本發(fā)明屬于裂縫寬度變化識(shí)別和監(jiān)測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：在當(dāng)今土木工程行業(yè)中，房屋建筑、鐵路、橋梁、大壩等混凝土結(jié)構(gòu)由于材料、施工、溫度、外荷載等于原因，在施工過(guò)程中或建成后營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫。有些裂縫不影響結(jié)構(gòu)安全，僅對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的耐久性有一定的不利影響；有些裂縫卻直接影響結(jié)構(gòu)安全，是結(jié)構(gòu)安全與否的重要標(biāo)志之一。為此，需要對(duì)結(jié)構(gòu)表面裂縫發(fā)展情況進(jìn)行及時(shí)的識(shí)別、監(jiān)測(cè)，若裂縫長(zhǎng)度和寬度持續(xù)發(fā)展，則有必要采取加固或其他措施，以減少因結(jié)構(gòu)損壞或倒塌造成的財(cái)產(chǎn)損失和人身安全威脅。裂縫長(zhǎng)度變化的識(shí)別比較容易且簡(jiǎn)單，可采用標(biāo)記、標(biāo)示或直接多次測(cè)量裂縫長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)比較即可準(zhǔn)確確定裂縫的長(zhǎng)度變化情況；有些裂縫長(zhǎng)度變化雖不明顯，但裂縫寬度極小的變化卻預(yù)示了結(jié)構(gòu)承載能力不滿(mǎn)足使用要求或不安全。然而，由于結(jié)構(gòu)裂縫寬度較小(一般裂縫最小可識(shí)別寬度0.04mm，最大裂縫寬度可達(dá)60mm)，其裂縫寬度變化亦較小，一般結(jié)構(gòu)性裂縫寬度變化隨荷載增加或時(shí)間變化呈線性或非線性加速開(kāi)裂時(shí)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)比較嚴(yán)重的病害或是缺陷，不適于繼續(xù)承載預(yù)定的功能，或需緊急加固處置?，F(xiàn)有裂縫寬度變化識(shí)別常用方法有圖像放大法、粘貼脆性材料法、粘貼應(yīng)變片法等。其中，圖像放大法是采用放大視頻圖像，根據(jù)基準(zhǔn)標(biāo)尺判斷裂縫寬度，多次觀測(cè)裂縫寬度并求其差，確定裂縫寬度變化量，但圖像放大后裂縫邊緣模糊，讀數(shù)有較大的誤差，且多次觀測(cè)時(shí)難以保證能夠?qū)?zhǔn)裂縫的同一位置，致使多次觀測(cè)后求得的裂縫寬度變化有較大的誤差。在裂縫表面粘貼脆性材料，如蠟紙、薄玻璃等，裂縫寬度變化增加到一定程度后，脆性材料會(huì)被撕裂或脫落，表示裂縫寬度有一定變化，但它無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量，也就無(wú)法準(zhǔn)確判斷裂縫寬度變化量。粘貼應(yīng)變片法是在垂直跨裂縫粘貼應(yīng)變片，測(cè)試應(yīng)變變化情況，當(dāng)裂縫寬度無(wú)變化時(shí)應(yīng)變片無(wú)應(yīng)變產(chǎn)生，應(yīng)變片有變化產(chǎn)生時(shí)表示裂縫寬度亦有變化，與粘貼脆性材料法類(lèi)似，該法只能識(shí)別出裂縫寬度是否有變化，但無(wú)法對(duì)裂縫寬度變化進(jìn)行定量。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種測(cè)量準(zhǔn)確、成本低廉的基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地識(shí)別裂縫寬度的變化，可廣泛適用于大壩、房屋建筑、橋梁結(jié)構(gòu)等裂縫寬度變化的識(shí)別與監(jiān)測(cè)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，在裂縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)表面，垂直裂縫方向分別鉆孔植筋或焊接中心間距為L(zhǎng)的2個(gè)材料、尺寸相同的底座支架；將感應(yīng)桿的一端穿入其中一個(gè)底座支架的頂端開(kāi)孔，感應(yīng)桿的另一端與傳遞彈簧一端連接，傳遞彈簧另一端與另一底座支架頂端相連接；在感應(yīng)桿上粘附電阻式應(yīng)變片或光纖光柵式應(yīng)變片，并用防護(hù)材料包裹防護(hù)電阻式及粘附應(yīng)變片的感應(yīng)桿部分；將電阻式應(yīng)變片與應(yīng)變采集機(jī)箱連接，并采用螺帽在底座支架頂端開(kāi)孔的兩側(cè)將感應(yīng)桿擰緊，使傳遞彈簧、感應(yīng)桿和底座支架充分受力；不定時(shí)或定時(shí)讀取感應(yīng)桿的實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?即示值應(yīng)變)；按公式計(jì)算獲得裂縫寬度的變化值；其中，感應(yīng)桿的長(zhǎng)度、材料彈性模量、截面面積分別為lg、A及E，傳遞彈簧的剛度為k。感應(yīng)桿粘貼電阻式應(yīng)變片后，放入溫度為120℃-150℃的干燥箱不少于3小時(shí)，取出后立即采用防護(hù)材料包裹防護(hù)。感應(yīng)桿的截面面積不小于30mm2，長(zhǎng)度與截面等效面積的圓的半徑比不小于9，材料彈性模量在40GPa～210GPa之間。傳遞彈簧的剛度大于2000N/mm。針對(duì)現(xiàn)有裂縫寬度變化測(cè)試準(zhǔn)確度不足等問(wèn)題，發(fā)明人建立了一種基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，該法采用一定剛度的傳遞彈簧和感應(yīng)桿進(jìn)行一定構(gòu)造的連接組合，采用應(yīng)變感應(yīng)裝置測(cè)試在感應(yīng)桿上的應(yīng)變變化值，通過(guò)力學(xué)和材料學(xué)原理計(jì)算裂縫寬度的變化值，從而實(shí)現(xiàn)裂縫寬度變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。據(jù)此，發(fā)明人還設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置。使用該監(jiān)測(cè)方法和裝置，結(jié)合發(fā)明人經(jīng)材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)方法推導(dǎo)的基于彈簧的剛度、感應(yīng)桿的物理特性的高準(zhǔn)確度裂縫寬度變化求解公式，可以實(shí)現(xiàn)裂縫寬度的變化動(dòng)態(tài)識(shí)別和監(jiān)測(cè)，降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度和測(cè)試成本，可廣泛適用于大壩、房屋建筑、橋梁結(jié)構(gòu)等裂縫寬度變化的識(shí)別與監(jiān)測(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出優(yōu)勢(shì)在于：(1)技術(shù)原理與其他方法不同，通過(guò)裂縫寬度的變化轉(zhuǎn)化為彈簧內(nèi)力，傳遞至感應(yīng)桿，通過(guò)應(yīng)變識(shí)別感應(yīng)桿內(nèi)力，經(jīng)材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)的推導(dǎo)確定裂縫寬度的變化量，物理量傳遞簡(jiǎn)單、明確；(2)測(cè)試裝置工具簡(jiǎn)單，成本低廉，易于更換維修。(3)裂縫寬度變化識(shí)別精度高，對(duì)于裂縫寬度的變化識(shí)別精度可達(dá)0.001mm；附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法的使用狀態(tài)圖及其監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(垂直于感應(yīng)桿和傳遞彈簧)。圖2是本發(fā)明基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法及裝置的力學(xué)原理示意圖。圖中：1結(jié)構(gòu)表面，2裂縫，3底座支架，4感應(yīng)桿，5應(yīng)變片，6傳遞彈簧，7螺帽。具體實(shí)施方式本發(fā)明基于應(yīng)變感應(yīng)的裂縫寬度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法及裝置的基本原理1.操作步驟如圖1和圖2所示，在裂縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)表面(如結(jié)構(gòu)表面1)，垂直裂縫2方向分別鉆孔植筋或焊接中心間距為L(zhǎng)的2個(gè)材料、尺寸相同的底座支架3；將感應(yīng)桿4的一端穿入其中一個(gè)底座支架的頂端開(kāi)孔，感應(yīng)桿的另一端與傳遞彈簧6一端連接，傳遞彈簧另一端與另一底座支架頂端相連接；在感應(yīng)桿上粘附電阻式應(yīng)變片5(或其他應(yīng)變測(cè)試裝置，如光纖光柵應(yīng)變片)，并用防護(hù)材料包裹防護(hù)電阻式應(yīng)變片及粘附電阻式應(yīng)變片的感應(yīng)桿部分；將電阻式應(yīng)變片與應(yīng)變采集機(jī)箱連接，并采用螺帽7在底座支架頂端開(kāi)孔的兩側(cè)將感應(yīng)桿擰緊，使傳遞彈簧、感應(yīng)桿和底座支架充分受力；不定時(shí)或定時(shí)讀取感應(yīng)桿的實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?即示值應(yīng)變)；按公式計(jì)算獲得裂縫寬度的變化值；其中，感應(yīng)桿的長(zhǎng)度、材料彈性模量、截面面積分別為lg、A及E，傳遞彈簧的剛度為k。2.公式推導(dǎo)如圖2所示，感應(yīng)桿的長(zhǎng)度、材料彈性模量、截面面積分為lg、A及E，傳遞彈簧的剛度為k，在力F的作用下，傳遞彈簧和感應(yīng)桿的仲長(zhǎng)量分別為Δlc、Δlg，由傳遞彈簧和感應(yīng)桿的軸向力相等，可得式(1)：式(1)化簡(jiǎn)后得式(2)：令傳遞彈簧和感應(yīng)桿的總仲長(zhǎng)量為ΔL，總仲長(zhǎng)量ΔL即為裂縫寬度的變化量，則有式(3)：ΔL＝Δlc+Δlg(3)式(2)帶入式(3)后得式(4)：令并帶入式(4)，為感應(yīng)桿的示值應(yīng)變，化簡(jiǎn)后得式(5)：此時(shí)，令可得式(6)：χ為與感應(yīng)桿和傳遞彈簧截面面積、長(zhǎng)度和彈性模量相關(guān)的特征系數(shù)。式(6)中結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)槟骋恢?，?dāng)已知感應(yīng)桿截面面積、長(zhǎng)度和彈性模量和和傳遞彈簧剛度時(shí)，即可求得裂縫的寬度變化量。當(dāng)感應(yīng)桿的材料最大線性應(yīng)變?yōu)棣舉，則所能識(shí)別的裂縫寬度最大變化量，即是量程為該法所能識(shí)別的裂縫寬度最小變化量為3.應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用前述方法及裝置，其中，感應(yīng)桿的長(zhǎng)度、材料彈性模量、截面面積分別為lg＝40mm、A＝36mm2及E＝90GPa，感應(yīng)桿為鋁合金材料。傳遞彈簧的剛度為k＝2000N/mm，感應(yīng)桿材料最大線性應(yīng)變?yōu)棣舉＝1000，則求得該裂縫寬度變化量的監(jiān)測(cè)方法的精度為0.000167mm，裂縫寬度變化量測(cè)試量程為1.66mm。該參數(shù)的裂縫寬度變化監(jiān)測(cè)方法用于某梁的室內(nèi)靜載試驗(yàn)，測(cè)得跨中梁底橫向裂縫寬度變化見(jiàn)表1。表1實(shí)測(cè)應(yīng)變及裂縫寬度變化結(jié)果時(shí)間8:009:0010:0011:0012:0013:0014:00應(yīng)變(με)5152436475970裂縫寬度變化量(mm)0.0080.0250.0400.0600.0780.0980.116當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3