一种大型工程结构变形全时全域在线监测装置及方法与流程

1.本发明属于结构安全监测技术领域，具体涉及一种工程结构变形全时全域在线监测装置及方法。


背景技术：

2.近年来，我国基建工程发展迅速，为我国经济发展奠定了良好基础。但基础建设工程大多以钢筋混凝土为主体结构，在外界复杂荷载作用下，极易出现沉降、拱塌、错台、滑移等变形病害，直接影响到工程结构的使用寿命和服役安全。因此，迫切需要寻找有效的检测方法及时掌握工程结构健康状态。但是，目前我国的大型工程结构状态检测、维修大多是定期检修或者事后修复的方式，运营护养和维修的成本高、效率低，无法保证监测的实时性。对于养护管理部门来说,将面临着越来越繁重复杂的任务，已经无法适应智能建造快速发展的需要。因此，迫切需要利用新技术和新方法，提升基础设施大型工程结构的安全监测水平，为实现工程结构智能运维管理提供科学数据。
3.随着计算机性能的逐步提升和智能分析算法研究的日趋完善，为安全监测系统中的信息分析和处理提供了良好的技术储备，因此构建安全监测系统的关键在于如何获取实时、全面、准确的信息。大型工程结构监测需求覆盖范围广、传感监测规模大、传输距离远等技术难题，是导致大型工程结构状态信息难以全面检测和获取的主要瓶颈。此外，大型工程结构变形量检测的精度要求高，例如高速铁路轨道板翘曲变形量超过1mm时就要预警，超过3mm时就需要对其进行维修处理，给监测系统提出了更大的挑战。
4.光纤传感器由于具有长期稳定性佳，信号可远程传输，易于组网，抗电磁干扰等优势，已逐步取代长期稳定性难以得到保证的电类传感器，在桥梁、隧道、机场、铁路等领域的长期健康监测中被广泛采用。目前，光纤传感技术中具有代表性的是两类：基于波分复用的光纤光栅传感技术和基于时分复用的分布式光纤传感技术。然而，在面向大型工程结构变形实用化应用需求时，还存在以下问题：
5.(1)基于波分复用的光纤光栅传感技术可实现高精度测量，但是由于受光源带宽的限制，另外需要对每个传感点单独设计制作传感装置，并逐个施工安装，工程作业任务量大，难以实施组建大规模传感网络。
6.(2)基于时分复用分布式光纤技术，由于突破了光源带宽的限制，极大提高了单根光纤上传感点的复用容量，但是该技术在测点规模、检测精度、空间分辨率等方面存在相互制约性，即在开展大规模分布式多点监测时，难以实现高精度的测量。
7.光纤传感技术最新的研究热点：大容量光纤光栅阵列传感器，采用波分和时分混合复用原理，同时具备测量精度高和复用容量大的优点，为实现高精度、长距离、大容量的传感检测提供了潜在的解决手段。但是目前光纤光栅阵列传感器工程应用主要是在温度和振动检测方面，如何实现大范围、高精度变形位移检测尚存在问题。


技术实现要素：

8.本发明针对大型工程结构变形监测要求覆盖范围广、传感规模大、精度要求高的技术难题，提供了一种基于光纤光栅阵列传感大型工程结构变形全时全域监测方法及系统。
9.本发明采用如下技术方案：
10.一种大型工程结构变形全时全域在线监测系统，包括交叉布设的光纤光栅阵列应变传感光缆、光纤光栅阵列解调仪表、计算机。所述光纤光栅阵列应变传感光缆连续交叉布设，形成n个变形检测单元，实现大型工程结构大范围、高精度变形量监测。针对不同应用场景采用不同安装工艺和方法：
11.(1)针对新修大型工程，将光纤光栅阵列光缆固定在被测结构上的方法为：结构浇筑混凝土之前，将阵列光栅应变传感光缆连续交叉捆扎于钢筋上，然后将其与混凝土结构浇筑成一体。
12.(2)针对被监测的既有大型工程，将光纤光栅阵列光缆固定在被测结构上的方法有2种：
13.a)被测结构表面粘贴固定。首先利用线卡将阵列光栅应变传感光缆连续交叉布设定位在被测结构表面，在定位好的阵列光栅应变传感光缆上涂上结构胶，并加装盖板保护。
14.b)被测结构表面加装张紧装置。利用n 1个张紧装置将光纤光栅应变传感光缆固定在被测工程结构上，并使光纤光栅应变传感光缆处于张紧状态，用于感知大范围、长距离结构变形产生的应变。
15.所述张紧装置包括底板、光缆夹块、张紧螺栓、开口金属管。底板直接与被测工程结构连接固定，利用螺栓将光缆夹块安装于底板上，并通过张紧螺栓调整光纤光栅应变传感光缆张紧度。
16.所述底板上有2个槽孔、2个凸台结构。2个槽孔用于将其固定在被测工程结构上，2个凸台分别与2个光缆夹块连接。
17.所述光缆夹块两端均有光缆夹紧结构，将光缆套上开口金属管后放入夹紧结构中并压紧。
18.所述光缆夹块和凸台中间均有通孔，使它们的通孔同轴，并用张紧螺栓连接。
19.所述张紧螺栓用于拉动光缆夹块，实现光缆张紧度的调整，所述底板上凸台两侧均有2个螺纹孔，所述光缆夹块通孔的两侧各有2个导向槽孔。待光缆夹块拉动至预期位置，利用该螺纹孔与导向槽孔将光缆夹块定位锁死。
20.本发明还提供了一种大型工程结构变形全时全域在线监测方法，方案如下：
21.在被测工程结构上设置n个张紧装置作为固定节点，将长距离的光纤光栅阵列应变传感光缆固定在被测工程结构上，固定点间光缆交叉布设，通过传感光缆接入到光纤光栅阵列传感解调仪表中，检测光纤光栅阵列中每个光栅的波长变化。利用上位机软件实时解析仪表波长数据，再依据阵列光栅波长变化与结构间相对位移的映射关系，得到结构变形量，从而实现大型工程结构长距离、大范围变形量的全时、全域监测。
22.上述方案中，所述对大型工程结构变形量的全时、全域监测包括如下步骤：
23.第一步：针对不同应用场景，按照上述方法和工艺将n个光纤光栅阵列连续变形检测单元布设于被测结构上。
24.第二步：将固定节点作为视作监测节点，两个监测节点间的交叉传感光缆形成一个变形量传感检测单元，取第i和第i 1个节点间光缆作为分析对象，令第i和第i 1个节点间距为l
i
，交叉的高度为h，则交叉的2段光缆长度为：
[0025][0026]
当第i 1个节点相对第i个节点的位移量为δx时，则2段光缆长度变化为：
[0027][0028][0029]
相应的应变量为：
[0030][0031][0032]
2段光缆l
1i
和l
2i
的差应变为
[0033][0034]
上式变形得
[0035][0036]
考虑光缆布设的实际情况，节点i 1的变形量δx极小，因此可以假设节点变形量δx远远小于光纤光栅的布设高度h，即
[0037]
δx＜＜h
[0038]
化简得
[0039][0040]
依据光纤光栅应变和波长关系公式，则上式变为：
[0041]
[0042]
上式中k为光纤光栅应变灵敏度系数，通过检测光纤光栅阵列应变传感光缆中光栅波长的变化，即可实现节点间相对变形量的检测，光纤光栅应变检测精度可达pm级，通过调整h和l
i
的大小实现高精度变形量检测。
[0043]
依据上述结果，第i节点的位置为：
[0044][0045]
第i节点绝对变形量大小为：
[0046][0047]
在光纤光栅阵列监测范围内，间隔选取节点使其绝对变形量固定，作为参考节点，通过上式即可实现阵列光纤光栅监测全域范围内各节点的绝对变形量；
[0048]
光纤光栅解调仪表实时扫描光纤光栅阵列传感器各光纤光栅的中心波长，并将波长数据通过通信接口传送至数据处理单元，利用波长和变形量的映射关系，实现阵列光纤光栅监测全域范围变形量的实时监测。
[0049]
本发明的有益效果如下：
[0050]
本发明利用光纤光栅阵列传感光缆、光纤光栅阵列信号解调仪表和数据处理单元，可形成大型工程结构变形全时全域在线监测系统。由于节点间传感光缆交叉布设，实现差动式检测，消除了共模因素影响，对温度和其他方向位移均不敏感，有效地提高了系统的稳定性和可靠性。该系统针对不同的应用场景分别采用不同安装工艺和方法，施工简单、便于安装，因此具备大规模工程化条件。
附图说明
[0051]
图1为本发明的监测系统示意图；
[0052]
图2为本发明针对新修工程连续变形检测单元敷设方法示意图；
[0053]
图3为本发明的针对既有工程连续变形检测单元表面粘贴工艺示意图；
[0054]
图4为本发明针对既有工程连续变形检测单元张紧装置布设示意图；
[0055]
图5
‑
1为本发明的一种张紧装置结构示意图；
[0056]
图5
‑
2为本发明的另一种张紧装置结构示意图；
[0057]
图6为本发明的底板结构示意图；
[0058]
图7
‑
1为本发明的一种光缆夹块结构示意图；
[0059]
图7
‑
2为本发明的另一种光缆夹块结构示意图；
[0060]
图8为本发明的钢管结构示意图；
[0061]
图9为本发明的压板结构示意图；
[0062]
其中：1
‑
光纤光栅阵列应变传感光缆；2
‑
光纤光栅阵列解调仪表；3
‑
计算机；4
‑
钢筋；5
‑
结构胶；6
‑
盖板；7
‑
张紧装置；7
‑1‑
底板；7
‑2‑
光缆夹块；7
‑3‑
钢管；8
‑
槽孔；9
‑
凸台；10
‑
通孔；11
‑
压板；12
‑
导向槽孔。
具体实施方式
[0063]
结合附图，对本发明做进一步说明。
[0064]
图1，本发明大型工程结构变形全时全域在线监测装置及方法，包括：光纤光栅阵列应变传感光缆1、光纤光栅阵列解调仪表2、计算机3。光纤光栅阵列应变传感光缆1连续交叉形成n个连续变形检测单元1
‑
1、1
‑
2、1
‑
3、
…
、1
‑
n。
[0065]
图2中，针对新修的钢筋混凝土结构，先将交叉布设的光纤光栅阵列应变传感光缆1固定于钢筋4上，再浇筑混凝土，使光纤光栅阵列应变传感光缆1与工程结构一体化，实现变形量传感单元的内植敷设，实时检测工程结构的变形状态。
[0066]
图3中，针对既有工程结构，先利用线卡将光纤光栅阵列应变传感光缆固定在工程结构表面，再利用结构胶5将光纤光栅阵列应变传感光缆固化于工程结构表面，最后利用盖板6将光纤光栅阵列应变传感光缆保护起来。结构胶5使光纤光栅阵列应变传感光缆与被测工程结构表面密贴，实时感知被测工程结构的变形量。
[0067]
图4中，利用张紧装置7将光纤光栅阵列应变传感光缆交叉布设于既有工程结构表面，实现工程结构变形量的感知。
[0068]
张紧装置7的组成结构包括底板7
‑
1、光缆夹块7
‑
2和钢管7
‑
3。底板7
‑
1为矩形不锈钢材质底板。底板7
‑
1中间两侧设有两个槽孔8，可将整个张紧装置与被测工程结构连接。在底板7
‑
1两侧有两个凸台9为拉紧装置的固定点，凸台9中间开有通孔与光缆夹块7
‑
2连接，可通过螺栓连接拉动光缆夹块7
‑
2。在两个凸台9的两侧各有两个螺纹孔，用来固定锁紧拉紧后的光缆夹块7
‑
2。
[0069]
光缆夹块7
‑
2为有良好的夹紧效果，选用铝合金材质。光缆夹块7
‑
2中间设有通孔10，与底板7
‑
1上凸台9的通孔通过螺栓连接。光缆夹块7
‑
2两端为光缆夹紧结构，两端分别设有一个通孔来夹紧钢管7
‑
3，进而夹紧光缆，两个通孔分别与两端外界打穿留有一定的压缩余量，在两端表面各有螺纹孔，通过螺栓连接进行压缩夹紧。光缆夹块7
‑
2的两端也可以与压板11配合夹紧钢管3，进而夹紧光缆。光缆夹块7
‑
2的通孔10的两侧分别设有两个导向槽孔12，该结构具移动导向、与底板固定的功能。
[0070]
钢管7
‑
3为不锈钢材质。钢管7
‑
3一侧有开口为压缩变形量，该零件可起到保护作用，防止光缆在夹紧过程损坏。
[0071]
每套张紧装置需要一个底板7
‑
1、2个光缆夹块7
‑
2、4个钢管7
‑
3，若干不同规格螺栓。
[0072]
本实施例还提供了一种大型工程结构变形全时全域在线监测方法，包括如下步骤：
[0073]
第一步，安装张紧装置：
[0074]
1)将一定数量的钢管穿到光缆上备用。
[0075]
2)将底板上的槽孔与被测工程结构连接。
[0076]
3)通过螺栓将光缆夹块的导向槽孔与底板的螺纹孔连接，此时，螺栓不必拧紧，因其连接位置为槽孔的最远端，即留出最大拉紧量程，并且也减少光缆夹块在底板上的移动阻力。
[0077]
4)夹紧时，将光缆上的开口钢管移动到光缆夹块两端的对应位置，通过螺栓连接夹紧套在光缆上的钢管，进而使得钢管压缩变形，起到夹紧光缆的作用。
[0078]
5)拧动底板固定点和光缆夹块之间的螺栓，即拉动光缆夹块，使光缆张紧。
[0079]
6)当光缆达到预拉指标时，拧紧底板与光缆夹块导向结构之间的螺栓，锁死光缆夹块。
[0080]
第二步，在被测结构上每隔一定的间距设置一个固定点，将光纤光栅阵列光缆固定在被测结构上，固定点间光缆交叉布设，通过传感光缆接入到光纤光栅阵列传感解调仪表中，检测光纤光栅阵列中每个光栅的波长变化。利用上位机软件实时解析仪表波长数据，再依据阵列光栅波长变化与结构间相对位移的映射关系，得到结构变形量，从而实现大型工程结构变形量的全时、全域监测。
[0081]
上述对大型工程结构变形量的全时、全域监测包括如下步骤：
[0082]
将固定点作为视作监测节点，取第i和第i 1个节点间光缆作为分析对象，令第i和第i 1个节间距为li，交叉的高度为h，则交叉的2段光缆长度为：
[0083][0084]
当第i 1个节点相对第i个节点的位移量为δx时，则2段光缆长度变化为：
[0085][0086][0087]
相应的应变量为：
[0088][0089][0090]
两根光纤光栅l
1i
和l
2i
的差应变为
[0091][0092]
上式变形得
[0093][0094]
考虑光纤光栅布设的实际情况，节点i 1的变形量δx极小，因此可以假设节点变
形量δx远远小于光纤光栅的布设高度h，即
[0095]
δx＜＜h
[0096]
化简得
[0097][0098]
依据光纤光栅应变和波长关系公式，则上式变为：
[0099][0100]
上式中k为光纤光栅应变灵敏度系数，通过检测光纤光栅阵列波长的变化，即可实现节点间相对变形量的检测，光纤光栅应变检测精度可达pm级，通过调整h和li的大小实现高精度变形量检测。当h＝200mm，li＝2000mm时，理论精度可达0.01mm。
[0101]
依据上述结果，第i节点的位置为：
[0102][0103]
第i节点绝对变形量大小为：
[0104][0105]
在光纤光栅阵列监测范围内，间隔选取节点使其绝对变形量固定，作为参考节点，通过上式即可实现阵列光纤光栅监测全域范围内各节点的绝对变形量；
[0106]
光纤光栅解调仪表实时扫描光纤光栅阵列传感器各光纤光栅的中心波长，并将波长数据通过通信接口传送至数据处理单元，利用波长和变形量的映射关系，实现阵列光纤光栅监测全域范围变形量的实时监测。
[0107]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。