專利名稱：土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力檢測技術(shù)，尤其是一種對已 建成使用中的結(jié)構(gòu)地基進(jìn)行約束能力測定的動態(tài)檢測方法及其裝置，具體地 說是一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和和科技水平的提高，土木工程結(jié)構(gòu)的 設(shè)計理論和建造技術(shù)不斷發(fā)展，人們建造了多種形式的民用、工業(yè)建筑、高 大的立交橋、城市高架橋及跨江、河和海灣的大橋。相對于上部結(jié)構(gòu)而言， 土木工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計更為復(fù)雜，其力學(xué)耐久性研究和病害診斷也更顯困 難。在風(fēng)化、冰凍和水土流失等環(huán)境條件下再受往復(fù)風(fēng)荷載影響，結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)受力在最大壓力和拉力之間變化，這些力引起的微小裂縫會加速基礎(chǔ)的腐 蝕并導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力降低，從而縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。對一些建在軟弱地基 上的結(jié)構(gòu)，在使用期內(nèi)或多或少因某種原因(如差異沉降，溫度變化)受過 損傷，而風(fēng)載荷、工作載荷和地震載荷引起的附加應(yīng)力則加速了這種損傷的 發(fā)展。對完好且無異常應(yīng)力變化的工程結(jié)構(gòu)也有可能因為振動而導(dǎo)致較大的 地基位移或失穩(wěn)(如飽和土軟化或液化，邊坡坍塌)。工程結(jié)構(gòu)按其地基承載 能力適當(dāng)選定了基礎(chǔ)底面尺寸， 一般可保證結(jié)構(gòu)在防止地基剪切破壞時具有 足夠的安全度，但在荷載作用下，地基沉降總要發(fā)生，而不正常的地基沉降
變形極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂、失穩(wěn)，形成危險的構(gòu)筑物。近10年土木工程結(jié)構(gòu)
的變形監(jiān)測表明，土木工程上部結(jié)構(gòu)的變形與地基的不均勻沉降和形成事故 有直接聯(lián)系。
土下結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)及其變化是確定其力學(xué)特性及工程可靠性的重要依 據(jù)。由于地基變形而引起的結(jié)構(gòu)與地基的相互作用就成為一個重要問題。作 為結(jié)構(gòu)病害診斷的主要目的，在實際工程測量中，要想直接測得工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束剛度是很難的。傳統(tǒng)的識別地基約束能力的方法大多建立在土力學(xué)基 礎(chǔ)上，這些土力學(xué)統(tǒng)計參數(shù)會隨時間和各地區(qū)的地質(zhì)及環(huán)境條件的不同而改 變，分布復(fù)雜且檢測困難。目前尚未有一種能在己建成的結(jié)構(gòu)中有效測定地 基約束能力的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前已建成土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力檢測缺乏有 效手段的問題，發(fā)明一種檢測效果好、使用范圍廣泛、實施方便土木工程結(jié) 構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法及裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法，其特征是它包括以下步
驟
第一步在被檢測結(jié)構(gòu)上設(shè)置傳感器為數(shù)據(jù)采集作準(zhǔn)備；
第二步利用設(shè)置的傳感器采集被測結(jié)構(gòu)環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉
變換即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻co,，Q，此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)
為Mo;
第三步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第一次加載，此時結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為 M1;采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得 到被測結(jié)構(gòu)的第一次加載時的自振基頻co u;
第四步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第二次加載，此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè) 為M2;采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，
得到結(jié)構(gòu)的第二次加載時的自振基頻"u;
第五步將三次測得自振基頻"L。、第一次加載時的自振基頻"u、第 二次加載時的自振基頻0H2以及被測結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量、剛度、材料性能參數(shù)
輸入以下公式，即可計算出結(jié)構(gòu)的平動約束剛度A、轉(zhuǎn)動約束剛度、和豎向
約束剛度^ ，為被測結(jié)構(gòu)地基安全監(jiān)測提供計算所需的依據(jù)<formula>formula see original document page 6</formula>
式中人
被測結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量;
<formula>formula see original document page 6</formula>
/w——分別為被測結(jié)構(gòu)上部的初始質(zhì)量、第一次加載后、第
.次加載后上部的質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)動慣:
A、 /
:測結(jié)構(gòu)的水平截面的截面積和計算高度;
m——被測結(jié)構(gòu)質(zhì)量；
五-
-結(jié)構(gòu)材料的彈性模]
"，/ 分別為只和被測結(jié)構(gòu)自身材料有關(guān)的系數(shù)，由下式計算所得:
8/
〃 —16(3;r-8)M/4 + 4r/2
3￡/ A;'04;r2 ;r5g￡/ ;r2PgG
式中￡/為被測結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，g為重力加速度，G為被測結(jié)構(gòu)的剪切 剛度，r為被測結(jié)構(gòu)的重量密度，1/f為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，矩形截面 A' =5/6，圓形截面A:' =9/10。 所述的被測結(jié)構(gòu)為橋墩、承臺、沉井或沉箱。 本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置，其特征是它由測試單元 1和主機(jī)分析單元10構(gòu)成，測試單元1的信號輸出端與主機(jī)分析單元10的 信號輸入端連接，主機(jī)分析單元10對測試單元1測量到的信號進(jìn)行處理；測 試單元1包括傳感器2、抗混濾波放大器3、 A/D轉(zhuǎn)換器4和輸出單元5，傳 感器2的信號輸出端與抗混濾波器3的信號輸入端相連，對傳感器2采集到 的信號進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的信 號輸入端相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器4的信號輸出端通過輸出單元5與主機(jī)分析單元10相連，將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信 號傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元10中；主機(jī)分析單元10包括FFT分析模塊7、地基 約束剛度識別模塊8和顯示存儲模塊9,主機(jī)分析單元10將接收到的數(shù)據(jù)送 入FFT分析模塊7中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動基頻，地基約 束剛度識別模塊8根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結(jié)果通過 顯示與存儲模塊9顯示并保存數(shù)據(jù)。 本發(fā)明的有益效果
1、 本發(fā)明通過大量的實驗和分析計算首次建立了一種僅需測得兩次加載 前后結(jié)構(gòu)的自振基頻即可識別出其地基約束能力的動態(tài)測量評估技術(shù)，為已 建成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地基約束能力評判提供了方便、快捷的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，并研 制了適用于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和識別地基約束能力的虛擬測試系統(tǒng)，用先進(jìn)的數(shù) 據(jù)采集和信號處理方法，結(jié)合柔性的模塊化的虛擬一體化技術(shù)為地基的安全 監(jiān)測提供了方便實用的手段。
2、 本發(fā)明具有較高的運(yùn)算精度，其中頻率分析精度可達(dá)1%，地基約束 能力識別精度能達(dá)3%。
3、 本發(fā)明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，適用范圍廣泛。


圖1是本發(fā)明檢測裝置的組成框圖示意圖。 圖2是本發(fā)明的分析軟件流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 如圖2所示。
一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法，它包括以下步驟-
第一步在被檢測結(jié)構(gòu)上設(shè)置傳感器為數(shù)據(jù)采集作準(zhǔn)備，具體實施時， 如果檢測橋墩的地基約束能力，則在橋墩上布置傳感器，如果是檢測樁基礎(chǔ) 的地基約束能力，則在承臺布置傳感器，如果檢測沉井或沉箱基礎(chǔ)的地基約 束能力則在沉井或沉箱布置傳感器；
第二步利用設(shè)置的傳感器采集被測結(jié)構(gòu)環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析(可采用現(xiàn)有成熟軟件進(jìn)行)，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻c^,0, 此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為M0;
第三步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第一次加載，此時結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為 M1;采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得 到被測結(jié)構(gòu)的第一次加載時的自振基頻",，1;
第四步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第二次加載，此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè) 為My釆集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析， 得到結(jié)構(gòu)的第二次加載時的自振基頻"1>2;
第五步將三次測得自振基頻ou。、第一次加載時的自振基頻OH,、第 二次加載時的自振基頻W,2以及被測結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量、剛度、材料性能參數(shù) 輸入以下三個約束能力評估聯(lián)立公式，即可計算出結(jié)構(gòu)的平動約束剛度&、 轉(zhuǎn)動約束剛度^和豎向約束剛度^ ，為被測結(jié)構(gòu)地基安全監(jiān)測提供計算所需
的依據(jù)
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中厶——被測結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量；
4。、入n、 〕2——分別為被測結(jié)構(gòu)上部的初始質(zhì)量、第一次加載后、第 二次加載后上部的質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)動慣量；
A、 /——被測結(jié)構(gòu)的水平截面的截面積和計算長度(高度)；
w——被測結(jié)構(gòu)質(zhì)量；
￡——結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；
"，-分別為只和被測結(jié)構(gòu)自身材料有關(guān)的系數(shù)，由下式計算所得
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中￡/為被測結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，g為重力加速度，G為被測結(jié)構(gòu)的剪切剛度，r為被測結(jié)構(gòu)的重量密度，為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，矩形截面
=5/6，圓形截面A:' =9/10。
在聯(lián)立的三個方程中，M。、 M,、 M2、 。、 ^，、 &2可根據(jù)已知的上部 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙和加載質(zhì)量計算得到，A、 /、 " 、 、厶為橋墩、承臺、沉 井或沉箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，也是已知參量，",.。、"u、 "u可通過傳感器采 集設(shè)備采集橋墩、承臺、沉井或沉箱結(jié)構(gòu)的環(huán)境響應(yīng)信號分析得到。因此表 達(dá)式只有Jt,、 &、 ^為待識別的未知參量，而其余的參數(shù)均可表示為結(jié)構(gòu)自 身的已知參量。因此通過人為加載，可列出3個形式相同但互不相關(guān)的方程， 構(gòu)成識別^、 &、 ^三個地基約束剛度的充要條件。在求出&三個地基約束 剛度&、 &、 ^后再利用現(xiàn)有的理論和計算公式進(jìn)一步計算機(jī)地基是否處于 安全狀態(tài)的判斷，以便及時采取相應(yīng)的措施，確保安全。
圖1是本發(fā)明的檢測裝置，它由測試單元1和主機(jī)分析單元10構(gòu)成，測 試單元1的信號輸出端與主機(jī)分析單元10的信號輸入端連接，主機(jī)分析單元 10對測試單元1測量到的信號進(jìn)行處理;.測試單元1包括傳感器2、抗混濾 波放大器3、 A/D轉(zhuǎn)換器4和輸出單元5，傳感器2的信號輸出端與抗混濾波 器3的信號輸入端相連，對傳感器2采集到的信號進(jìn)行放大濾波，抗混濾波 放大器3的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的信號輸入端相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器4的信號輸出端通過輸出單元5 (可采用USB設(shè)備進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸)與主機(jī)分析單元10相連，將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信 號傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元10中；主機(jī)分析單元10 (可采用手提電腦或常規(guī)計 算機(jī)加以實現(xiàn)，在其中安裝相應(yīng)的計算模塊軟件如FFT分析模塊7、地基約 束剛度識別模塊8等即可實現(xiàn))包括FFT (即傅里葉變換)分析模塊7、地基 約束剛度識別模塊8和顯示存儲模塊9，主機(jī)分析單元10將接收到的數(shù)據(jù)送 入FFT分析模塊7中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動基頻，地基約 束剛度識別模塊8根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結(jié)果通過 顯示與存儲模塊9顯示并保存數(shù)據(jù)。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法，其特征是它包括以下步驟第一步在被檢測結(jié)構(gòu)上設(shè)置傳感器為數(shù)據(jù)采集作準(zhǔn)備；第二步利用設(shè)置的傳感器采集被測結(jié)構(gòu)環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻ω1，0，此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為M0；第三步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第一次加載，此時結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為M1；采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得到被測結(jié)構(gòu)的第一次加載時的自振基頻ω1，1；第四步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第二次加載，此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為M2；采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的第二次加載時的自振基頻ω1，2；第五步將三次測得自振基頻ω1，0、第一次加載時的自振基頻ω1，1、第二次加載時的自振基頻ω1，2以及被測結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量、剛度、材料性能參數(shù)輸入以下三個聯(lián)立公式中，即可計算出結(jié)構(gòu)的平動約束剛度k1、轉(zhuǎn)動約束剛度k2和豎向約束剛度k3，為被測結(jié)構(gòu)地基安全監(jiān)測提供計算所需的依據(jù)式中JR——被測結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量；JM0、JM1、JM2——分別為被測結(jié)構(gòu)上部的初始質(zhì)量、第一次加載后、第二次加載后上部的質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)動慣量；A、l——被測結(jié)構(gòu)的水平截面的截面積和計算長度；m——被測結(jié)構(gòu)質(zhì)量；E——結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；α，β分別為只和被測結(jié)構(gòu)自身材料有關(guān)的系數(shù)，由下式計算所得式中EI為被測結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，g為重力加速度，G為被測結(jié)構(gòu)的剪切剛度，r為被測結(jié)構(gòu)的重量密度，1/k′為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，矩形截面k′＝5/6，圓形截面k′＝9/10。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法，其特征 是所述的被測結(jié)構(gòu)為橋墩、承臺、沉井或沉箱。
3 、 一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置，其特征是它由測試單元(1) 和主機(jī)分析單元(10)構(gòu)成，測試單元(I)的信號輸出端與主機(jī)分析單元(IO) 的信號輸入端連接，主機(jī)分析單元(10)對測試單元(1)測量到的信號進(jìn)行 處理；測試單元(1)包括傳感器(2)、抗混濾波放大器(3)、 A/D轉(zhuǎn)換器(4) 和輸出單元(5)，傳感器(2)的信號輸出端與抗混濾波器(3)的信號輸入 端相連，對傳感器(2)采集到的信號進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器(3) 的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(4)的信號輸入端相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，A/D轉(zhuǎn)換器(4)的信號輸出端通過輸出單元(5)與主機(jī)分析單元(10) 相連，將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器(4)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元(10) 中；主機(jī)分析單元(10)包括FFT分析模塊(7)、地基約束剛度識別模塊(8) 和顯示存儲模塊(9)，主機(jī)分析單元(10)將接收到的數(shù)據(jù)送入FFT分析模 塊(7)中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動基頻，地基約束剛度識別 模塊(8)根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結(jié)果通過顯示與存 儲模塊(9)顯示并保存數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測方法及裝置，它通過采集地基未加載和兩次加載時所測得的自振基頻經(jīng)過代入相應(yīng)的計算公式中求出地基的三個約束剛度系數(shù)，為準(zhǔn)確判斷地基的運(yùn)行情況提供了一手?jǐn)?shù)據(jù)，解決了已建成地基約束能力的測量難題，具有方便、準(zhǔn)確、高效的特點。
文檔編號E02D33/00GK101487271SQ20091002480
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者劉偉慶, 俊 王, 葛曉永, 韓曉健 申請人:南京工業(yè)大學(xué)