CN106197342A - 基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，主要由底座支架、感应杆、传递弹簧和应变感应装置组成，它采用一定刚度的传递弹簧和感应杆进行一定构造的连接组合，采用应变感应装置测试在感应杆上的应变变化值，通过力学和材料学原理计算裂缝宽度的变化值，从而实现裂缝宽度变化的动态监测。据此，发明人还设计制作了相应监测方法。使用该监测方法和装置，结合发明人经材料力学及结构力学方法推导的基于弹簧的刚度、感应杆的物理特性的高准确度裂缝宽度变化求解公式，可以实现裂缝宽度的变化动态识别和监测，降低人的劳动强度和测试成本，可广泛适用于大坝、房屋建筑、桥梁结构等裂缝宽度变化的识别与监测。

Description

基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置

技术领域

本发明属于裂缝宽度变化识别和监测技术领域，尤其涉及一种基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置。

背景技术

在当今土木工程行业中，房屋建筑、铁路、桥梁、大坝等混凝土结构由于材料、施工、温度、外荷载等于原因，在施工过程中或建成后营运过程中，结构表面经常出现裂缝。有些裂缝不影响结构安全，仅对结构长期的耐久性有一定的不利影响；有些裂缝却直接影响结构安全，是结构安全与否的重要标志之一。为此，需要对结构表面裂缝发展情况进行及时的识别、监测，若裂缝长度和宽度持续发展，则有必要采取加固或其他措施，以减少因结构损坏或倒塌造成的财产损失和人身安全威胁。裂缝长度变化的识别比较容易且简单，可采用标记、标示或直接多次测量裂缝长度数据，经过比较即可准确确定裂缝的长度变化情况；有些裂缝长度变化虽不明显，但裂缝宽度极小的变化却预示了结构承载能力不满足使用要求或不安全。

然而，由于结构裂缝宽度较小(一般裂缝最小可识别宽度0.04mm，最大裂缝宽度可达60mm)，其裂缝宽度变化亦较小，一般结构性裂缝宽度变化随荷载增加或时间变化呈线性或非线性加速开裂时，即认为结构物出现比较严重的病害或是缺陷，不适于继续承载预定的功能，或需紧急加固处置。现有裂缝宽度变化识别常用方法有图像放大法、粘贴脆性材料法、粘贴应变片法等。其中，图像放大法是采用放大视频图像，根据基准标尺判断裂缝宽度，多次观测裂缝宽度并求其差，确定裂缝宽度变化量，但图像放大后裂缝边缘模糊，读数有较大的误差，且多次观测难以保证能够对准裂缝的同一位置，致使多次观测后求得的裂缝宽度变化误差较大。在裂缝表面粘贴脆性材料，如蜡纸、薄玻璃等，裂缝宽度变化增加到一定程度后，脆性材料会被撕裂或脱落，表示裂缝宽度有一定变化，但它无法实现定量，也就无法准确判断裂缝宽度变化量。粘贴应变片法是在垂直跨裂缝粘贴应变片，测试应变变化情况，当裂缝宽度无变化时应变片无应变产生，应变片有变化产生时表示裂缝宽度亦有变化，与粘贴脆性材料法类似，该法只能识别出裂缝宽度是否有变化，但无法对裂缝宽度变化进行定量。。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量准确、成本低廉的基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，以实现动态、准确地识别裂缝宽度的变化，可广泛适用于大坝、房屋建筑、桥梁结构等裂缝宽度变化的识别与监测。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，主要由底座支架、感应杆、传递弹簧和应变感应装置组成；2个底座支架的中心间距为L，其中一个底座支架的顶端开孔并穿插一感应杆，在开孔两侧采用螺帽固定感应杆一端，另一个底座支架的顶端与传递弹簧一端连接，感应杆的另一端与传递弹簧另一端连接；感应杆上粘附应变感应装置，应变感应装置与应变采集机箱连接，应变感应装置及粘附应变感应装置的感应杆部分由防护材料包裹防护。

2个底座支架的材料、尺寸相同。

应变感应装置为钢弦式、电阻应变片式或光栅式。

感应杆的截面面积不小于30mm²，长度与截面等效面积的圆的半径比不小于9，材料弹性模量在40GPa～210GPa之间，传递弹簧的刚度大于2000N/mm。

针对现有裂缝宽度变化测试准确度不足等问题，发明人建立了一种基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测方法，该法采用一定刚度的传递弹簧和感应杆进行一定构造的连接组合，采用应变感应装置测试在感应杆上的应变变化值，通过力学和材料学原理计算裂缝宽度的变化值，从而实现裂缝宽度变化的动态监测。据此，发明人还设计制作了相应监测装置。使用该监测方法和装置，结合发明人经材料力学及结构力学方法推导的基于弹簧的刚度、感应杆的物理特性的高准确度裂缝宽度变化求解公式，可以实现裂缝宽度的变化动态识别和监测，降低人的劳动强度和测试成本，可广泛适用于大坝、房屋建筑、桥梁结构等裂缝宽度变化的识别与监测。与现有技术相比，本发明的突出优势在于：

(1)技术原理与其他方法不同，通过裂缝宽度的变化转化为弹簧内力，传递至感应杆，通过应变识别感应杆内力，经材料力学及结构力学的推导确定裂缝宽度的变化量，物理量传递简单、明确；

(2)测试装置工具简单，成本低廉，易于更换维修。

(3)裂缝宽度变化识别精度高，对于裂缝宽度的变化识别精度可达0.001mm；

附图说明

图1是本发明基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测方法的使用状态图及其监测装置的结构示意图(垂直于感应杆和传递弹簧)。

图2是本发明基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测方法及装置的力学原理示意图。

图中：1结构表面，2裂缝，3底座支架，4感应杆，5电阻式应变片，6传递弹簧，7螺帽。

具体实施方式

本发明基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测方法及装置的基本原理

1.操作步骤

如图1和图2所示，在裂缝两侧的结构表面(如结构表面1)，垂直裂缝2方向分别钻孔植筋或焊接中心间距为L的2个材料、尺寸相同的底座支架3；将感应杆4的一端穿入其中一个底座支架的顶端开孔，感应杆的另一端与传递弹簧6一端连接，传递弹簧另一端与另一底座支架顶端相连接；在感应杆上粘附电阻式应变片5(或其他应变测试装置，如钢弦频率法或光纤光栅法)，并用防护材料包裹防护电阻式应变片及粘附电阻式应变片的感应杆部分；将电阻式应变片与应变采集机箱连接，并采用螺帽7在底座支架顶端开孔的两侧将感应杆拧紧，使传递弹簧、感应杆和底座支架充分受力；不定时或定时读取感应杆的实测应变为(即示值应变)；按公式计算获得裂缝宽度的变化值；其中，感应杆的长度、材料弹性模量、截面面积分别为l_g、A及E，传递弹簧的刚度为k。

2.公式推导

如图2所示，感应杆的长度、材料弹性模量、截面面积分为l_g、A及E，传递弹簧的刚度为k，在力F的作用下，传递弹簧和感应杆的仲长量分别为Δl_c、Δl_g，由传递弹簧和感应杆的轴向力相等，可得式(1)：

$F={\mathrm{\Δl}}_{c}k=\frac{{\mathrm{\Δl}}_{g}EA}{l_g}---\left(1\right)$

式(1)化简后得式(2)：

$\frac{{\mathrm{\Δl}}_c}{{\mathrm{\Δl}}_g}=\frac{EA}{{\mathrm{kl}}_g}---\left(2\right)$

令传递弹簧和感应杆的总仲长量为ΔL，总仲长量ΔL即为裂缝宽度的变化量，则有式(3)：

ΔL＝Δl_c+Δl_g (3)

式(2)带入式(3)后得式(4)：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{EA}{{\mathrm{kl}}_g}{\mathrm{\Δl}}_g+{\mathrm{\Δl}}_g---\left(4\right)$

令并带入式(4)，为感应杆的示值应变，化简后得式(5)：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{EA}{k}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}{l}_g=(\frac{EA}{k}+l_g)\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}---\left(5\right)$

此时，令可得式(6)：

$\mathrm{\Δ}L=\mathrm{\χ}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}---\left(6\right)$

χ为与感应杆和传递弹簧截面面积、长度和弹性模量相关的特征系数。式(6)中结构的应变为某一值，当已知感应杆截面面积、长度和弹性模量和和传递弹簧刚度时，即可求得裂缝的宽度变化量。

当感应杆的材料最大线性应变为ε_e，则所能识别的裂缝宽度最大变化量，即是量程为该法所能识别的裂缝宽度最小变化量为

3.应用实例

应用前述方法及装置，其中，感应杆的长度、材料弹性模量、截面面积分别为l_g＝40mm、A＝30mm²及E＝90GPa，传递弹簧的刚度为k＝2000N/mm，感应杆材料最大线性应变为ε_e＝1000，则求得该裂缝宽度变化量的监测方法的精度为0.000167mm，裂缝宽度变化量测试量程为1.66mm。

Claims (4)

1.一种基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，其特征在于主要由底座支架、感应杆、传递弹簧和应变感应装置组成；2个底座支架的中心间距为L，其中一个底座支架的顶端开孔并穿插一感应杆，在开孔两侧采用螺帽固定感应杆一端，另一个底座支架的顶端与传递弹簧一端连接，感应杆的另一端与传递弹簧另一端连接；感应杆上粘附应变感应装置，应变感应装置与应变采集机箱连接，应变感应装置及粘附应变感应装置的感应杆部分由防护材料包裹防护。

2.根据权利要求1所述的基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，其特征在于：所述2个底座支架的材料、尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，其特征在于：所述应变感应装置为钢弦式、电阻应变片式或光栅式。

4.根据权利要求1所述的基于应变感应的裂缝宽度变化动态监测装置，其特征在于：所述感应杆的截面面积不小于30mm²，长度与截面等效面积的圆的半径比不小于9，材料弹性模量在40GPa～210GPa之间，所述传递弹簧的刚度大于2000N/mm。