CN104613886A - 一种基于长标距fbg的沉降缝二维变形及对倾监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及沉降缝二维变形监测技术领域，具体涉及一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形及对倾监测方法。针对现有技术在沉降缝实际使用过程中的变形检测误差较大和检测数据不连续等不足，本发明提供了一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形及对倾监测方法。本发明通过布设长标距FBG传感器、列写沉降缝移动后水平方向、垂直方向和二维变形的平均应变方程，求解沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y。与传统人工仪器监测相比，本发明具有测试精度高、数据连续等显著特点，可以在工程中推广使用。

Description

一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形及对倾监测方法

技术领域

本发明涉及沉降缝二维变形监测技术领域，具体涉及一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形及对倾监测方法。

背景技术

近年来，随着我国城镇化进程的不断加速，城市版图不断向四面扩展，并延伸到高空和地下空间，从而导致城市建筑密度日益增大，施工空间不断被压缩。而城市建设中常见的工程项目，如高层建筑的深基坑，地铁隧道及各种市政管路的施工，都具有工程量大，施工影响范围广等特点，势必会对周边已有建筑物造成一定的影响。因此，在新建项目施工中，必须保证周边已有建筑物的安全，加强对其沉降、变形等指标的监测。

由于混凝土现浇结构的刚度较大，其不均匀沉降主要通过设置沉降缝来解决。对于沉降缝宽度计算，目前我国建筑地基规范中规定其只与建筑层数有关而忽略了地基倾斜量的影响，见建筑地基基础设计规范(GB50001-2011)。论文《多层建筑沉降缝对倾碰顶及纠偏实例》（岩土工程学报，2002,04:442-445）根据相邻基础相互作用的分析理论，发展了被沉降缝分隔的两个建筑单元对倾、纠偏的计算方法，并应用于实际工程中。论文《建筑物沉降缝宽度的确定方法》（同济大学学报(自然科学版)，2004,02:147-151）同样基于相邻基础共同作用的理论，着重了分析沉降缝位置、基础宽度、相邻基础及偏心荷载等因素对沉降缝对倾的影响，建立相邻基础和偏心荷载作用下，不同地基上的刚性基础沉降与倾斜关系，提出通过计算基础沉降，预估相邻建筑的对倾量，进而确定沉降缝宽度的简化方法，见下式。

                    

式中：为墙体发生相互倾斜后的位移值，系沉降缝的最小宽度；为填充材料压实后所占的宽度，取3~5 cm，为富裕宽度，建议取0~2 cm；H为沉降缝两侧建筑物较低者墙体高度；、分别为沉降缝两侧刚性基础的倾斜量。

以上研究均集中在沉降缝宽度计算和纠偏方面，并未涉及沉降缝实际使用过程中的变形及检测问题。而盾构下穿施工时所引起的地基沉降必然会导致临近建筑物的沉降缝变形，因此施工中对于临近已有建筑物沉降缝的变形监测也是不可或缺的。目前工程实际中，通常采取人工监测，虽然成本较低，但误差较大，数据不连续，事故前不能及时预警。

发明内容

针对现有技术在沉降缝实际使用过程中的变形检测误差较大和检测数据不连续等不足，本发明提供了一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形及对倾监测方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形监测方法，其包括以下步骤：

（a）在沉降缝两侧交叉布设一组包括2个长标距FBG（Fiber Bragg Grating光纤布拉格光栅，简称FBG）传感器的传感器组A，所述传感器组A包括传感器I和传感器II。

（b）根据公式3~4计算沉降缝移动后水平方向上传感器标距内的平均应变。

                （3）

               （4）

其中，为沉降缝（5）移动后传感器I（3）水平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；为沉降缝（5）移动后传感器II（4）水平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；x为沉降缝（5）在水平方向上的张开距离，单位mm；L为传感器I（3）和传感器II（4）的标距长度，单位mm；为传感器I（3）与水平线夹角；β为传感器II（4）与水平线夹角，单位为角度制。

（c）根据公式7~8计算沉降缝移动后垂直方向上传感器标距内的平均应变。

              （7）

             （8）

其中，为沉降缝（5）移动后传感器I（3）垂直方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；为沉降缝（5）移动后传感器II（4）垂直平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；y为沉降缝（5）在垂直方向上的错动距离，单位mm；L为传感器I（3）和传感器II（4）的标距长度，单位mm；为传感器I（3）与水平线夹角；β为传感器II（4）与水平线夹角，单位为角度制。

（d）根据公式9~10计算沉降缝二维错动的总应变。

         （9）

        （10）

其中，为传感器I在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm；为传感器II在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm。

（e）将公式3、4、7、8、9和10联立，求解沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y。

具体的，一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形监测方法中，步骤（a）中传感器I和传感器II对称布设，β=π-α，其中为传感器I与水平线夹角，β为传感器II与水平线夹角。

具体的，一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形监测方法中，沉降缝在水平方向上的张开距离x以沉降缝水平宽度增加为正，反之为负；沉降缝在垂直方向上的错动距离y以沉降缝左侧相对于右侧下降为正，反之为负。

一种基于长标距FBG的沉降缝对倾监测方法，包含上述沉降缝二维变形监测方法，还包括一组传感器组B，传感器组B包括交叉布设的2个长标距FBG传感器，即传感器III和传感器IV。

具体的，一种基于长标距FBG的沉降缝对倾监测方法对比同一监测时段内分别使用传感器组A和传感器组B计算得到的沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y，以判断沉降缝是否出现对倾。

具体的，一种基于长标距FBG的沉降缝对倾监测方法中，沉降缝在水平方向上的张开距离x以沉降缝水平宽度增加为正，反之为负；沉降缝在垂直方向上的错动距离y以沉降缝左侧相对于右侧下降为正，反之为负。

本发明的有益效果：1.执行本发明技术方案步骤（a）~（e）能够实时采集数据并计算得到沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y，误差在±3%以内。2.传感器I和传感器II对称布设有利于简化计算。3.设定沉降缝在水平方向和垂直方向上的正方向有利于简化计算，方便对计算结果进行分析。4.在沉降缝上布设两组传感器组，对比同一监测时段内两组传感器组计算得到的监测数值，能够实现针对“对倾”的监测；若两组数据保持基本一致，则说明无对倾现象出现，反之则说明有对倾现象出现，需采取相应措施。

本发明技术方案简洁，监测和计算误差较小，能够对沉降缝进行实时二维变形和对倾监测，适用于各类建筑物沉降缝的变形和对倾监测，具有较大的推广和利用价值。

附图说明

图1为沉降缝二维变形监测的传感器布设示意图。

图2为沉降缝水平张开时传感器I变形示意图。

图3为沉降缝水平张开时传感器II变形示意图。

图4为沉降缝垂直错动时传感器I变形示意图。

图5为沉降缝垂直错动时传感器II变形示意图。

图6为沉降缝对倾监测的传感器布设示意图。

其中，1传感器组A，2传感器组B，3传感器I，4传感器II，5沉降缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

在试验室中使用两块钢板模拟沉降缝5，为控制钢板的变形，将钢板安装在滑槽上，钢板边设有3个千分表用于测试钢板的实际位移值并与实施例的测试计算值对比。

（a）在沉降缝两侧交叉布设2个长标距FBG传感器

依照图1对在沉降缝5两侧对称布设实施例的传感器I3和传感器II4，传感器I和传感器II均为长标距FBG传感器。为传感器I与水平线夹角，β为传感器II与水平线夹角，由于传感器I和传感器II为对称不设，有β=π-α。定义沉降缝水平张开为正，闭合为负；逆时针错动(右侧沉降缝向上移动)为正，顺时针错动(右侧沉降缝向下移动)为负。

（b）计算沉降缝移动后水平方向上传感器标距内的平均应变

沉降缝水平张开时，传感器I和传感器II变形如图2~3所示。参照图2，传感器I由左下至右上布设，传感器I的两端点为A和D，其与沉降缝两端交点为B和C，沉降缝初始宽度为l，右侧沉降缝向右移动（即张开）的距离为x。沉降缝移动后，水平方向上传感器I标距内平均应变为，BC伸长为BC'，D移动到D'。显然，BC'与BC的长度差即为传感器I的伸长量。的下标x代表该应变分量由沉降缝水平张开引起。

根据几何关系，可得到公式1：

       （1）

其中，l为沉降缝初始宽度，单位mm；为传感器I与水平线夹角，单位为角度制；L为传感器I的标距长度，单位mm；x为沉降缝在水平方向上的张开距离，单位mm；为水平方向上传感器I标距内平均应变，单位μm。

移项并略去应变二次项，整理得公式2：

        （2）

一般情况下，沉降缝初始宽度l为20~30 mm，安全监测中沉降缝在水平方向上的张开距离x一般不超过2mm，即x<<l，将公式2化简得公式3：

               （3）

同理，参照图3，传感器II水平方向上的变形见公式4：

               （4）

其中，为沉降缝移动后传感器I水平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；为沉降缝移动后传感器II水平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；x为沉降缝在水平方向上的张开距离，单位mm；L为传感器I和传感器II的标距长度，单位mm；为传感器I与水平线夹角，单位为角度制；β为传感器II与水平线夹角，单位为角度制。

（c）计算沉降缝移动后垂直方向上传感器标距内的平均应变

沉降缝垂直错动时，传感器I和传感器II变形如图4~5所示。参照图4，传感器I由左下至右上布设，传感器I的两端点为A和D，其与沉降缝两端交点为B和C，沉降缝初始宽度为l，右侧沉降缝向上移动（即错动）的距离为y。沉降缝移动后，垂直方向上传感器I标距内平均应变为，BC伸长为BC’，D移动到D'。显然，BC'与BC的长度差即为传感器I的伸长量。的下标y代表该应变分量由沉降缝垂直错动引起。

根据几何关系，可得到公式5：

          （5）

其中，l为沉降缝初始宽度，单位mm；为传感器I与水平线夹角，单位为角度制；L为传感器I的标距长度，单位mm；y为沉降缝在垂直方向上的错动距离，单位mm；为垂直方向上传感器I标距内平均应变，单位μm。

移项并略去应变二次项，整理得公式6：

            （6）

一般情况下，沉降缝初始宽度l为20~30 mm，安全监测中沉降缝在垂直方向上的错动距离y一般不超过2mm，即y<<l，将公式6化简得公式7：

                 （7）

同理，参照图5，传感器II垂直方向上的变形见公式8：

               （8）

其中，为沉降缝移动后传感器I垂直方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；为沉降缝移动后传感器II垂直平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；y为沉降缝在垂直方向上的错动距离，单位mm；L为传感器I和传感器II的标距长度，单位mm；为传感器I与水平线夹角，单位为角度制；β为传感器II与水平线夹角，单位为角度制。

（d）计算沉降缝二维错动的总应变

综上所述，当沉降缝的水平张开和垂直错动同时存在时，利用公式9~10计算传感器I和传感器II在沉降缝二维错动下的总应变：

         （9）

        （10）

其中，为传感器I在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm；为传感器II在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm。

（e）求解沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y

将公式,3、4、7和8代入公式9~10，整理得公式11~12：

              （11）

             （12）

由于实施例中的传感器I和传感器II对称布设，有β=π-α。将β=π-α代入公式11~12，整理的公式13~14：

            （13）

             （14）

其中，L为传感器I和传感器II的标距长度，单位mm；为传感器I与水平线夹角，单位为角度制；为传感器I在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm；为传感器II在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm；x为沉降缝在水平方向上的张开距离，单位mm；y为沉降缝在垂直方向上的错动距离，单位mm。和可通过传感器I和传感器II直接读取。

实施例中，传感器I和传感器II的标距长度L为500mm，传感器I与水平线夹角为45°。将、以及传感器I和传感器II直接读取的和代入公式13~14，即可求得测试计算值x和y。当实施例中模拟沉降缝的两块钢板仅存在水平位移时，测试计算结果及误差见表1；仅存在垂直位移时，测试计算结果及误差见表2；存在二维变形（同时存在水平和垂直位移）时，测试计算结果及误差见表3。

表1 实施例水平张开试验的测试计算结果及误差

 表2 实施例垂直错动试验的测试计算结果及误差

表3 实施例二维变形试验的测试计算结果及误差

从表1~3可以看出，实施例中测试计算得到的沉降缝二维变形量的误差均在±3%以内。

在工程实际中，沉降缝的变形除水平张开和竖向错动外，有时还会出现对倾的情况。为监测是否有对倾现象出现，可在每道沉降缝布设上下2组长标距FBG传感器，以相互比较。每组传感器包括2个长标距FBG传感器。如图6所示，在沉降缝上布设传感器组A和传感器组B。传感器组A和传感器组B均包括2个交叉布设的长标距FBG传感器，传感器组A和传感器组B中的长标距FBG传感器可以对称布设，也可非对称布设。将同一监测时段内的上下两组传感器组（即传感器组A和传感器组B）的监测数据进行对比，若两组数据保持基本一致，则说明无对倾现象出现，反之则说明有对倾现象出现，需采取相应措施。

经实施例的室内试验验证，证明本发明提出的沉降缝二维变形及对倾监测方法是可行且可靠的。与传统人工仪器监测相比，本发明具有测试精度高、数据连续等显著特点，可以在工程中推广使用。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形监测方法，其特征在于其包括以下步骤：

（a）在沉降缝（5）两侧交叉布设一组包括2个长标距FBG传感器的传感器组A（1），所述传感器组A（1）包括传感器I（3）和传感器II（4）；

（b）根据公式3~4计算沉降缝（5）移动后水平方向上传感器标距内的平均应变；

                （3）

               （4）

其中，为沉降缝（5）移动后传感器I（3）水平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；为沉降缝（5）移动后传感器II（4）水平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；x为沉降缝（5）在水平方向上的张开距离，单位mm；L为传感器I（3）和传感器II（4）的标距长度，单位mm；为传感器I（3）与水平线夹角；β为传感器II（4）与水平线夹角，单位为角度制；

（c）根据公式7~8计算沉降缝（5）移动后垂直方向上传感器标距内的平均应变；

              （7）

             （8）

其中，为沉降缝（5）移动后传感器I（3）垂直方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；为沉降缝（5）移动后传感器II（4）垂直平方向上传感器标距内的平均应变，单位μm；y为沉降缝（5）在垂直方向上的错动距离，单位mm；L为传感器I（3）和传感器II（4）的标距长度，单位mm；为传感器I（3）与水平线夹角；β为传感器II（4）与水平线夹角，单位为角度制；

（d）根据公式9~10计算沉降缝二维错动的总应变；

         （9）

        （10）

其中，为传感器I（3）在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm；为传感器II（4）在沉降缝二维错动下的总应变，单位μm；

（e）将公式3、4、7、8、9和10联立，求解沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y。

2.根据权利要求1所述的一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形监测方法，其特征在于步骤（a）中所述传感器I（3）和传感器II（4）对称布设，β=π-α，其中为传感器I（3）与水平线夹角，β为传感器II（4）与水平线夹角。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于长标距FBG的沉降缝二维变形监测方法，其特征在于所述沉降缝（5）在水平方向上的张开距离x以沉降缝水平宽度增加为正，反之为负；沉降缝（5）在垂直方向上的错动距离y以沉降缝左侧相对于右侧下降为正，反之为负。

4.包含根据权利要求1或2所述的沉降缝二维变形监测方法的一种基于长标距FBG的沉降缝对倾监测方法，其特征在于还包括一组传感器组B（2），所述传感器组B（2）包括交叉布设的2个长标距FBG传感器，即传感器III和传感器IV。

5.根据权利要求4所述的一种基于长标距FBG的沉降缝对倾监测方法，其特征在于还包括对比同一监测时段内分别使用传感器组A（1）和传感器组B（2）计算得到的沉降缝在水平方向上的张开距离x和沉降缝在垂直方向上的错动距离y，以判断沉降缝是否出现对倾。

6.根据权利要求5所述的一种基于长标距FBG的沉降缝对倾监测方法，其特征在于所述沉降缝（5）在水平方向上的张开距离x以沉降缝水平宽度增加为正，反之为负；沉降缝（5）在垂直方向上的错动距离y以沉降缝左侧相对于右侧下降为正，反之为负。