本發(fā)明涉及一種工程監(jiān)測(cè)用高精度結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法，適用于各類工程結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)變形、土體位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

在土木工程施工和運(yùn)營(yíng)過程中，工程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的變形、土體的水平位移及沉降是進(jìn)行施工控制、安全預(yù)警的重要指標(biāo)性。例如：連續(xù)梁橋懸臂施工過程中，懸臂端豎向撓度關(guān)系到橋梁能否順利合龍；高層結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，頂層最大水平是保障結(jié)構(gòu)安全、控制舒適度的重要參數(shù)；橋梁結(jié)構(gòu)通車前進(jìn)行靜載測(cè)試時(shí)，需要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度值是否滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求；在基坑施工過程中，圍護(hù)樁及周圍土體的水平位移直接表征基坑圍護(hù)體系的安全性與穩(wěn)定性。

目前，對(duì)這些變形和位移參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的主要手段有：全站儀、GPS、激光測(cè)量?jī)x、測(cè)斜儀等，這些傳感器均能在某些方面對(duì)目標(biāo)變形或位移進(jìn)行較為精確的測(cè)量，但是各自均有尚無法克服的缺點(diǎn)。全站儀難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，GPS和激光測(cè)量?jī)x價(jià)格過于昂貴，測(cè)斜儀僅可用于測(cè)量土體水平向位移且測(cè)量精度有限。更為重要的是，這些儀器僅擁有單一的測(cè)量功能，無法實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)各方向位移的有效實(shí)時(shí)測(cè)量?？梢姡瑢?duì)工程監(jiān)測(cè)用結(jié)構(gòu)位移測(cè)量技術(shù)的更新?lián)Q代勢(shì)在必行。

應(yīng)變是可以反映結(jié)構(gòu)變形特性的重要參數(shù)，與結(jié)構(gòu)的位移間存在著非常密切的聯(lián)系。但是，應(yīng)變與結(jié)構(gòu)位移間尚未有明確的關(guān)系式，且溫度、磁場(chǎng)、節(jié)點(diǎn)連接等環(huán)境因素對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果干擾較大，因而仍未有利用應(yīng)變監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移測(cè)量的實(shí)例存在。值得注意的是，近些年隨著低溫敏材料和光纖光柵技術(shù)的突破性進(jìn)展，溫度影響、噪聲干擾、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙逃须y題迎刃而解，應(yīng)變測(cè)量技術(shù)取得了革命性的更新?lián)Q代，測(cè)量精度和靈敏度大幅度提升，基于應(yīng)變的結(jié)構(gòu)位移測(cè)量迎來了發(fā)展與應(yīng)用的契機(jī)。

因此，亟待解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種可以滿足各類工程結(jié)構(gòu)物不同部位不同方向位移的測(cè)量需求，能準(zhǔn)確測(cè)得工程結(jié)構(gòu)物在施工/運(yùn)營(yíng)過程中的實(shí)時(shí)變形狀態(tài)的工程監(jiān)測(cè)用高精度結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明一種工程監(jiān)測(cè)用高精度結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法，其特征在于：包括以下步驟：

第一步，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的制作與安裝：

根據(jù)待測(cè)結(jié)構(gòu)的特征對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的高寬比、截面類型、截面尺寸和材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，在節(jié)間外邊緣布置軸向應(yīng)變傳感器；將n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段按序號(hào)依次進(jìn)行剛性連接，確保使其隨待測(cè)結(jié)構(gòu)變形而變形，在1號(hào)節(jié)段的底部安裝水平傾角監(jiān)測(cè)傳感器；

第二步，各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集與傳輸：

通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，基于虛擬儀器軟件LabVIEW編制數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，并引入輸出數(shù)據(jù)的本地值進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的有效采集；

第三步，由應(yīng)變值推測(cè)結(jié)構(gòu)位移的編程實(shí)現(xiàn)：

根據(jù)細(xì)長(zhǎng)桿件彎曲變形理論，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)位移測(cè)試表達(dá)式，并基于LabVIEW編制實(shí)現(xiàn)程序，并將該程序?qū)胫醒肟刂菩酒?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)界面的可視化；其中通過軸向應(yīng)變傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維的應(yīng)變，并從兩側(cè)纖維的應(yīng)變差值的角度推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂端截面轉(zhuǎn)角θ_p，從而得到節(jié)段中線頂端的水平位移Δx；在推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的水平位移后，進(jìn)一步進(jìn)行待測(cè)結(jié)構(gòu)位移的推導(dǎo)得到第i節(jié)段絕對(duì)轉(zhuǎn)角θ_i和第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移ΔX_i；

第四步，結(jié)構(gòu)位移顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將中央控制芯片計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，通過光纖遠(yuǎn)距離傳輸至監(jiān)測(cè)控制室，采用檢波器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用第三步中的可視化界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移的實(shí)時(shí)顯示，并將位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至大容量硬盤中。

其中，所述第一步中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的截面類型為圓形或正方形，節(jié)段高寬比為4～6，材料為硬聚氯乙烯、碳纖維和鋁合金；軸向應(yīng)變傳感器為光纖光柵軸向應(yīng)變傳感器，安裝于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段中間位置；進(jìn)行節(jié)段連接與安裝時(shí)，所述1號(hào)節(jié)段底部的水平傾角監(jiān)測(cè)傳感器的安裝時(shí)的初始讀數(shù)為0。

優(yōu)選的，其特征在于：所述步驟三中，軸向應(yīng)變傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維的應(yīng)變分別為ε₁和ε₂，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維長(zhǎng)度的差值Δl為：

其中，L₀為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的長(zhǎng)度；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂端截面轉(zhuǎn)角θ_p為：其中D為沿待測(cè)位移方向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的厚度；節(jié)段中線頂端的水平位移Δx為：

進(jìn)一步，所述步驟三中第i節(jié)段絕對(duì)轉(zhuǎn)角θ_i為：其中θ₀為1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段基底截面轉(zhuǎn)角，ε_j1和ε_j2為第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維的應(yīng)變；結(jié)構(gòu)從底部向上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移ΔX_i為：

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明一種工程監(jiān)測(cè)用高精度結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)各類工程結(jié)構(gòu)物在不同場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)位移的有效測(cè)量；該測(cè)量方法具有原理明確、實(shí)施難度低、材料易取、制作簡(jiǎn)便和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，克服了原有結(jié)構(gòu)位移測(cè)量裝置難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步測(cè)量或測(cè)量成本極大的問題，在保證測(cè)量精度的情況下大幅度降低了結(jié)構(gòu)位移的觀測(cè)難度與硬件成本，為工程結(jié)構(gòu)物施工及運(yùn)營(yíng)管理過程提供了有效位移監(jiān)測(cè)手段。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的技術(shù)流程圖；

圖2是本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造圖；

圖3是本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段變形示意圖；

圖4是本發(fā)明的應(yīng)變-轉(zhuǎn)角換算原理示意圖；

圖5是本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段桿件正方形截面示意圖；

圖6是本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段桿件圓形截面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種工程監(jiān)測(cè)用高精度結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法，包括以下步驟：

第一步，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的制作與安裝：

根據(jù)待測(cè)結(jié)構(gòu)的特征對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的高寬比、截面類型、截面尺寸和材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，在節(jié)間外邊緣布置軸向應(yīng)變傳感器；將n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段按序號(hào)依次進(jìn)行剛性連接，確保使其隨待測(cè)結(jié)構(gòu)變形而變形，在1號(hào)節(jié)段的底部安裝水平傾角監(jiān)測(cè)傳感器；

第二步，各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集與傳輸：

通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，基于虛擬儀器軟件LabVIEW編制數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，并引入輸出數(shù)據(jù)的本地值進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的有效采集；

第三步，由應(yīng)變值推測(cè)結(jié)構(gòu)位移的編程實(shí)現(xiàn)：

根據(jù)細(xì)長(zhǎng)桿件彎曲變形理論，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)位移測(cè)試表達(dá)式，并基于LabVIEW編制實(shí)現(xiàn)程序，并將該程序?qū)胫醒肟刂菩酒瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)界面的可視化；其中通過軸向應(yīng)變傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維的應(yīng)變，并從兩側(cè)纖維的應(yīng)變差值的角度推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂端截面轉(zhuǎn)角θ_p，從而得到節(jié)段中線頂端的水平位移Δx；在推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的水平位移后，進(jìn)一步進(jìn)行待測(cè)結(jié)構(gòu)位移的推導(dǎo)得到第i節(jié)段絕對(duì)轉(zhuǎn)角θ_i和第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移ΔX_i。

第四步，結(jié)構(gòu)位移顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將中央控制芯片計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，通過光纖遠(yuǎn)距離傳輸至監(jiān)測(cè)控制室，采用檢波器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用第三步中的可視化界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移的實(shí)時(shí)顯示，并將位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至大容量硬盤中。

本實(shí)施例以X方向水平位移測(cè)量為例，對(duì)本發(fā)明的方法作詳細(xì)說明：

對(duì)長(zhǎng)度L₀的等截面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段而言，當(dāng)其所附著的待測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移ΔX后，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段將因受橫向剪力而彎曲，產(chǎn)生水平位移。其中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段中心軸頂端的水平位移與其所附著結(jié)構(gòu)物的水平位移相同，如圖3所示。由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的長(zhǎng)度較小，彎曲產(chǎn)生水平位移是微小的，可假定其中性軸仍為直線?？紤]到中性軸與頂端截面垂直，因彎曲產(chǎn)生的節(jié)段中線頂端的水平位移Δx可通過標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂端截面轉(zhuǎn)角θ_p求得，如圖4所示。

本發(fā)明通過光纖光柵軸向應(yīng)變傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維的應(yīng)變，如圖2所示，并從兩側(cè)纖維應(yīng)變差值的角度推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂端截面轉(zhuǎn)角θ_p，從而得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段中線頂端的水平位移Δx，具體推導(dǎo)過程如下：

安裝于兩光纖光柵傳感器SX1和SX2測(cè)得的應(yīng)變分別為ε₁和ε₂，則標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維長(zhǎng)度的差值Δl為：

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段產(chǎn)生的變形是微小的，則標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂端截面轉(zhuǎn)角θ_p為：

式中，D為沿待測(cè)位移方向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的厚度。

進(jìn)一步地，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段中線頂端的水平位移Δx為：

在推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的水平位移計(jì)算公式后，即可根據(jù)實(shí)際測(cè)量桿件的安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步進(jìn)行待測(cè)結(jié)構(gòu)位移的推導(dǎo)。

本發(fā)明將n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段按序號(hào)依次進(jìn)行連接，不同節(jié)段之間進(jìn)行剛接。其中，在1號(hào)節(jié)段底部安裝有水平傾角傳感器，安裝時(shí)確保其初始讀數(shù)為0。

當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生橫向變形時(shí)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的軸向應(yīng)變傳感器均會(huì)測(cè)得對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值ε_i1和ε_i2(i＝1、2…n，共n節(jié))。由式(2)可得到第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的相對(duì)轉(zhuǎn)角Δθ_i為：

式中，ε_i1和ε_i2第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩側(cè)纖維的應(yīng)變。

在測(cè)量過程中，1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段基底截面轉(zhuǎn)角為θ₀，那么第i號(hào)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的絕對(duì)轉(zhuǎn)角θ_i為：

此時(shí)θ_i≈sinθ_i不再成立，從底部向上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的橫向位移ΔX_i為：

上面僅介紹了X方向位移的測(cè)量原理，Y方向和Z方向的位移測(cè)量原理與X方向位移的測(cè)量原理相同。

其中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的截面類型為圓形或正方形，如圖5和圖6所示；節(jié)段高寬比宜為4～6，材料選取輕質(zhì)、強(qiáng)度足、韌性好、價(jià)格低的材料，如硬聚氯乙烯材料、碳纖維、鋁合金等；軸向應(yīng)變傳感器為光纖光柵軸向應(yīng)變傳感器，安裝于節(jié)段中間位置；進(jìn)行節(jié)段連接與安裝時(shí)，需要保證1號(hào)節(jié)段底部?jī)A角傳感器的讀數(shù)為0。