基樁樁身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其量測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基樁樁身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其量測(cè)方法。本發(fā)明的目的是提供一種基樁樁身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其量測(cè)方法，以監(jiān)測(cè)基樁的樁身軸力、水平力、彎矩、扭矩的量值及其分布規(guī)律。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基樁樁身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，沿樁身表面埋設(shè)9根傳感光纖，傳感光纖分成三組，每組3根；第一組傳感光纖為軸向光纖，3根傳感光纖均沿樁身軸向布置；第二組傳感光纖為S型光纖，3根傳感光纖均逆時(shí)針繞于樁身上，從樁身一端均勻繞向另一端；第三組傳感光纖為反S型光纖，3根傳感光纖均順時(shí)針繞于樁身上，從樁身一端均勻繞向另一端。本發(fā)明適用于巖土工程檢測(cè)、監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說(shuō)明】基樁樁身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其量測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基粧粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其量測(cè)方法，尤其是一種 基于分布式光纖傳感技術(shù)基粧粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其量測(cè)方法。適用于巖土 工程檢測(cè)、監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 許多工程結(jié)構(gòu)修建于復(fù)雜環(huán)境中，或結(jié)構(gòu)體系本身十分復(fù)雜，這些復(fù)雜性均有可 能引起結(jié)構(gòu)上作用力和力矩等荷載，如海上采油平臺(tái)、海上橋梁粧基、大型輸電塔、超高層 建筑物及交通信號(hào)塔等高聳建構(gòu)筑物，這些結(jié)構(gòu)上傳來(lái)的荷載一般最終由群粧承擔(dān)并傳遞 給地基?，F(xiàn)有的基粧外部荷載監(jiān)測(cè)大多集中在粧身軸力的測(cè)試，很少對(duì)粧身的水平力和力 矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0003] 隨著光纖傳感解調(diào)技術(shù)（布里淵解調(diào)技術(shù)BOTDA/BOTDR)的不斷發(fā)展，一根傳感光 纖既能感應(yīng)應(yīng)變又能傳輸信號(hào)，形成分布式應(yīng)變傳感器?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳 感技術(shù)，具有耐久性好、無(wú)零點(diǎn)漂移、不帶電工作、抗電磁干擾、傳輸帶寬大等突出優(yōu)點(diǎn)，可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)參數(shù)的分布式測(cè)量，目前在土木、水利、電力、交通、石化、海洋等領(lǐng)域推廣運(yùn) 用，但基于分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)基粧承受力和力矩的方法與系統(tǒng)尚未見(jiàn)到。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種基粧粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其 量測(cè)方法，以監(jiān)測(cè)基粧的粧身軸力、水平力、彎矩、扭矩的量值及其分布規(guī)律。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基粧粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于：沿粧身表面埋設(shè)9根傳感光纖，傳感光纖分成三組，每組3根；
[0006] 第一組傳感光纖為軸向光纖，3根傳感光纖均沿粧身軸向布置；第二組傳感光纖 為S型光纖，3根傳感光纖均逆時(shí)針繞于粧身上，從粧身一端均勻繞向另一端；第三組傳感 光纖為反S型光纖，3根傳感光纖均順時(shí)針繞于粧身上，從粧身一端均勻繞向另一端；
[0007] 所述軸向光纖與S型光纖、反S型光纖均具有若干相交點(diǎn)，且每根軸向光纖上與 S型光纖的相交點(diǎn)和與反S型光纖的相交點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)重合形成測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)所在 粧身橫截面的邊緣共有三個(gè)測(cè)試點(diǎn)；所述S型光纖、反S型光纖與軸向光纖的夾角為Θ， 0° < Θ <90 ；
[0008] 9根傳感光纖頭尾相連形成1根光纖，所形成的光纖兩端與布里淵解調(diào)儀相連。
[0009] 3根軸向光纖均勻布置于粧身表面，3根S型光纖分別以粧身下端面邊緣、相鄰兩 根軸向光纖的中心點(diǎn)為起點(diǎn)繞于粧身上，3根反S型光纖分別以粧身下端面邊緣、相鄰兩根 軸向光纖的中心點(diǎn)為起點(diǎn)繞于粧身上。
[0010] 應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)量測(cè)的方法，其特征在于：通過(guò)布里淵 解調(diào)儀量測(cè)粧身某一橫截面上A、B、C三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變變化量，A、B、C三點(diǎn)反S型光纖、 軸向光纖和S型光纖實(shí)測(cè)的應(yīng)變值分別為εΑ1、εΑ2、εΑ3、ε Β1、εΒ2、εΒ3、εα、eC2、，采 用三向應(yīng)變花計(jì)算原理分析計(jì)算；
[0011] 應(yīng)變測(cè)試值與基粧直角坐標(biāo)系OXYZ下的力和力矩建立測(cè)試方程組如下，基粧直 角坐標(biāo)系OXYZ以粧身下端面圓心為原點(diǎn)，沿粧身軸線向上為Z軸正向，A點(diǎn)位于X = 0的 平面上：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種基粧粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：沿粧身（3)表面埋設(shè)9根 傳感光纖，傳感光纖分成三組，每組3根； 第一組傳感光纖為軸向光纖（11)，3根傳感光纖均沿粧身（3)軸向布置；第二組傳感光 纖為S型光纖（12)，3根傳感光纖均逆時(shí)針繞于粧身（3)上，從粧身一端均勻繞向另一端； 第三組傳感光纖為反S型光纖（13)，3根傳感光纖均順時(shí)針繞于粧身（3)上，從粧身一端均 勾繞向另一端； 所述軸向光纖（11)與S型光纖（12)、反S型光纖（13)均具有若干相交點(diǎn)，且每根軸向 光纖上與S型光纖的相交點(diǎn)和與反S型光纖的相交點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)重合形成測(cè)試點(diǎn)（14)，每個(gè) 測(cè)試點(diǎn)所在粧身橫截面的邊緣共有三個(gè)測(cè)試點(diǎn)；所述S型光纖、反S型光纖與軸向光纖的夾 角為 0，0?！?0〈90 ; 9根傳感光纖頭尾相連形成1根光纖，所形成的光纖兩端與布里淵解調(diào)儀（2)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基粧粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：3根軸向 光纖（11)均勻布置于粧身（3)表面，3根S型光纖（12)分別以粧身（3)下端面邊緣、相鄰 兩根軸向光纖（11)的中心點(diǎn)為起點(diǎn)繞于粧身上，3根反S型光纖（13)分別以粧身下端面邊 緣、相鄰兩根軸向光纖（11)的中心點(diǎn)為起點(diǎn)繞于粧身上。
3. 應(yīng)用權(quán)利要求1或2所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行粧身三維應(yīng)變和力參數(shù)量測(cè)的方法，其特征 在于：通過(guò)布里淵解調(diào)儀（2)量測(cè)粧身某一橫截面上A、B、C三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變變化量，A、 B、C三點(diǎn)反S型光纖（13)、軸向光纖（11)和S型光纖（12)實(shí)測(cè)的應(yīng)變值分別為eA1、eA2、 eA：3、eBl、eB2、eB：3、￡。1、eC2、eC3,采用三向應(yīng)變花計(jì)算原理分析計(jì)算； 應(yīng)變測(cè)試值與基粧直角坐標(biāo)系OXYZ下的力和力矩建立測(cè)試方程組如下，基粧直角坐 標(biāo)系OXYZ以粧身（3)下端面圓心為原點(diǎn)，沿粧身軸線向上為Z軸正向，A點(diǎn)位于X= 0的 平面上：
上式中Fx、FY、Nz、T、Mx和MY分別為基粧直角坐標(biāo)系下三個(gè)力和三個(gè)力矩，其中Fx為X向力，F(xiàn)y為Y向力，NzSZ向力，T為扭矩，Mx為相對(duì)于X軸的彎矩，MY為相對(duì)于Y軸的彎矩； E為粧身彈性模量，d為粧身直徑，y為粧身泊松比； 根據(jù)應(yīng)變測(cè)試原理，應(yīng)變測(cè)試值用基粧直角坐標(biāo)系下的力和力矩表示為： = AkiFx + Ak2FY + Ak3Nz + Ak4T Ak5Mx At6MY ? 9 式中，k= 3(i-l)+j，i為測(cè)試點(diǎn)的編號(hào)，i= 1，2, 3 ;j為測(cè)試點(diǎn)中相應(yīng)于測(cè)試值方程 的編號(hào)，j= 1，2, 3 為測(cè)試值；Akl?Ak6為測(cè)試值方程的力參數(shù)系數(shù)，其表達(dá)式分別為：
選取6個(gè)以上不同粧身橫截面的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，采用最小二乘法原理求解力參數(shù) 最佳值，計(jì)算可采用6個(gè)以上方程，然后對(duì)各計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，決定取用值，其計(jì)算 方程式如下：
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK104499512SQ201410796540
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】陳文華, 王群敏, 彭書(shū)生, 吳勇, 鐘聰達(dá), 盧泳 申請(qǐng)人:浙江華東工程安全技術(shù)有限公司