專利名稱：一種基于應(yīng)變動態(tài)量測的多向耦合裂縫計的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木與機械工程結(jié)構(gòu)變形的實時監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其適于在 地震等快速加載小尺度模型試驗中采用，涉及到預(yù)留縫、結(jié)構(gòu)接縫等局部構(gòu)造 縫的靜動態(tài)錯動、開度的量測裝置的設(shè)計方法，特別是一種基于應(yīng)變動態(tài)量測 的多向耦合裂縫計的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
地震作用下，結(jié)構(gòu)接縫、預(yù)留縫等局部構(gòu)造縫會產(chǎn)生持續(xù)改變的變位。這 種變位又體現(xiàn)在縫開度、及錯動等多個方向。該變位量的大小將直接關(guān)系到結(jié) 構(gòu)整體性，從而影響對結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載能力的判斷，關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的抗震安全 與否。目前，國內(nèi)外檢測該物理量多采用測縫計，以在壩體周邊縫、基巖裂隙、 結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)縫及滑坡等原型領(lǐng)域長時緩慢變形觀測中應(yīng)用較為廣泛?，F(xiàn)時采用的 多向測縫計通常由單支位移計(也可成為位移傳感器)按不同方向組裝而成。以該 形式組裝多向測縫計，當(dāng)縫在任一個方向上發(fā)生位移時，即使其他方向上縫沒 有發(fā)生任何位移，其他方向上的位移計也會產(chǎn)生讀數(shù)，從而帶來較大誤差，不 能有效分離縫多向變形間的耦合影響。而以單支位移計的測量原理來區(qū)分，又 主要有金屬絲、光纖光柵型、激光等幾種，主要為縫體結(jié)構(gòu)在緩慢變形條件下 的長期監(jiān)控而設(shè)計， 一般結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整體尺寸較大，造價也相對昂貴，需 要在原型結(jié)構(gòu)上固定安裝，不適用于在模型動載試驗中一次性大量采用，也不 利于在小尺度工程結(jié)構(gòu)上安裝。此外，由于動態(tài)測量靈敏度或反應(yīng)滯后等問題 的存在，不利于短時地震等快速動加載條件下的變形測量與數(shù)據(jù)記錄，容易引進(jìn)測量誤差。地震等動態(tài)載荷作用下，結(jié)構(gòu)力學(xué)物理量以應(yīng)變量測最為廣泛， 但基于應(yīng)變量測的多向裂縫計尚未見報道，核心問題是貼有應(yīng)變片的簡單平直 的金屬載片也只能體現(xiàn)單一方向的變形情況，解決不了與結(jié)構(gòu)縫開度、錯動等 多向局部坐標(biāo)下的變形協(xié)調(diào)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于應(yīng)變動態(tài)量測的多向耦合裂縫計的設(shè)計方法，克服現(xiàn) 有組合式多向裂縫計不利于體現(xiàn)耦合變位的影響，單向位移計容易被其他方向
位移牽動發(fā)生數(shù)值改變的問題；解決現(xiàn)有多向裂縫計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸相對較大，
價格昂貴，不利于在小尺度結(jié)構(gòu)或模型試驗中大量一次性采用的問題；克服現(xiàn)
有多向裂縫計主要適用于長時緩變工況，不利于地震等短時強動條件下的裂縫 變形情況的監(jiān)測問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是以由待測結(jié)構(gòu)縫兩個側(cè)立面內(nèi)引出的貼有應(yīng)變片的 金屬應(yīng)變載片為基本量測單元，則裂縫面間的開度^與錯動"/變位大小將耦合 體現(xiàn)在應(yīng)變片量測值上。彈性范圍內(nèi)，縫間相對變位(^, )與每一個應(yīng)變片量 測值(^)之間滿足線性疊加關(guān)系，即s,.= .、+ . 。進(jìn)而，以形狀相似、大
小不一的兩個應(yīng)變載片嵌套的形式，構(gòu)造兩層應(yīng)變片量測環(huán)路，既完成主要元 件的布置。通過這兩個線性無關(guān)的應(yīng)變片量測值與同一裂縫開度、錯動變位間 的關(guān)系方程組求解，便可解耦裂縫多向變位對應(yīng)變量測值的影響，獲得待求裂 縫的變形值。本設(shè)計還有以下的局部優(yōu)化方案l.增加一個應(yīng)變載片的數(shù)量，則 測定的應(yīng)變值數(shù)量將大于開度與錯動兩個未知量的數(shù)目，而形成非線性方程組 的形式，采用最小二乘的數(shù)值方法進(jìn)行求解，利于減小應(yīng)變量測值誤差對線性 方程組求解的影響；2.在結(jié)構(gòu)縫的外緣處預(yù)設(shè)膨脹螺栓式的卡槽，以插接的形式優(yōu)化應(yīng)變量測載片組與待測結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)立面間的連接形式，保證裂縫面與應(yīng)變 載片觸片間變形的一致性，簡化安裝難度，避免工藝過程中引入的誤差。
本發(fā)明的有益效果是，僅以技術(shù)成熟的應(yīng)變動態(tài)量測值為依據(jù)，測值可靠， 測值單一，數(shù)據(jù)分析簡單，利于地震等短時快速加載過程中裂縫變形的監(jiān)測；僅 采用金屬應(yīng)變載片、電阻式應(yīng)變片等元件，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，價格便宜，利 于在小尺度結(jié)構(gòu)或模型試驗中大量一次性采用。


圖1是本申請具體實施例中應(yīng)變量測載片的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是應(yīng)變量測載片的一種組合形式示意圖。
圖3是圖2的側(cè)視圖。
圖4是圖2的正視圖。
圖5是基于應(yīng)變量測的多向耦合裂縫計一個實施例的組合構(gòu)造示意圖。
圖中l(wèi).圓弧型金屬應(yīng)變量測載片；2.觸片；3.電阻式應(yīng)變片；4.含待測構(gòu)造 縫的工程結(jié)構(gòu)；5.待測構(gòu)造縫的兩個側(cè)立面；6.多通道應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀；7.安裝 應(yīng)變載片的鋼制固定支架。
具體實施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方式
。 參照圖1，采用彈性較好、強度適中的銅片等金屬材料，直接壓制成兩個不 同直徑2cm 5cm的圓形、橢圓形、或"Q"形等形狀的應(yīng)變量測載片1。該載 片1應(yīng)保留有一定的觸片2長度(約lcm)，以方便在縫面位置處固定。金屬應(yīng)變 量測載片1的寬度(約1.8cm)要遠(yuǎn)大于厚度(約0.1cm),以保證載片上的應(yīng)變測量 值體現(xiàn)沿載片圓周向的變形情況。電阻式應(yīng)變片3應(yīng)該沿圓周方向，順向貼于載片1的外弧面頂部。此外為避免應(yīng)變量測的各類誤差，應(yīng)同時在模型外圍布 置溫度補償?shù)葮蚵贰?br> 建立金屬應(yīng)變量測載片的觸片2間相對變變位(^, )與各應(yīng)變載片1外弧
面內(nèi)應(yīng)變片3量測值0,，k[l,2])的數(shù)值關(guān)系。載片彈性變形范圍內(nèi)，觸片間相對
變位(",，)與應(yīng)變量測值s,間的關(guān)系式表達(dá)如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
上式體現(xiàn)了耦合變位對應(yīng)變片3量測值的影響。^反映了觸片2間的水平
向開度，s反映觸片2間的面內(nèi)錯動變位。(^,，",,)是與第^個應(yīng)變量測載片1
相對應(yīng)的常系數(shù)，需要通過后敘試驗方法進(jìn)行標(biāo)定。
參照圖2，兩個應(yīng)變量測載片1應(yīng)該形狀完全相似，尺寸不同，以觸片2位 置為基準(zhǔn)相嵌套，各觸片2的長度應(yīng)該相等。將兩個應(yīng)變載片1的對應(yīng)觸片2 粘接或者焊接在一起，以避免產(chǎn)生相對變形。兩個載片1的對應(yīng)觸片2的粘接 過程中，觸片要頂部對齊，以保證應(yīng)變片3量測值均體現(xiàn)同一觸片2頂點對間 的開度與錯動變位。于是，由兩個應(yīng)變載片l外弧面內(nèi)的應(yīng)變片3量測值s,,便 可通過聯(lián)立求解下述方程組，求得觸片2即構(gòu)造縫兩側(cè)立面5間的相對開度^與 面內(nèi)錯動變位 。
<formula>formula see original document page 6</formula>
圖3給出了圖2所示應(yīng)變量測載片組的側(cè)視圖。兩個應(yīng)變載片位于同一量 測平面內(nèi)。
圖4給出了圖2所示應(yīng)變量測載片組的正視圖。
參照圖5，為克服混凝土等脆性材料在裂縫邊界處不宜固定的缺點，首先在 結(jié)構(gòu)4外表面構(gòu)造縫兩個側(cè)立面5的外緣以螺栓對稱固定一對"L"型鋼制固定支架7，保證與縫面平齊的較短(約0.6cm)的鋼支架直立邊之間的相對變位即體 現(xiàn)為裂縫面間的變形；再將圖2所示應(yīng)變載片組的一對觸片2緊貼鋼支架直立 邊以粘接或焊接的形式固接，保證觸片2與鋼支架直立邊的頂點位置對齊；最 后將各組應(yīng)變片3的電導(dǎo)線通過補償橋路連接于多通道應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀6，即完 成基于應(yīng)變動態(tài)量測的多向耦合裂縫計進(jìn)行構(gòu)造縫動態(tài)變形測量的硬件系統(tǒng)組 裝。
具體動態(tài)加載試驗前，應(yīng)按常規(guī)應(yīng)變標(biāo)定方法，針對圖2所示同一個應(yīng)變 載片組，通過在觸片2間按單一方向施加給定相對變位，量測各應(yīng)變載片3的 應(yīng)變值，以標(biāo)定各應(yīng)變片3量測值與觸片2間開度、面內(nèi)錯動相對變位的關(guān)系 式中的常系數(shù)(^, )。如保持^=0，改變 的大小，依次測量各應(yīng)變載片3的 應(yīng)變值s,，再線性回歸公式系數(shù) =^>/^>,;同理，保持 =0，改變^的大 小，依次測量各應(yīng)變載片3的應(yīng)變值e,，再線性回歸公式系數(shù)《 =^>^5>,。
動態(tài)加載試驗開始后，只要持續(xù)動態(tài)監(jiān)測各應(yīng)變片3的量測值，便可通過聯(lián) 立求解前述方程組，獲得觸片2即裂縫兩側(cè)立面5間的相對開度^與面內(nèi)錯動 變位時程^。
權(quán)利要求
1. 一種基于應(yīng)變動態(tài)量測的多向耦合裂縫計的設(shè)計方法，其特征在于按下列步驟進(jìn)行a)由裂縫側(cè)立面(5)引出相嵌套的兩個金屬應(yīng)變載片(1)；b)各應(yīng)變載片外弧面內(nèi)順弧向粘貼電阻式應(yīng)變片(3)；c)采用裂縫張開ux與錯動uy的多向變位與每一個應(yīng)變片(3)量測值εi之間的公式關(guān)系εi＝αxi·ux+αyi·uy，并通過試驗方法標(biāo)定其中的常系數(shù)(αxi，αyi)；d)僅基于各應(yīng)變片(3)的動態(tài)量測值，按如下求解公式，來確定裂縫側(cè)立面(5)之間的變位值。
2.按照權(quán)利l所述的基于應(yīng)變動態(tài)量測的多向耦合裂縫計，其特征是:兩個應(yīng)變載片位于同一量測平面內(nèi)。驟進(jìn)行:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于應(yīng)變動態(tài)量測的多向耦合裂縫計的設(shè)計方法，適于土木與機械結(jié)構(gòu)中局部構(gòu)造縫的靜動態(tài)多向變位的量測。其特征是，從裂縫側(cè)立面(5)引出形狀相似、尺寸不同、相嵌套的兩個弧型金屬應(yīng)變載片(1)；以載片(1)上的應(yīng)變片(3)作為唯一測值來分析裂縫多向變位的大小；根據(jù)應(yīng)變片(3)量測值間的線性無關(guān)特點，建立裂縫在張開、錯動兩個垂直方向上的變位與應(yīng)變片(3)量測值間的公式關(guān)系，進(jìn)而由應(yīng)變值(3)通過線性方程組求解得到對應(yīng)縫間的多向變位值。僅以應(yīng)變動態(tài)量測值為依據(jù)，利于地震等短時快速加載過程中裂縫變形過程的監(jiān)測；結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，價格便宜，利于在小尺度結(jié)構(gòu)或模型試驗中大量一次性采用。
文檔編號G01M99/00GK101435747SQ200810229760
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者靜 李, 李建波, 皋 林, 陳健云 申請人:大連理工大學(xué)