球节点的连接杆≤5，即同一节点面对角线连接杆设置不超过2个。选材时，螺栓球节点具有足够大的直径，1/8个球面内可设置6个直径5mm的螺栓孔，能够与连接杆相匹配。

具体而言，本实施例中，所述连接杆22为中空结构，用于数据线24从中穿过，传感器信号通过导向连接到数据采集仪。导向行走路径为：从各传感器端头穿过连接杆中孔，通过螺旋弹簧21，再穿过两一端连接杆22和螺栓球节点23，4～5条数据线24汇集后集中从一个螺栓球节点20出来。

具体而言，本实施例中，所述隔离筒23的顶部、底部和侧面均设置有骨架，用于固定隔离层，同时，所述隔离筒23的顶部、底部通过连接杆与螺栓球节点进行固定连接，使隔离筒23能够牢固的设在所述正方体主体内部居中位置。

具体而言，本实施例中，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。

隔离筒23外壁材料选用弹性模量远低于混凝土的塑料隔离网，可以有效隔离外部混凝土荷载的作用。内部依次设置土工布和滤纸，保证混凝土内部的水分空气有效流通，保证测量到的混凝土收缩与外界相同。

塑料隔离网网眼直径≤5mm，可隔离5mm直径以上的混凝土粗骨料挤压；滤纸+土工布+滤纸的内部填充，可以有效过滤混凝土中水泥浆体的通过，使土工布隔离层不至于受胶凝材料水化的影响，凝固、硬化。水分和空气流通的同时，保证自身的“超弹性”，隔离荷载作用。

整个混凝土结构组合式应变监测单元应在混凝土浇筑前保持牢固、稳定，并能够承受一定流动混凝土的冲击。

现场安装本实施例时，需要注意如下事项：

①根据混凝土结构特点，利用经验和有限元分析软件等方法对结构可能存在的应力集中或重要的地方进行确定，合理布置监测单元的位置，如图7所示；

②在钢筋绑扎好后，根据选定的安装位置，把监测单元固定；

③固定时可以利用现有钢筋，采用钢丝把螺栓连接点与钢筋进行绑扎固定；测量底部边界的可以采用垫块进行支撑固定；顶部位置可以在混凝土浇筑至再进行放置固定；

④外侧各传感器外边缘距离自由混凝土面保持50mm以上；

⑤安装监测单元位置存在浇筑混凝土落差较大情况，为防止混凝土对仪器的猛烈冲击，需在监测单元的顶部一定区域设置遮挡物，使混凝土从侧向缓缓流入监测单元内部；

⑥安装后需详细记录各传感器实际编号和数据采集孔位的对应关系(见图5)。

数据采集

①应变监测单元安装的同时，在其中设置温度传感器，跟随监测单元同频率监测温度数据，用于评估温度变形在其中的作用程度；

②大体积混凝土浇筑早期(约3～7天)，水化、收缩等变形剧烈，混凝土特性发展较快，监测频率建议采用次/1h；随着混凝土龄期发展可逐渐减小频率；

③对于监测和研究时段在服役中的梁、墙等主要的受力构件，可以不用考虑浇筑早期的数据波动，选择后期的某个时段做为分析重点；

④数据采集仪、数据线的位置和布局应合理安排，避免受到其它施工、环境的干扰。并能够根据设定的频率自动搜集、储存数据。

实施例二

一种基于所述混凝土结构组合式应变监测单元的混凝土状态评估方法，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，因许多振弦式传感器测量到数据为振动频率，可根据厂家提供的转换公式、标定的参数转换成应变数据；

S2、把监测到的18个振弦应变传感器19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19的产生应力的应变值

其中i＝0,1,2，……18；ε_i为振弦应变传感器19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19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。

具体而言，步骤S3中，所述的各方向的平均应变值包括X方向平均应变值、Y方向平均应变值、Y方向平均应变值，“笛卡尔坐标系”下三个相互垂直的方向各有4个传感器，即对每个方向的4个产生应力的应变进行平均，计算时利用同一方向应变值的平均值确定该区域某方向的平均应变情况，计算方法如下：

X方向平均应变：

Y方向平均应变：

Z方向平均应变：

具体而言，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，在大体积混凝土中，温度和收缩变形变化剧烈，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，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：

具体而言，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19直接测量到的应变值和对角线上振弦应变传感器19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，以监测单元体顶面为例，如图6所示，计算方法如下：

略去高阶项，简化后得：

ε₁₃为正方体主体顶面对角线上振弦应变传感器1直接测量到的应变值；ε₁为正方体主体顶面一条边上振弦应变传感器19直接测量到的应变值；ε₂为所述顶面相邻边上振弦应变传感器19直接测量到的应变值；γ为直角的剪应变，计算出该面上的剪应变后，可绘制出形状变形示意图，如图8和图9所示。

3个方向的应变、剪应变获得后，可以利用弹性力学知识，试验室中的弹性模量等数据，计算该单元的第一、第二、第三主应力、剪应力等。

把每个时间点的应变值整理，制成随时间变化曲线，掌握受力状态随时间发展的过程。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。