结构监测方法（精选十篇）
结构监测方法 篇1
近年来,在航空航天、风能利用、公路铁路以及海洋运输等工程实践中,由于振动而产生的疲劳问题凸显,由于实际工程应用的需要,结构的振动疲劳问题越来越受到研究人员的重视[1]。但是,受制于复杂的外界环境和众多的影响因素,振动疲劳问题尚未得到很好的解决,对振动疲劳的破坏机理、模式的认识还不够。因此,试验仍然是对振动疲劳进行研究的主要手段。
随着振动试验技术的不断进步,振动疲劳试验拥有了良好的试验基础,能够进行各种环境下的振动疲劳模拟试验。振动疲劳试验主要以通过对环境激励的模拟,在实验室里得到试件的使用寿命,重点在于如何准确判断何时试件已经发生了破坏。但是,判断试验中试件发生振动疲劳破坏的方法和标准尚未达成统一认识。目前,在工程实践中,大多数研究都以出现可观测裂纹时的时间作为试件的疲劳寿命,但裂纹的观测长度具有不确定性。在试验中停机观测的裂纹长度随机性也比较大,这些都会给实验人员带来很大困难。而采用应变计监测试件应变变化,进而确定振动疲劳试验寿命的方法又受到试件的几何形状和大小以及应变片寿命的影响,得到的结果尚需排除两者影响才能令人信服。有多项研究[2,3]提出以结构第一阶固有频率下降一定比值作为判定振动疲劳失效的准则,其中鲁起新选择了2% ,肖寿庭选择了下降5% 时所经过的循环数作为结构的疲劳寿命。但是固有频率下降的幅度与裂纹扩展的程度没有恒定的对应关系,不能根据固有频率下降的比例直接判断裂纹扩展的长度,将固有频率下降到一定程度作为结构件发生疲劳失效的准则也缺乏理论支持,没有可参考的统一标准[4,5]。
本文从振动疲劳试验的理论出发,研究了试验时常用的三种疲劳破坏判断方法各自的优缺点,并对三种判断方法的观察效率进行了比较。使用有限元方法对几何模型进行了优化,选用带缺口悬臂梁试件进行振动疲劳试验,同时使用三种判断方法监测试件发生疲劳破坏的时间,比较分析所得结果,从而为振动疲劳试验寿命的确定方法选择提供了理论和实验依据。
1 振动疲劳试验方法
1. 1 直接观测法
试件的疲劳破坏监测主要依赖于危险点的裂纹长度监测。根据断裂力学准则,载荷作用下裂纹尖端会产生应力集中,当应力强度因子达到临界值时,裂纹发生失稳扩展,结构发生疲劳失效。此临界值为材料断裂韧度KIC,表征结构材料的抗断裂能力。如果应力集中系数用Kmax表示,振动疲劳的失效准则就可以简述为:
直接观测法通过借助显微镜等仪器直接观察结构危险点是否已经产生裂纹,估量裂纹长度,从而判断结构是否已经疲劳破坏,这是试验中最常用的判断方法。
1. 2 动态应变法
电阻应变片测量应变的过程为: 将应变片粘贴在构件表面,接入测量电路,随着构件受力,应变片敏感栅随之变形使其电阻发生变化。电阻与应变的关系可以表述为:
式中:dR/R代表电阻变化率,Ks为敏感栅的灵敏系数,表示导线对所承受的应变量的灵敏程度。
动态应变法,就是根据试件的实际几何外形将合适的应变片粘贴在试件的危险点处,通过动态应变仪监测粘贴处的应变变化。动态应变仪能实时反映出应变片粘贴处的结构应变,当危险点出现裂纹时,应变必然随之增加,由应变的突然增大并超过限定值可以判断结构已经发生了疲劳破坏。
1. 3 固有频率法
通过监测结构的固有频率降低幅度也能有效地判断结构是否发生振动疲劳破坏。频响函数反映了结构的固有特性,疲劳裂纹引发的结构损伤必然会引起频响函数的变化,而固有频率能够及时的体现出频响函数的变化。频响函数为输出信号x( t) 与输入信号f( t) 两者的傅里叶变化之比,则频响函数FRF( ω) 可表示为:
当结构局部产生裂纹时,强度减弱,固有频率降低。固有频率法就是通过观察结构的固有频率降低幅度来有效判断是否发生了疲劳破坏。
2 实验
2. 1试验方案
振动疲劳试验 模型为带 缺口悬臂 梁,材料为厚LY12CZ铝合金板材2 mm,其材料的机械性能见表1。
试件左端 使用螺栓 与底座固 定,底座固定 在SAI30 - H560 B16型振动台上。振动台数字控制系统根据给定的激励功率谱控制振动台,使其在一定的范围内振动。
激励的功率谱密度根据国军标GJB 150. 16A - 2009军用装备实验室环境试验方法,选用高速公路卡车振动环境,以标准GJB150. 16A中的高速公路卡车振动环境的加速度功率谱密度为基础,在保证疲劳失效机理不发生改变的情况下,选择合适的应力水平进行试验。
对于结构的疲劳失效时间采用多种方法进行确定。1) 应变法: 在结构危险位置粘贴应变片,当被检测响应点的应变振幅发生异常变化时,认为试件出现裂纹,试验停止。2) 固有频率法: 采用对结构的固有频率进行实时监控,当结构的第一阶固有频率下降了5% 时,认为结构发生疲劳失效。3) 直接观测法: 采用放大镜实时观察危险点裂纹的产生,进行失效判定。
试验具体实施时,先从试验开始计时,每隔十分钟通过数字振动控制系统暂停振动台,并借用手电筒观察试件缺口处是否有裂纹产生,在观察到动态应变仪显示的应变数值增大到预期破坏应变的2 /3时,将间隔时间缩短为2 min。当肉眼能观察到裂纹或者动态应变仪显示应变发生突变时,判断试件在该观测方法下发生疲劳破坏。
采用加速度计测量基础激励的加速度,采用激光测振仪测量试件 一点的速 度响应,采用动态 信号分析 仪( 35670A) 测结构的频响函数,每隔5 min测一次频响函数,以监控试件的固有频率变化。当试件第一阶固有频率下降5% 时认为试件疲劳失效。
试验时设备的安装连接如图1所示。
试验现场,设备安装连接情况如图2所示。
分别以均方根值为1. 59 g、1. 36 g、1. 04 g的功率谱密度信号作为激励的功率谱,谱型见图3所示。
图中y分别为0. 035 g2/ Hz、0. 025 g2/ Hz、0. 015 g2/Hz。依次以图中的功率谱控制振动台振动。
2. 2振动疲劳试验结果
按照上述三种判断方法判断试验结束时得到的试件情况见下图4所示。
每次激振记录得到的试件寿命见表2。
min
图5给出了三种应力水平下的功率谱激振试件得到的第一阶固有频率随时间的变化情况。试验件的零时刻固有频率即为未发生损伤时的固有频率,初始固有频率降低5% 时以“* ”标出。如图5( a) 所示,随时间增加,固有频率呈下降趋势,并且下降的幅度在随时间增大,固有频率减小得越来越快,在下降到初始固有频率5% 之后,下降速度将达到最快,比较图5( b) 和图5( c) 两图也出现同样规律。综合比较三图可知,功率谱的均方根值( RMS)量级越大,固有频率降低的速度越快,图5( a) 中均方根值为1. 59 g时,只需23 min固有频率就能下降5% ,而为了使固有频率同样下降5% ,图5( b) 和图5( c) 却分别画了32 min和56 min。
取第二组实验不同时间所测得的频响函数汇总到图6,反映出频响函数曲线随着时间推移产生了明显变化。图6中,第一到第四曲线分别是零时刻、第15 min、第25 min和第32 min的频响函数曲线,峰值所在位置随着时间向左有明显的移动,相应的第一阶固有频率也在逐步降低。这是因为试件刚度对结构动态特性变化比较敏感,裂纹扩展引起了结构基本参数的变化,从而导致了结构动响应特性的改变。随着时间推移,固有频率与裂纹的扩展有同步的变化,可以作为判定结构发生振动疲劳的依据。
2. 3 振动疲劳试验方法讨论
通过试验过程中的观察和对试验数据的分析比较可知:
1) 直接观测法虽被广泛运用,方便可靠,但是其中存在着一些不易解决的问题。试件在激励下产生振动时,肉眼观测不能准确反映裂纹的实际情况,因而采用的停机观测方法也不可能准确把握裂纹扩展的情况,停机时间的选择有一定的随机性,停机时观测到的裂纹长度不一定就是结构发生疲劳破坏的临界值。因此,肉眼观测作为一种最终的判断方法,有其实用性,但是对于需要精确判断疲劳寿命的实验时,还需要有更准确的判断方法。
2) 动态应变法方法简单明了,精确度高,对仪器要求不高,适合用于在实验室中监测结构的疲劳破坏。但是应变片粘贴的危险点需要有准确的预判。通过焊接与动态应变仪连接时,在试验过程中,焊点与应变片内部敏感栅有可能受振动影响而产生破坏,从而影响应变仪对结构本身的疲劳破坏的判断。因此,实验结果还需经过对焊点疲劳和应变片本身的结构的检查才能认定是否有效。
3) 频响函数法中,测频响函数所需的传感器和设备较少,频响函数测试准确、方便。采用基础激励的方式,能有效避免对结构的特性和边界条件产生影响。采用激光测振仪测结构响应,不需与结构直接相连,避免了传感器与结构直接相连引起的结构局部刚度变化。但是,固有频率降低法也有其不足之处。固有频率的降低幅度与裂纹的长度之间的对应关系还不够明确,频率的测试精度受限于设备和采样,还有待提高。对于复杂结构,频响函数中的第一阶固有频率影响因素还不清楚,需要继续研究后几阶的固有频率变化情况。
3 结语
浅谈桥梁结构健康监测 篇2
浅谈桥梁结构健康监测
桥梁结构健康监测(对简称:桥监,下同)对于保障桥梁使用功能、安全运行、延长桥梁使用寿命、避免桥梁坍塌和局部破坏等严重事故发生有着重要的现实意义,近年来,桥梁结构健康监测成为国内外学术界、工程界的研究热点,本文阐述了桥梁结构健康监测的概念、监测系统、现状和发展方向.
作 者：欧阳平作者单位：中国中铁大桥局集团第四工程有限公司,江苏,南京,210001刊 名：中国新技术新产品英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS年，卷(期)：“”(4)分类号：U4关键词：桥梁结构 健康监测 监测系统 发展方向
基坑围护结构变形监测的分析 篇3
【关键词】坑外土体；基坑围护；变形规律
【Abstract】This paper takes a square under a fan room end well and tunnel foundation pit for example， the use of the foundation pit during the construction monitoring of retaining structures outside the pit soil and foundation pit surrounding environment of the whole process， analyze and discuss the distribution regularity of the deformation monitoring of foundation pit retaining structure， through the analysis of the monitoring results， safety to guide the excavation during construction， provides the reference for the follow-up project construction process， process arrangement， in order to take timely and effective measures to prevent the accident.
【Key words】Pit soil；Bracing of foundation pit；Deformation law
1. 工程概况
本场地土划分为13个工程地质层，60.0m深度以内均为第四系堆积物，在垂直向上具有明显沉积韵律，水平方向上岩相较稳定，局部亚层多呈透镜体分布，据钻孔内水位观测，拟建工程区地下水水位埋深为39.9～41.6m。
2. 基坑围护结构变形的监测
2.1 在围护结构桩体、基坑外侧土体水平位移监测点布置。
沿基坑周边墙体内布设观测孔，根据设计图纸要求，本工程共布设围护结构桩体水平位移监测点6个，编号为ZTS01、ZTS02、……、ZTS06；布设基坑外侧土体水平位移监测点17个，编号为TTS01、TTS02、……、TTS17。
2.2 桩体、基坑外侧土体水平位移监测点埋设及技术要求。
2.2.1 埋设方法。
围护结构桩体、基坑外侧土体水平位移均采用测斜仪进行监测，其测点埋设方法分别如下：
（1）围护结构桩体测斜管埋设拟采用绑扎埋设。测斜管通过直接绑扎固定在围护结构桩钢筋笼上，钢筋笼入槽（孔）后，浇筑混凝土。埋设示意图见图1，效果图见图2。
（2）基坑外侧土体测斜管埋设拟采用地质钻机成孔，将底端密封好的测斜管下到孔底，在测斜管与孔壁间用干净细砂填实。
2.2.2 埋设技术要求。
（1） 管底宜与钢筋笼底部持平或略高于钢筋笼底部，顶部达到地面（或导墙顶）。
（2） 测斜管与支护结构的钢筋笼绑扎埋设，绑扎间距不宜大于1.5m。
（3） 测斜管的上下管间应对接良好，无缝隙，接头处牢固固定、密封。
（4） 管绑扎时应调正方向，使管内的一对测槽垂直于测量面（即平行于位移方向）。
（5）封好底部和顶部，保持测斜管的干净、通畅和平直。
（6）做好清晰的标示和可靠的保护措施。
2.3 基坑围护结构监测方法。
2.3.1 观测方法：（1） 用模拟测头检查测斜管导槽；（2） 使测斜仪测读器处于工作状态，将测头导轮插入测斜管导槽内，缓慢地下放至管底，然后由管底自下而上沿导槽全长每隔0.5m读一次数据，记录测点深度和读数。测读完毕后，将测头旋转180°插入同一对导槽内，以上述方法再测一次，深点深度同第一次相同；
（3） 每一深度的正反两读数的绝对值宜相同，当读数有异常时应及时补测（监测仪器采用XB338-2型测斜仪见图3）。
2.3.2 观测注意事项：（1） 初始值测定：测斜管应在测试前5天装设完毕，在3～5天内用测斜仪对同一测斜管作3次重复测量，判明处于稳定状态后，以3次测量的算术平均值作为侧向位移计算的基准值；（2） 观测技术要求：测斜探头放入测斜管底在恒温10～15分钟后开始读数，观测时应注意仪器探头和电缆线的密封性，以防探头数据传输部分进水。测斜观测时每0.5m标记要卡在相同位置，每次读数一定要等候电压值稳定才能读数，确保读数准确性。
2.4 基坑围护结构监测的规律。
（1）首先必须设定好监测基础点，围护体变形观测的监测基础点一般设在测斜管的底部。当被测围护体产生变形时，测斜管轴线产生挠曲，用测斜仪确定测斜管轴线各段的倾角，结合测斜探头0.5m的固定长度，便可计算出围护体的水平位移。设监测基础点为O点，坐标为（X0，Y0），于是测斜管轴线各测点的平面坐标由下列两式确定：
3. 基坑围护结构变形数据的分析
3.1 观测点稳定性分析原则如下：（1）观测点的稳定性分析基于稳定的监测基础点作为监测基础点而进行的平差计算成果；（2）相邻两期观测点的变动分析通过比较相邻两期的最大变形量与最大测量误差（取两倍中误差）來进行，当变形量小于最大误差时，可认为该观测点在这两个周期内没有变动或变动不显著；（3）对多期变形观测成果，当相邻周期变形量小，但多期呈现出明显的变化趋势时，应视为有变动。
3.2 监测点报警判断分析原则如下：（1）将阶段变形速率及累计变形量与控制标准进行比较，如阶段变形速率或累计变形值小于报警值，则为正常状态，如阶段变形速率或累计变形值大于报警值则为报警状态。（2）分析确认有异常情况时，应及时通知有关各方采取措施。
3.3 监测数据成果规律分析原则：（1）通过绘制时程曲线图、监测横断面图、监测纵断面图，对监测数据的变化规律、影响范围进行分析；（2）通过比对监测数据的变化与施工工序、工法的关系，并综合地层条件、外界影响等因素；（3）结合类似工程经验判断，如出现异常现象，及时提出补测（探）措施；（4）结合其它测项数据，相互印证，综合分析（地面沉降测点标志埋设形式图见图5）。
3.4 地面沉降监测点埋设的分析。
（1）开挖直径约80mm，深度大于1m孔洞，夯实底部，清除渣土，向孔洞内部注入适量清水养护；
（2）在底部灌注标号不低于C20，厚度为25cm左右的混凝土；在孔中心置入长度不小于80cm的中心标志，振捣密实；
（3）上部用砂土填实至地表5cm左右，钢筋标志应露出砂土面约1～2cm；上部加装钢制保护盖。
4. 结论
（1）在土建施工过程中对周边环境和工程自身关键部位实施监测，及时掌握基坑施工过程中坑外土体、周边地表及建筑、围护结构体系和围岩的动态变化，明确各施工阶段对坑外土体、基坑周边环境、围护结构体系和围岩的影响；
（2）验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工。由于设计所采用的土层参数与现场实测值相比较有一定的差异，因此在施工过程中迫切的需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计时采用值进行比较，必要时对设计方案或施工过程进行修正，从而实现动态设计及信息化技术施工；
论述土木工程结构健康监测的方法 篇4
土木工程结构健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析包括结构的响应，以达到检测结构损伤或退化的一些变化。理想的健康监测与损伤检测方法应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤，在传感器精度允许的情况下确定损伤的位置，估计损伤的程度，并预测出结构的剩余有效寿命。另外此方法应该具备的另一重要性能，是能够区分结构建模误差引起的偏差还是结构损伤引起的偏差。一般结构健康监测系统主要由四个功能子系统组成并通过网络联系进行工作，这四个子系统是传感系统、信号采集与处理系统、通信系统、监控中心和报警设施(见图1)。
1结构损伤检测方法
结构的损伤检测主要包括4个层次：(1)结构是否发生损伤;(2)对损伤的定位;(3)对结构损伤程度进行评价;(4)对结构的损伤影响及剩余寿命进行估计。目前关于结构损伤识别的第一层次的研究已经成熟，而关于损伤定位与损伤识别大小方面的研究是核心，也是难点。
损伤检测方法可分为局部法和整体法。局部法依靠无损检测对特定构件进行精确的检测、查找，描绘缺陷的部位;而整体法利用结构现场测试信息，评价整体结构的状态，可以间断或连续地评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域。局部检测方法需要预先知道结构损伤的大体位置，并且要求检测仪器能够到达损伤区域，对于大型复杂结构，无法给出整体结构的损伤信息。在大型土木结构工程的健康监测中多综合利用局部法和整体法。
1.1局部损伤检测方法
检测结构的局部损伤一般使用无损检测技术[2]有目测法、回弹法、染色法、光谱法、渗漏试验法、声发射法、射线法、超声波探测、脉冲回波法、红外线法、热相仪成像法、透地雷达法以及磁泄漏、磁粒子法、磁扰动法、涡流法等等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等，实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。
1.2 整体损伤检测方法
1.2.1 基于振动的结构损伤识别方法
基于振动理论的结构无损检测方法[3]，就是通过某种激励，使结构产生一定的振动响应，继而通过测振仪器直接量测出激励力与系统振动的响应特性，如位移、速度、加速度等函数的时间历程，然后通过数字信号分析得到系统的模态参数，再根据结构模态参数的变化判断有无隐患和损伤。其基本原理可以如下简单分析：
对于有N个自由度的振动系统：
其中矩阵[M]、[C]、[K]分别表示离散的质量、阻尼和刚度分布，.x.、、、x觶、、、、x、分别表示结构的加速度向量、速度向量和位移向量，f(t)为外部激励。若忽略阻尼，则其特征方程为：
其中ωi是第i阶特征值，{Φi}是相应的特征向量。显然，ωi、{Φi}是[M]和[K]的函数，也就是说，由于结构中特定部分的质量或刚度损失引起的[M]、[K]的任何变化，都将在自振频率和振型的测量值中有所反映。即由于结构中特定部分的质量和刚度损失而引起的模态参数变化，都将在模态测量中有所反映。当系统的模态测量值与未存在隐患的系统模态值之间出现了差异时，就表示出现了损伤或破损，进而可以确定损伤的位置及程度。
基于振动理论的结构损伤检测方法按照识别区域可以分为时域法和频域法;从研究和应用的角度可以分为模型修正法和动力指纹分析法。该方法的优点是可将外界因素作为结构的振动激励源，损伤的检测不影响结构的正常使用;需要的模态信息少，无需质量归一化的振型，也不需要结构转动自由度的测试信息[4]，但是由于结构动力特性的检测精度不足，导致该方法的精度不高。
1.2.2 基于统计模式识别方法
统计模式识别基本原理[5]简单分析如下：有相似性的样本在模式空间中互相接近，并形成“集团”，即“物以类聚”，其分析方法是根据模式所测得的特征向量Xi=(xi1,xi2，...，xid)T(i=1,2，...，N)，将一个给定的模式归入C个类ω1，ω2，...，ωd中，然后根据模式之间的距离函数来判别分类。其中，T表示转置;N为样本点数;d为样本特征数。
它的优点是直接利用时程观测响应，考虑环境因素和运行状态的变化，在无需结构模型的前提下，通过对观测响应的统计分析提取结构状态/损伤敏感特征来检测结构状态退化或损伤[6]。
利用统计模式识别方法检测结构状态或损伤，其状态/损伤敏感特征的提取一般来自于能够表征结构状态的模式向量，而这些模式向量的生成则来自于统计模型(回归模型、自回归模型、外源自回归模型等)对观测数据(特征信号)的统计分析。状态/损伤敏感特征通常是多维向量，多维向量中各参数的重要性往往是不相同的，且各参数也不相互独立，不但会使检测的工作量增大，而且也给检测带来了困难。因此，需要通过数据降维的方法从中挑选具有代表性的有效的成分构成新的低维特征向量进行检测。状态/损伤敏感特征一旦提取，检测结构异常状态的主要任务就是对这些特征进行统计分析，依据某种判别函数或判别依据进行状态分类。
根据所使用基本统计推断原理的不同，结构健康诊断中的统计模式的识别方法可以归纳为两大类：Bayes模型修正法和随机有限元模型修正法。
1.2.3 神经网络法
神经网络法[7]是由大量神经元之间通过连接权系数相连而形成一个完整结构。其用于损伤检测的基本原理是对结构进行正问题分析，获得结构在不同损伤状态下的动力特性，从而构造神经网络的学习样本集，然后将样本集送人神经网络进行训练，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系，得到用于结构损伤检测的神经网络，将待检测结构的动力参数输入网络，就可得出损伤信息。在神经网络中，信息处理是通过神经元之间的相互作用来实现的，只是信息的存储表现为网络元件互连问分布式的物理联系。学习与检测取决于神经元与连接的动态演化过程，神经网络具有较强的容错性、鲁棒性、联想记忆功能以及非线性性能，因而在控制、优化、检测等领域被广泛应用。神经网络法不仅适用于线性系统，尤其适用于非线性系统，它比模态修正法及信号处理法的适应性更强，其另一个优点是处理环境振动的能力很强，省略了激振设备，更容易应用于工程实际中。神经网络模型多种多样，可从不同角度对生物神经系统进行不同层次的描述和模拟，缺点就是网络结构复杂。其典型的神经网络模型有感知器、多层映射BP网络、RBF网络、双向联想记忆(BAM)、hopfield模型等。运用这些网络可以实现函数逼近、数据聚类、模式分类、优化计算等功能[8]。
1.2.4 遗传算法
遗传算法是一种基于自然遗传和自然选择机理寻优的方法，它模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它最初由美Michigan大学J.Holland教授[9]于1975年首先提出来。由于损伤识别可归结为参数识别问题，因此通常采用最优化方法确定与实测数据最匹配的参数。遗传算法是优化方法的一种将其引入损伤评估的最优化方法中，在测试获取信息不多的情况下，能迅速判定损伤位置和程度，即使模态信息部分丢失时，遗传算法寻优能力丝毫不受影响。遗传算法只需计算各可行解的目标值而不要求目标函数的连续性，也不要求可微，不需要梯度信息，并采取多线索的并行搜索方式而且它的搜索始终遍及整个解空间，因而不会陷入局部最小，容易得到全局最优解，对线性问题和非线性问题同样有效，且使用方便，鲁棒性强[10]。
该方法的不足之处，没有能够及时利用网络的反馈信息，故算法的搜索速度比较慢，要得要较精确的解需要较多的训练时间;对初始种群的选择有一定的依赖性，能够结合一些启发算法进行改进;并行机制的潜在能力没有得到充分的利用，这也是当前遗传算法的一个研究热点方向。
2 新型结构损伤检测技术
2.1 光纤传感检测技术
光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。
光纤传感包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。所谓感知(或敏感)是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号在光纤中传播的光波实施调制。所谓传输是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术。
土木工程中的结构监测已经成为光纤传感器应用的最活跃领域，其中光纤光栅传感器被应用的较多。结构参数的测量对桥梁、隧道、大坝和高层建筑等工程的维护至关重要。通过测量建筑物的应变分布，可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可贴在已有结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构，从而实现对结构的实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成传感网络对结构进行检测，传感信号可远程接入中心监控室进行分析、处理。因此，在土木工程中，光纤传感器已商品化，成为了结构监测的重要手[11]。
2.2 压电智能传感检测技术
压电材料[12]是土木工程中常见的智能材料的一种。压电材料是指当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，其两个对立的表面上会产生符号相反的等量电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态，这种机械能转换为电能的现象称之为“正压电效应”。反之，在某些物质的极化方向施加电场，该物质会产生机械变形，当去掉电场后，该物质的变形随之消失，这种电能转换为机械能的现象称之为“逆压电效应”。具有明显压电效应的材料称之为压电材料。基于压电智能材料的结构损伤诊断与健康监测，克服了传统传感器监测的不足，不但能够灵敏地检测到损伤的产生，而且能够定位损伤并表征损伤程度。损伤诊断过程可以归纳为：(1)信号测量;(2)提取特征信号;(3)建立典型损伤特征库;(4)检测损伤位置、类型、程度。从而对关键或重要结构的危险截面进行实时健康监测，尽早探测或监测到结构中存在的细微损伤[13]。
压电智能传感系统：压电传感器按照一定的方式安装到结构上，对所测得的电信号进行分析，从而获得结构运营状态的各种信息，达到对结构进行诊断、监测和评估的目的(即形成智能监测系统)，使结构成为具有自感知、自诊断的智能结构。
对于土木工程而言，压电智能材料结构系统及其应用技术的兴起，不仅意味着结构功能的增强，结构使用效率的提高和结构设计形式的优化，更重要的是对传统土木工程的结构设计、建造、维护、使用及控制等许多观念的更新。缺点是由于一些常用的压电材料易出现损坏，例如压电陶瓷属于脆性材料，在土木工程结构施工中容易损坏，而且压电传感器的金属封装也存在腐蚀问题。
3 结束语
目前土木工程损伤检测的研究动态来看该技术的未来发展方向上有比较重要的意义和迫切性：
(1)大型复杂结构的各种非线性因素，使得神经网络和遗传算法在结构的健康检测和诊断方面具有良好的应用前景;小波分析具有刻画信号局部特征的“数学显微镜”功能，在数据的处理方面具有非常明显的优势。
(2)发展更可靠的损伤判别指标，该指标不会发生误判及漏判。
(3)研究试验参数变化、环境参数变化对结构损伤检测的影响。
(4)不依赖外部激励源的损伤检测的研究。
(5)寻求通用的损伤量化指标。在基于振动的故障诊断和预测中，要求不论信号的来源和频段，经过信号处理后，即可根据检测出的信号来判断结构是否处于损伤状态。因此，应该设计一种损伤尺度，将结构损伤程度进行分级量化。
(6)新型传感器和激振器的研制。新型传感器的使用，使得原本没有生命的结构被赋予了自感知和自诊断的能力。其中包括光纤光栅传感器、形状记忆合金传感器以及微型激振器等。
结构监测方法 篇5
关键词：地铁 监测
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1008-925X(2012)O8-0127-01
一、 监测内容
1.地铁隧道衬砌的监测
西安地铁二号线采用的是隧道分段衬砌穿越地裂缝带，穿越地裂缝带时地裂缝活动会使隧道衬砌产生垂直位移、水平张开位移以及挤压变形。因此可通过隧道分段接缝的相对位移变化监测，判断地裂缝活动对隧道衬砌的影响大小，进而采取合理的结构措施和调整方案。隧道的结构变形监测是本项目的工作重点。
2.轨道的变形监测
地裂缝的活动将引起轨道的纵向弯曲变形和横向扭曲变形，一般来讲，轨道的变形以纵向弯曲变形为主。轨道的弯曲变形引起的不平顺性将会直接导致高速列车的安全运行，甚至会引起严重的交通事故。主要针对活动性较为强烈的地裂缝地段的地铁二号线轨道进行变形监测，根据轨道变形的实测数据和沿线路纵向变化曲线，建立合理的力学模型可分析轨道结构的受力特征，进行合理的轨道调整。
二、 监测方案
1.拟采用的监测技术方法
考虑到西安地铁二号线穿越地裂缝带的工程结构变形监测的精度和自动化程度要求较高以及监测的长期性和系统性，本项目在西安地铁二号线沿线地裂缝地段的结构变形监测中拟采取先进的光纤传感全自动监测技术，两种光纤传感监测技术可供选择：一种为光纤光栅应变监测技术，另一种为分布式光纤应变监测技术。
（1）光纤Bragg光栅传感器（FBG）应变监测技术
该传感器是准分布式光纤传感器的一种，具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好等优点，容易实现长距离多点监测。使用FBG裂缝位移计时，按传感器的类型，其最大量程有25mm、50mm、100mm、150mm、200mm 5种可选；其测量精度为全量程的0.1%，如选最大量程为200mm的裂缝位移计时，其精度为0.2mm。FBG应变监测主要适用于变形位置已大致确定，形变相对较大的裂缝等应变监测，将FBG传感器安装在裂缝位置，可以实现对裂缝或接缝的实时长期监测。
（2）分布式光纤应变监测技术
分布式光纤应变监测技术所用的监测光纤既是传感元件又是传输媒介，具有长距离、分布式测量的特点。应变监测的最大量程（测量应变）理论上为传感光纤长度的0.3%，其空间定位精度为5m，最大测量长度为20km，其测量精度为±100με。分布式光纤应变监测主要适用于获取线状变形的整体的概要信息，通过分布光纤对整条线或整个面的监测，利用其空间分辨率（5m），可以快速的发现发生应变或裂缝的位置，从而实现线或面的监测。通过分布式光纤发现裂缝后，再在裂缝位置安装FBG传感器，进行点的监测，可以实现由点到线、面的全方位的监测。
2.监测方案
（1）对隧道衬砌结构变形或应变的监测及实施方案
隧道衬砌结构的变形监测主要针对分段隧道之间的接缝（或节点）进行变形监测。根据用途和目的不同，光纤光栅（FBG）传感器有多种封装形式，常用的FBG传感器可分为表面固定式、埋入式和裂缝位移计三种，需根据监测环境的不同来选取适当的光纤光栅传感器。考虑到施工和安装更换的方便，在西安地铁二号线的隧道衬砌结构变形监测中拟采用表面固定式的光纤光栅（FBG）传感器。
（2）对轨道应变的监测及实施方案
对于轨道的变形监测主要针对Ⅰ、Ⅱ地裂缝地段，其监测长度即表1中的结构变形监测沿线路的长度。具体监测实施方案如下：
① 监测光纤铺设
分布式光纤监测技术是用光纤作为传感器，其用于监测变形时，是将光纤植入被监测体，使光纤与监测对象充分耦合，把测得光纤的变形作为监测体的变形。因此，监测质量的好坏很大一部分取决于监测光纤的铺设，监测光纤与监测对象的耦合程度。沿地铁线路方向，每隔1m在基础上打一固定卡子，卡子与基础充分结合，将光纤拉紧并粘结固定在卡子上。这样就可以使监测光纤与路基混凝土基础耦合在一起，而又基本不破坏基础的构成。当所有光纤铺设、粘结固定完成，经光时域反射计测试光纤铺设情况良好，最后用PVC管将沿线光纤保护起来。类似的，可在轨道侧面固定卡子，使光纤和轨道粘合在一起充分耦合，采用同样的保护办法进行变形监测。
②监测系统组成
监测系统由两部分组成，前端机和数据传输部分。前端机由分布式光纤应变监测系统和监测光纤组成；数据传输部分由GPRS传输模块、无线通信网络、数据接收机组成，在远程数据接收机上就可看到实时的监测数据和曲线。
③监控中心的数据存储及分析
监控中心只需要一台电脑并配备独立IP即可通过网络接收光纤光栅监测解调仪发送的数据，接收到数据后先存储进硬盘，然后再将数据存储进数据库，最后通过网站形式和数据接收软件从数据库中加载数据并显示接收到的数据（和图形），其流程和网页界面如图1所示。通过网站的形式来显示数据的优点在于：不仅在监控中心可以直接观测接收的数据，而且在远方的办公室里也可以通过网络直接观测接收的监测数据，并可将数据下载下来进行进一步的分析处理。
参考文献：
[1]西安地铁二号线穿越活动地裂缝带的结构变形监测方案报告
结构监测方法 篇6
在现有结构设计和评估过程中,环境温度对结构产生的温度效应多采用附加温度荷载的方法,即假定所有结构构件处于某恒定温度条件,计算各构件内部所产生的温度应力。但是,实践表明,由于桥梁各构件表面与环境接触面积不同、日照条件不同以及构件形式、尺寸不同等因素,它们实际具有不同的温度效应,并且温度变化速率各不相同。
红外成像检测技术是20世纪发展起来的一种新的无损检测技术,通过接收物体发出的红外辐射,将其热像显示在图片上,通过测量结构表面的温度场分布情况来判断结构的内部缺陷,具有无损,直观、非接触、大面积扫查等特点。红外检测技术在电力工业、石油工业、钢铁冶金工业、交通运输等行业应用较多,是目前热故障诊断和检测领域先进的有效的方法之一[1]。目前,建筑行业也越来越多的应用红外检测技术来检测路面、房屋结构的病害、缺陷等,为准确检测结构的安全性提供一种有效的手段和可靠的判断依据。
作者提出一种基于红外热成像技术的桥梁结构表面温度监测的实时连续方法,并以内蒙古东部地区某大型薄壁墩桥梁结构为检测对象,对其表面温度分布进行连续监测,分析不同气候条件对桥梁结构表面温度分布产生的影响,为类似结构的温度应力设计和开裂风险评估提供可靠数据。
1 红外热成像技术
1.1 红外检测原理
在自然界,当物体的温度高于绝对零度(-273 K)时,由于其内部分子的热运动或原子无规则热运动的存在,会不断地向空间进行红外辐射。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律,物体表面每一辐射单元的热辐射能量与该单元绝对温度的四次方成正比[2]
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式中,M为辐射单元的热辐射能量;ε为辐射单元表面发射率;δ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,5.67×10-8(W·m-2·k-4);T为辐射单元表面温度,K。
由于物体表面存在一个热辐射能量场,相应有一个温度分布场。红外图像的亮暗反映出物体表面温度的高低,通过对物体表面温度及温度场的监测便可判断物体是否有缺陷。
当混凝土结构存在某种缺陷(如裂缝,空洞等)时,由于缺陷部位的形态不同,造成材料导热系数等的变化而影响红外辐射,直观的表现在红外热像图上就是此处与其他部位的温度分布不一致[3]。基于这个原理,能够对混凝土结构进行红外热像分析,评价混凝土结构的性能。
1.2 红外热像仪原理
红外热像仪是根据物体的红外辐射特性,依靠其内部的光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器(传感器),并转换成电信号,再通过放大电路,补偿电路及线路处理后,在显示终端显示被测物体的温度。红外热像仪成像原理如图1所示[4]。
1.3 仪器
美国FLIR SYSTEMS公司生产的ThermaCam P20型红外热像仪是一种先进可靠的红外热成像系统。其仪器的基本参数如表1所示。
2 红外热像仪对混凝土桥梁的监测
2.1 工程概况
监测对象采用先简支后连续结构的设计,墩身采用50 cm厚薄壁空心结构,梁采用30 m预应力空心预制箱梁(见图2)。桥梁大致为南北走向,墩身一面向阳一面背阴,由于桥梁墩身为空心薄壁结构,受到阳光照射时表面温度变化明显,并且向阳面和背阴面也产生较大的温度差异。另外,空心预应力梁和桥面受到温度湿度等的变化,加之承受荷载等方面的原因,可能存在某种病害。
2.2 监测方案
选取桥梁4#墩墩身向阳面(Ⅰ)、4#墩墩身背阴面(Ⅱ)以及0#墩和1#墩间边跨跨中箱梁上表面(Ⅲ)等结构区域作为监测对象,并进行理论分析。监测点及监测区域具体分布如图2,图3所示。
2.3 结果及分析
2.3.1 对环境温度的监测
对桥梁所处的环境进行连续监测,记录了某一天10:00~16:30时间段内环境温度变化情况。监测时段内平均环境气温为15.8 ℃,最高温度为18.4 ℃,测量时间为13:20,最低温度为12.2 ℃,测量时间为11:00,最大气温差为6.2 ℃。在监测时间段内,10:00~13:00间气温总体为上升趋势,而后温度逐渐下降,15:00后气温趋于稳定。
2.3.2 对桥梁结构温度的监测
2.3.2.1 桥梁墩身红外监测结果与分析
图4、图5为墩身向阳面(区域I),背阴面(区域II)的红外热像图、温度分布曲线和具体温度监测点。
通过红外热像仪对4#墩墩身向阳面(区域Ⅰ),4#墩墩身背阴面(区域Ⅱ)进行温度监测,利用红外热像仪软件对其表面温度场分布进行处理,其变化规律及线性相关性如图6~图9所示。从图可知:薄壁墩墩身表面温度总体低于环境温度,其变化趋势与环境温度变化趋势一致;薄壁墩向阳面(区域I)表面温度在气温上升阶段与环境温度温差较小,而背阴面(区域II)温差较大。薄壁墩向阳面(区域I)表面温度与气温具有一定线性关系,说明气温是影响表面温度的一个主要因素;而背阴面(区域II)由于存在滞后性,因此气温与表面温度间线性关系并不明显。监测结果表明薄壁墩结构表面温度主要受到气温和日照条件的影响。气温决定结构表面温度变化的主要趋势,而结构具体部位的温度受日照条件影响较大。直接日照可以在短期内迅速提高结构表面温度。而结构背阴面的温度相比环境温度变化具有明显滞后性,即环境温度持续作用一段时间后结构表面温度才有显著改变。
图10为环境温度和结构表面温度的温度差变化关系。从图10可知:墩身向阳面的温度与气温之间相差较小,温度变化趋势与气温变化完全一致。这主要是由于向阳面表面温度主要受到日照辐射影响,表面温度上升与下降迅速,与气温受日照影响程度相同。而背阴面的表面温度变化主要依靠大气热量传导作用,与气温变化存在一定的滞后性。因此气温上升阶段,结构表面温度上升速率明显小于气温上升速率,气温与结构表面温度相差较大;当长时间受到气温传导加热作用后,结构表面温度逐步上升,温差逐渐减小。
2.3.2.2 桥梁箱梁上表面红外监测结果与分析
图11为箱梁上表面(区域Ⅲ)的红外热像图、温度分布曲线和具体温度监测点。
图12、图13为箱梁上表面(区域Ⅲ)温度随日照时间变化的相互关系和线性相关图。从图可知:箱梁上表面的温度总体高于气温,只是在降温后略低于气温。整体变化趋势基本一致,箱梁上表面温度主要受到气温和日照的影响。这主要是由于箱梁上表面接受日照的面积大,表面温度上升较快,高于同期的气温变化;而由于降雨的影响,温度陡然下降,表面温度也较之气温下降更快,使得结构表面温度要低于气温。从线性相关图可以看出:箱梁上表面温度与气温具有一定相关性,但气温并非是影响表面温度的主要因素。监测结果表明:升温阶段,箱梁上表面温度主要受日照影响,升温较快;降温阶段,受箱梁内部聚集的热量的逐步释放,降温与环境温度变化一致。
图14为气温与箱梁上表面温度温差图。从图14可知:在升温阶段,气温与箱梁上表面温差较大,箱梁上表面温度高于气温,这主要是由于箱梁上表面温度上升较快,温度变化主要受日照影响;而在降温阶段,气温高于箱梁上表面温度,温差逐渐减小,而后又逐渐上升,这主要是受到降雨影响,以及在降温阶段,箱梁表面温度下降较气温快。
3 结 论
a.红外热成像技术是一种高效、简便、准确的桥梁结构外表面温度监测方法,它可以在短期内迅速对桥梁结构各构件的表面实时温度场进行检测,并进行定量分析。
b.墩身向阳面表面温度主要受到日照辐射影响,表面温度上升与下降迅速,与气温受日照影响程度相同。薄壁墩背阴面的表面温度变化主要受到大气热量传导作用影响,与气温温度变化存在一定的滞后性。气温上升阶段结构表面温度上升速率明显小于气温上升速率,气温与结构表面温度相差较大;当长时间受到气温传导加热作用后,结构表面温度逐步上升,温差逐渐减小。
c.箱梁上表面最大温差变化与环境温度变化基本一致,整体温差变化幅度较小,变化平缓。由于箱梁上表面暴露面积大,整体吸热升温一致,降温受自身聚集热量散发的影响;降温过程温差变化幅度也较平缓。箱梁上表面温差变化在升温阶段主要受到日照影响;而在降温阶段,则主要受到气温和风速影响。
d.除气温、日照、风速等气候条件影响外,短时期内气候剧烈变化(如降雨作用)对桥梁结构表面温度变化具有决定性影响。降雨作用可以在短时间内迅速降低桥梁结构表面温度,使结构整体在短时间内发生较大温差变化。
摘要：提出了一种基于红外热成像技术的混凝土桥梁结构表面温度连续监测的新方法,并分析其表面温度场分布特征及影响因素。监测结果表明:红外热成像技术是一种简便、高效、准确的混凝土结构和构件温度监测的新方法,可以用于评价结构受环境温度影响的程度、结构温度应力产生的机理和预测混凝土材料温致病害的潜在风险。
关键词：无损检测,红外,热成像,温度分布
参考文献
[1]尚亚妮.红外热像诊断技术在建筑工程检测中的应用[J].陕西建筑,2008(6):39-43.
[2]高小明.影响红外热像仪测量精度的因素分析[J].华电技术,2008(11):4-7.
[3]韩继红,张雄.冻融破坏混凝土红外热象特征及损伤程度评定[J].无损检测,1998(12):346-347.
结构监测方法 篇7
1 工程概况
某大跨径双薄壁墩连续刚构桥的跨径组合为 (87+144+87) m, 桥梁长度318 m, 桥梁总体布置示意图见图1。桥梁横断面布置示意图见图2。桥梁建设规模为双向6车道, 总宽为25 m:0.5 m防撞墙+11.75 m车行道+0.5 m中央分隔带+11.75 m车行道+0.5 m防撞墙。桥位河道规划为Ⅳ级航道, 通航尺度按双向通航孔净宽90 m、净高8 m控制。此桥拟安装健康监测系统并建立即时评估系统。
2 桥梁结构健康监测系统概念设计
根据本桥所处地理位置及当地维护能力, 健康监测系统的设计目标制定为:全面获取桥梁运营状况的信息, 评估结构的安全性、耐久性和使用性;为桥梁养护、维修和管理提供决策;对设计假定和设计荷载进行验证, 完善设计规范。
基于本桥健康监测系统设计目标, 提出主要监测内容:桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理和力学状态;桥梁结构构件的耐久性、结构构件疲劳损伤情况评估、可靠性预测;大桥所处环境和承载能力评估。根据主要监测内容, 结合桥梁管养的经济性、可行性及适用性拟定监测参数:环境温度;主跨结构基础不均匀沉降;主梁、主墩结构挠度及变形;主跨结构典型截面应变;裂缝;交通荷载。关系网络示意图见图3。
本桥健康监测系统包括采集测量系统和数据分析处理2个部分, 共计4个子系统 (见图4) 。为使各系统为决策者针对特定目标作出正确决策, 应保证各子系统的可靠性、先进性、可操作性、易维护性、完整性和可扩容性。限于篇幅, 子系统不再赘述。
3 桥梁结构健康监测系统实桥设计
基于本桥构造特点, 制定相关实施方案 (见图5) 。图中T1表示光纤光栅温度传感器测点、T2表示温度传感器测点、MP表示基准桩、MC表示控制点、MT表示测量点、L表示连通计测点、S表示应变测点、V表示主动防撞监视仪测点、TR表示交通荷载监测点。监测方式如下。
1) 环境温度监测。光纤光栅温度传感器布置在桥面和主墩处;温度传感器测点安放在主梁的墩顶、跨中和四分点, 主墩的墩顶和墩底。
2) 主桥结构基础不均匀沉降监测。基准桩共计2个, 布设于河堤稳定基岩上;控制点共计4个, 用于提供桥梁左右侧参考坐标;监测点布设于主墩和边墩承台角点, 主墩布置8个观测点。
3) 主梁、主墩结构挠度及变形监测。主梁挠度采用连通液位计监测, 观测点布设于箱梁内部各八分点处;主墩水平变形采用全站仪, 测点设于墩顶、墩中和墩底。
4) 主跨结构典型截面应变系统。采用磁感应应变计监测混凝土应变, 观测点布设于主跨梁体内部两侧, 分别位于各四分点截面处。主墩、边墩处设在顶部和底部。
5) 裂缝监测。综合考虑测量精度、监测技术成熟度的水平及成本等因素, 采用目测方法寻找裂缝, 再用数显裂缝宽度观测仪测量裂缝宽度。
6) 桥面车辆荷载监测。动态称重系统位于其中一个过渡墩附近, 监测车道数为6车道。
以上6个方面为结构自身特性监测, 采取长期在线监测与人工定期巡检相结合的方式, 保证桥梁能够得到定期体检, 但是考虑到桥位下方航运繁忙, 为避免发生船撞事故, 采用主动防撞系统提供在线预警, 保证船舶航行及桥梁结构安全。
4 桥梁结构服役期使用性能评估方法
本桥服役期使用性能以结构体系可靠度衡量, 评估方法:分解整体结构直至单个构件, 建立各种类型构件的可靠性计算模型, 明确构件之间的功能关系, 根据各种材料、构件特性及荷载计算整个结构体系的可靠性。研究方案见图6。
假定混凝土、钢筋等材料根据桥位环境发生劣化 (计算模型按CECS 220:2007《混凝土结构耐久性评定标准》的相关规定) , 通过健康监测系统得出桥梁构件在时刻t对应的截面特性, 求解结构承载力。结构活载效应为桥面车辆荷载、墩台不均匀沉降、整体温度变化及梯度温度。基于结构抗力、荷载效应及数据统计特性 (假定各参数统计特性均服从正态分布) , 采用一次二阶矩法得出各构件可靠指标[1]。
体系可靠概率采用路集法, 即串并联模型法[2,3]。以本桥整体抗弯承载力为例说明计算方法:建立以主梁构件及薄壁墩为独立单元的串联模型, 根据构件关键截面的抗弯承载力及弯矩的统计信息分别求出每个构件的可靠概率, 再根据串联计算公式得出结构体系抗弯承载力的可靠概率。
5 结语
1) 健康监测系统的监控范围包含桥梁关键部位、桥位自然环境、河道航务、过桥车辆, 形成较为全面的动态实时系统。
2) 体系可靠概率计算方法利用健康监测系统提供的实时数据对大桥的安全性进行动态监控, 为大桥的运维管理提供技术保障。
参考文献
[1]王娴明, 赵宏廷.一般大气条件下钢筋混凝土结构构件剩余寿命的预测[J].建筑结构学报, 1996, 17 (3) :58-62.
[2]秦荣, 梁汉吉, 孙千伟.大型复杂结构体系可靠度分析的QR法[J].广西大学学报:自然科学版, 2008, 33 (1) :10-15.
浅述基坑围护结构综合监测 篇8
一、围护结构的侧向位移
围护结构的侧向位移监测使用的仪器是测斜仪。测斜仪由测斜管、测斜探头和数字式测读仪三部分组成,是一种可以精确地测量沿铅垂方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器,可以用来测量单向位移,也可以测量双向位移,再由两个方向的位移求出其矢量和,得到位移的最大值和方向。
1、测斜管的埋设
(1)围护桩内的测斜管在吊放钢筋笼之前,就绑扎在钢筋上,随钢筋笼一起放入桩孔内;土体内的测斜管就在预定的测斜管埋设位置钻孔。根据基坑的开挖总深度,确定测斜管孔深。即假定基底标高以下某一位置处围护结构后的土体侧向位移为零,并以此作为侧向位移的基准。
(2)安装测斜管时,随时检查其内部的一对导槽,使其始终分别与坑壁走向垂直或平行。测斜管顶部和底部都要装上盖子,防止砂浆、泥浆及其他杂物入内。
(3)测斜管固定完毕后,用清水将测斜管内冲洗干净,将探头模型放入测斜管内,沿导槽上下滑行一遍,以检查导槽是否畅通无阻,滚轮是否有滑出导槽的现象。由于测斜仪的探头十分昂贵,在未确认测斜管导槽畅通时,不允许放入探头。
(4)测量测斜管管口坐标及高程,做出醒目标志,以利保护管口。现场测量前务必按孔位布置图编制完整的钻孔列表,以与测量结果对应。
2、操作要点
(1)连接探头和测读仪。在连接测读仪的电缆和探头时,要使用原装扳手将螺母接上。检查密封装置、电池充电情况(电压)及仪器是否能正常读数。当测斜仪电压不足时必须立即充电,以免损伤仪器。
(2)将探头插入测斜管,使滚轮卡在导槽上,缓慢下至孔底以上0.5 m处。注意不要把探头降到套管的底部,以免损伤探头。测量自下而上地沿导槽全长每隔0.5 m测读一次。为提高测量结果的可靠度,每一测量步骤中均需一定的时间延迟,以确保读数系统与环境温度及其他条件平稳。
(3)测量完毕后,将探头旋转180°,插入同一对导槽,按以上方法重复测量,前后两次测量时的各测点应在同一位置上;在这种情况下,两次测量同一测点的读数绝对值之差应小于10%,且符号相反,否则应重测本组数据。
二、围护结构的内力、支撑轴力测量
围护结构内力、支撑轴力监测就是用钢筋计对桩身钢筋和锁口梁钢筋中较大应力断面处应力进行监测,同时对锚杆和钢筋混凝土及钢筋内支撑受力状况进行监测,以防止围护结构的结构性破坏。
1、钢筋计的工作原理
当钢筋计受轴力时,引起弹性钢弦的张拉变化,改变钢弦的振动频率,通过频率仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小,换算而得混凝土结构或钢支撑所受的力。
2、钢筋计的安装
围护桩内的钢筋计焊接在钢筋笼主筋上,当作主筋的一段,焊接的面积不应少于钢筋的有效面积。在焊接钢筋计时,为避免热传导使钢筋计零漂增加,需采取冷却措施,可用湿毛巾或流水冷却。钢支撑的钢筋计是焊接在端头附近,两侧对称各布置一个。
三、围护结构的侧土压力监测
桩侧土压力的监测通常是在桩墙迎土面埋设土压力传感,通过相应的接收仪器来读取所需的数据。
1、土压力计的工作原理
土压力计使用双膜钢弦式。工作原理跟钢筋计基本相同,其接触面对变化不大的土压力较为敏感,受力时引起钢弦振动或应变片变形,弦的自振频率也发生变化。利用脉冲激励,使钢弦起振,并接收其频率。按事先标定的“压力一频率”关系曲线,即得出作用在土压力计上的压力值。
2、土压力计的安装
测量侧压力时,土压力计绑扎于钢筋上,接触面紧贴土体一侧。但根据实际操作经验,土压力计绑扎在围护结构的钢筋上,成功的把握不是很大,因为在浇混凝土时,难以保证混凝土不包裹土压力计。最好的安装方法还是在围护结构的外面钻孔埋设土压力计,并在孔中注入与土体性质基本一致的物质,填实空隙。
四、工程实例
1、工程概况
杭州市钱江路地下通道工程四标段隧道主体结构划分为10段,其中U型槽(K4+060～K4+190)划分为4段,分段长度为30m～40m不等,基坑开挖深度最深为7.5m;暗埋段(K4+190～K4+510)划分为6段,分段长度30m、40m、89m、75m、66m不等,超过40m的节段中间设置后浇带,暗埋段基坑开挖深度7.5m～10.9m。根据基坑开挖深度不同,本次设计临时围护结构采用土钉墙支护(开挖深度在3m～7m)和钻孔灌注咬合桩(开挖深度大于7m)。本标段基坑开挖均为明挖顺作法施工,支撑体系采用现浇钢筋砼围檁及内支撑,钢筋砼内支撑根据结构开挖深度不同,挖深在10m以下布置一道钢筋砼支撑,挖深10.5m时布置二道钢筋砼支撑,横向间距14m～18m不等。
2、数据分析
施工过程中发生一次异常情况。根据当天的监测报告,有多处监测值异常。支撑轴力监测数据变化曲线见图1。
(1)内支撑梁上的轴力监测点GJ5处轴力值达到了5 850 kN、此处轴力设计值为7181 kN,超过了轴力报警值5745 kN。
(2)与GJ5邻近的支撑梁位移监临测点DH3的位移变化速率达到了2.5 mm/d,大于2 mm/d的报警值,累计位移未超过设计计算值。
(3)围护桩顶面水平位移监测点D6的变化速率为2.1 mm/d,大于报警值2 mm/d;累计位移5 mm小于设计计算值24.5 mm。D7点的变化率为2.5mm/d,大于报警值2 mm/d;累计位移4.5 mm小于设计计算值24.5 mm。
(4)深层土体位移临测点CX4的变化速率为8.3 mm/d,大于报警值2mm/d;累计位移11.5 mm小于设计计算值70 mm。
3、原因分析与应急措施
经现场技术人员对整个支护系统进行全面的检查,发现:与监测点GJ5,DH3邻近的一根联系梁发生竖向裂缝。
应急措施为:停止该区域土方开挖,并把已开挖到坑底的部位暂时向上回填3m。
在以后的开挖中,施工单位严格按照支护设计要求开挖。数天以后,各监测数值开始逐渐回稳。两个月后,轴力监测点GJ5处轴力值为5 333 kN,环梁位移监测点DH3的位移变化速率为0 mm/d,各点的监测值基本稳定。
五、结语
监测控制是基坑围护结构工程中不可或缺的重要组成部分。在围护结构施工中,对各监测项目的控制是一项十分严肃的工作,它不仅检验围护结构工程设计计算是否可靠,同时也是确定施工组织和流程是否合理,也是保证周围环境安全的主要依据。应根据结构工程自身的特点、监测目的、周边要求,结合施工经验制定监测项目等级,按不同的变形标准进行监测。
摘要：本文阐述了深基坑围护结构工程的多种监测技术措施,结合工程实例对出现的异常情况进行分析并提出应急措施。
关键词：深基坑,围护结构工程,监测
参考文献
[1]吴彰森,胡耀平.基坑支护工程监测技术研究.《科技资讯》2009年第9期
[2]黄聪.监测深基坑安全施工的几点方法.《山西建筑》2 009年6月
基坑支护结构内力变形监测分析 篇9
1 基坑支护结构内力变形监测要求
基坑的变形现象主要体现在在3个方面, 支护墙体的变形、基坑底部的突起以及地表不同程度的沉降。其中对支护结构变形的预测是作为基坑变形的一项最常见的预测, 因为基坑支护墙墙体的变形就会导致墙体的的外侧地面发生变化, 促使基坑内的位移和底部土体的拱起。由于受到地质水以及各方面的影响就使得我们在实验室内而得到的支护机构应力变形等数据域实际测量工作中得到的数据还是有很大的差距的。为看了让实际检测的数据和实验得要的理论数据相一致, 我们就可以从实际的检测到的数据用反分析的方法去修改计算机模型中的一些参数, 再根据这些参数, 运用正分析的方面从而计算出下一个施工阶段的数据。
2 基坑支护结构内力变形的控制措施
2.1 控制要求
基坑变形主要控制方法主要为加深、加刚、加固、降水、随挖随撑, 增加维护结构和支撑的刚度, 增加围护结构的入土深度, 加固被动区土体, 控制降水减少开挖时间, 随挖随撑, 缩短暴露。
2.2 控制措施
2.2.1 冻结+排桩支护技术
地基冻结排装桩伐法顾名思义就是将两种技术互相结合取长补短, 是一种大胆的技术创新, 将含有水的地基坑的封水结构, 利用排桩和内部的支撑系统来作为受力层用来抵抗水土带来的压力。但是由于现在的岩土力学这方面的基本理论还不是很成熟, 就使得运用这种技术所得到的力学数据与实际检测到的数据还是有很大的出入, 这就要求我们要多次的进行工程检测, 将信息反复的比较及时的发现和解决问题, 以保证工程的安全的进行。冻结止水适用于各种不良地质, 并且基坑越深, 经济上、工期上的优势也就越大, 特别是对地下水丰富的软土地层就更加具有优越性, 适用于25 50米的大型和特大型基坑, 矩形、圆形和其他几何形状的施工。
2.2.2 型钢+搅拌桩支护结构技术
型钢+水泥土复合搅拌桩支护结构的主要工程就是可以抵抗侧向水土的压力已经能够有效的驻足地下水渗漏, 目前这种技术主要引用在深基坑支护。目前主要是使用的是以下两种结构的形式:一种就是在水泥土墙中插入断面交大的H型钢, 主要是利用型钢能够承受的侧压力, 基本上就是不考虑水泥土的承载能力, 水泥土只是作为止水幕墙, 而型钢一般也是不需要喷涂隔离剂, 等到基坑工作结束以后再将型钢拔出, 达到节省钢材的目的。另一种方面就是在水泥墙内外两侧压力比较大的区域插入断面比较小的工字钢等, 这种方面的原理就是利用水泥土和工字钢的共同作用来承受水土带来的巨大压力还可以有效的止水。成墙厚度可低至550毫米, 围护结构占地和施工占地大大减少。废土外运量少, 施工时无振动、无噪声、无泥浆污染。工程造价较常用的钻孔灌注排桩方法可节省20%30%。该技术可在黏性土、粉土、砂砾土使用, 目前在国内主要在软土地区都有成功应用。这种技术目前可应用在开挖深度15米下的基坑围护工程。
3 基坑支护结构内力变形的控制辅助措施
3.1 严格分包管理
在基坑工程方面, 一定要强调建设单位不得将基坑工程分为几个部分承包给不同的单位。基坑环境包补等位二级以及以上的单位, 在围护设计前必须要委托给有一定的资质的房屋检测单位, 通过对周边建筑物的倾斜、差异以及沉降结构的接侧来确定其对基坑检测的影响, 从而作为设计单位未来确定基坑变形控制标注的一个依据。对于在基坑工程施工当中比较关键或危险性比较大的工段的时候, 施工方必须要求设计人员应驻在现场, 以防止不必要的危险发生。而总到单位必须对基坑工程中的一切的质量安全问题负全责。
3.2 强调监理管理
在基坑工程开挖前进行严格验收是建设单位必须要的一项强制要求, 只有拿到总监理工程师亲自签署的开挖令才可以实施。对于以下行为建设单位不接受的, 监理单位应当及时的上报给当地的建设行政管理部门, 如出现质量、安全事故等隐患时, 监理下达书面指令要求其整改或者暂停施工而拒绝实施的。
3.3 注重施工堆载管理
设计单位应明确堆载限值和基坑周边堆载范围。由于临时需要在原定的堆载范围以外堆土的, 施工单位必须要要经过明确的查验以后制定对应的方案, 从而来确定具体的堆载限制和范围, 并且申报给总包单位等到验收以后才可以堆土的。另外在已经建好的建筑物周边堆土或者是覆土的, 也是要建设单位必须要跟原建筑物的设计单位之间进行协商和核算, 由于地面堆载对周围建筑物地基造成的附加变形, 经妥善协商处理好以后才能进行施工。
总之, 在现代建筑施工中, 我们要因地制宜地做好基坑支护结构的设计和施工, 要密切监测在基坑开挖过程中所引起支护结构的内力变形, 同时积极进行管理, 确保每个基坑工程都能安全保质保量的完成。
参考文献
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网卡流量监测新方法 篇10
关键词：流量监测 网卡 USB 单片机
0 引言
无线网卡越来越成为上网的流行趋势，对于它的流量监测一直是用户面临的一个重要问题。目前监测流量的方法都是采用软件检测，它有一个难以弥补的缺点：如果3G网卡在电脑甲上用了5M流量，再到自己的電脑上继续用那么电脑甲的流量自己的电脑就检测不到这样就造成了软件检测流量不可靠。如果网卡自身可以监测流量那么这个问题就得以解决。目前虽然有检测3G网卡流量的技术，但是他采取的方法是捕获数据包，因为数据中间专门有一个字段是记录该数据包的大小的，只要读到这个字段再累加就可以得到流量。但是这也只能检测一种网卡的流量。将来有可能出其他种类的网卡，本文主要谈网卡流量监测的通用方法，所以具有前瞻性。
1 流量监测基本原理
网卡采用USB接口与电脑相连，数据传输采用的是D+和D-之间的差动信号传输的，并且采用NRZI编码。在NRZ-I编码中，编码后电平只有正负电平之分，没有零电平，是不归零编码。NRZ-I电平的一次翻转代表逻辑0。与前一个电平相同的信号代表逻辑1（翻转为0，不变为1）。仔细观察，我们发现，NRZI编码信号经过反向后，还原的内容不变。典型应用如USB传输。
根据这一编码原则，假设发送端传送8位数据流0000 0001B，前面的7个0位经过NRZ-I编码后，将得到7次翻转信号。在接收端根据脉宽很容易得到同步接收时钟。此后根据这个频率的倍频来采样后面的数据。在传输过程中，每一次编码的跳变都可以用来同步。这种同步机制在USB低速和中速传输中得到应用。即发送数据前，首先发送同步头SYNC，内容为01H。这样就可以同步传输数据了，且字节开头和结尾不需要起始位和停止位。在USB高速传输中，同步头SYNC为00 01H，15个翻转信号。
USB协议规定：如果要发送的数据中出现有连续的6个1，则在进行NRZI编码前，在这6个连续的1后面会插入1个0，然后再进行NRZI编码。接收端收到连续6个1，将自动去掉后面的1个0。这样就使得USB通信的接收同步更加可靠。无论数据是什么样子，最终都是0和1的代码，只要知道这些代码就知道走过了多少流量。D+对地的信号可以用示波器打出来，高的认为是1，低的认为是0，这样的数据再经过NRZI解码就是传输的数据。要知道传送了多少数据就一位位数出来就是了。
2 流量监测的几种方法
2.1 串行通信法
从USB的D+端引出一根线作为数据线，然后另外一根线作为时钟线，这样可以作为同步串行信号读取数据。读取出的数据单位是位，所以需要转换单位。如果为了精确数据流量可以在读到这一串代码之后转码，把连续多个的0过滤掉剩下的就是我们需要的流量。这个方法最大的优点就是准确度高，很可靠；缺点就是硬件设计较复杂，程序也难调试。
2.2 概率法
数据传输过程中0和1是有规律的，但是以位为单位时数据流量很大而且由于输送的指令我们在发生之前是不知道的，所以0和1的代码可以用随机事件流解释。泊松分布的参数λ是单位时间（或单位面积）内随机事件的平均发生率。泊松分布适合于描述单位时间内随机事件发生的次数。一段时间内一个上升沿到周围的下降沿一共隔了几位数据（设为K）基本符合泊松分布，经过试验发现它基本服从λ=3.0的泊松分布。有了这个知识我们的问题变得简单了，只需要从D+接一根线到单片机的计数器引脚，每个下降沿中断一次计数累加。假设计数器结果是n个下降沿，那么由泊松分布表知：假设P（K）表示值为K的概率，数据位数W=n[2P（K）1+3P（K）2+4P（K3）……9P（K9）]，超过9位的数据忽略掉。经过单位转换后由显示屏显示即可。这个方法最大的优点就是可以简化电路和程序调试难度；但是数据不如方法一准确。表1是关于λ=3.0泊松分布表用到的的一部分。
3 硬件设计
3.1 芯片介绍
单片机芯片STC12C5608AD：
STC12系列单片机是宏晶公司生产的单时钟机器周期的单片机是高速，低功耗，强抗干扰的新一代8051单片机。指令系统完全兼容8051但是比8051快8到12倍，内部集成MAX810专用复位电路。它有4路PWM/PCA（可编程计数阵列），可以用作四路D/A转换，也可用来实现四个定时器。
3.2 总体电路设计
该系统主要是从USB接口的D+引出一根线再通过三极管的共射极放大电路放大波形，再通过运算放大器放大波形把波形放大到单片机可以检测得到。由于在波形放大的过程中，波形可能产生失真导致单片机误读，所以再加一个斯密特触发器整理为方波送到单片机引脚监测。
芯片是STC12C5608AD，数据采集模块把波形传送到INT0引脚后单片机自动监测下降沿个数，根据概率统计可以做一个算法估计已经用了的流量，流量超过了一定额度立马报警。
4 误差分析与解决
上述的两种方法都会把不该计入的数据流量算进去，所以存在一定误差。消除误差主要以实验方法来实现。首先，我们这种方法统计的流量中不该计入的部分是每部分都有的一些标识字段，所以他应该是均匀的线性的误差。有了这个假设那么就有了试验方法。在360上监测网卡流量时同时用我们设计的系统检测流量。整个过程中我们的系统会与360监测结果出现偏差，我们只检测10分钟，假设差值是a，实验十次或者更多取平均值得到结果A，那么可以认为每秒钟流量误差有A/36000。这样的话在写检测流量程序的时候，只需要每秒在原来监测的基础上加A/36000（A有正负）就行了。为了保证这个流量监测装置能及时报警可以多加一部分上去以保证监测的流量比实际流量稍大。
5 实验与总结
最终成品是用的第二种方法——概率法，电路图已经给出。第一种方法虽然精确但是电路结构比较繁琐，第二种方法简洁很多，无论是硬件电路还是程序第二种都比较方便，而且容易调试。综合上述原因最终决定用概率法。由表2可以知道误差是随着数据流量的增大而减小的，这符合了我们之前的概率假设，因为数值越大越符合统计规律，随机事件流的规律就会越发明显。
参考文献：
[1]刘青丽.基于USB2.0接口技术的数据采集系统的设计与实现[D].成都：西南交通大学，2004.
[2]周云峰.基于USB2.0的高速同步数据采集系统设计[J].电子技术应用，2004，30（2）.
[3]陈启美.USB协议层[J].电力自动化设备，2001，21（5）.
[4]吴赣昌.《概率论与数理统计》.理工类第四版.北京：中国人民出版社，2006.
