一种梁结构损伤监测装置及其监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种梁结构损伤监测装置及其监测方法，包括如下步骤：1）在梁结构上放置一个可移动的质量块，利用质量块的重力对梁结构进行静力加载，然后按照移动规律逐次移动质量块，来实现对梁结构进行多次静力加载；2）利用无线位移传感器、无线数据采集仪器测量获得每次加载后梁结构的挠度参数；3）定期重复上述过程来采集挠度参数；4）依次将每相邻两期所采集的挠度参数作为一组输入到损伤监测器中，即可监测出梁结构是否发生损伤，损伤的部位以及严重程度。本发明无需要求事先大概知道损伤位置，克服了现有技术预判性较差的缺陷；同时，本发明所需设备简单，成本低廉，易于操作实施，能对梁结构的健康工作状况作长期监测。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种结构损伤监测装置及监测方法，具体涉及一种梁结构损伤监测装 置及其监测方法，属于土木工程检测【技术领域】。 一种梁结构损伤监测装置及其监测方法
【背景技术】
[0002] 梁结构是工业及民用建筑中最常见的一种构件，如公路、铁路桥梁，框架梁，雨篷 梁等。由于受到长期荷载以及环境腐蚀等的影响，梁结构将不可避免的出现裂纹等损伤状 况，必须对这些损伤情况进行准确的监测，以便于及时维修加固，从而避免灾难性的后果发 生。
[0003] 传统的损伤监测方法如超声波方法、磁场方法、温度场方法等，都要求事先大概知 道损伤位置，并要求被检测部位设备可以到达，因此预判性较差，工作量大耗费高，故不适 用于大型土木工程结构的损伤监测。
[0004] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种改进的梁结构损伤监测装置及其 监测方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
[0005]
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，易于操作实施，并 能对梁结构的健康工作状况作长期监测的梁结构损伤监测装置。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种梁结构损伤监测装置的监测方法。
[0007] 为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种梁结构损伤监测装置，其用 于监测梁结构的损伤情况，其包括质量块、无线位移传感器、无线数据采集仪器以及损伤监 测器；其中，所述质量块布置于梁结构上并能在梁结构上移动；所述无线位移传感器设置 于梁结构上，其和无线数据采集仪器无线连接；所述损伤监测器和无线数据采集仪器连接。
[0008] 本发明的梁结构损伤监测装置进一步设置为：所述梁结构具体为悬臂梁，所述无 线位移传感器设置在悬臂梁的自由端。
[0009] 本发明的梁结构损伤监测装置还可设置为：所述梁结构具体为简支梁，所述无线 位移传感器设置在简支梁的跨中位置。
[0010] 为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种梁结构损伤监测装置的监 测方法，其包括如下步骤： 1) ，在待测梁结构上放置一个可移动的质量块，利用该质量块的重力对梁结构进行静 力加载，然后按照移动规律逐次移动该质量块，来实现对梁结构进行多次静力加载； 2) ，利用无线位移传感器、无线数据采集仪器测量获得每次加载后梁结构关键位置处 的挠度参数； 3) ，定期重复上述过程来采集挠度参数； 4) ，依次将每相邻两期所采集的挠度参数作为一组输入到损伤监测器中，即可监测出 梁结构是否发生损伤，损伤的部位以及严重程度。
[0011] 本发明的梁结构损伤监测装置的监测方法进一步为：所述质量块的重量为梁结构 自重的l/KTl/20 ;所述质量块的移动轨迹为直线，每次移动的间距为梁结构总长的1/10， 每次移动质量块以后静止放置10分钟开始测量读数。
[0012] 本发明的梁结构损伤监测装置的监测方法进一步为：当梁结构为悬臂梁时，其关 键位置在自由端；当梁结构为简支梁时，其关键位置在跨中。
[0013] 本发明的梁结构损伤监测装置的监测方法还为：所述损伤监测器的诊断过程包括 如下步骤： 首先，将相邻两期所采集的挠度参数求差值，即将后一期采集的参数减去前一期采集 的参数，从而得到一个挠度差向量； 然后，将所得的挠度差向量绘制成曲线图； 最后根据所得曲线图来判定梁结构的损伤状况，若所得图形基本为一条直线则表明梁 结构没有损伤，若所得图形为一条折线则表明梁结构已经发生了损伤，损伤部位在折线的 转折点处，折线所形成的尖角越小则表明损伤越严重。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 1. 本发明无需要求事先大概知道损伤位置，克服了现有技术预判性较差的缺陷； 2. 本发明所需设备简单，成本低廉，易于操作实施； 3. 本发明克服了现有技术工作量大耗费高的缺陷，能对梁结构的健康工作状况作长 期监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的梁结构损伤监测装置应用于简支梁时的实施示意图。
[0016] 图2是本发明的梁结构损伤监测装置应用于悬臂梁时的实施示意图。
[0017] 图3是当简支梁中节点③-④之间的位置处分别发生20%和30%的刚度损伤时， 应用本发明对简支梁进行损伤监测的结果图。
[0018] 图4是当悬臂梁结构中节点⑥-⑦之间的位置处分别发生15%和40%的刚度损伤 时，应用本发明对悬臂梁进行损伤监测的结果图。
【具体实施方式】
[0019] 实施例1 图1是本发明的梁结构损伤监测装置应用于简支梁9的实施示意图，其由质量块1、无 线位移传感器2、无线数据采集仪器3以及损伤监测器4等几部分组成。其中，所述质量块 1布置于简支梁9上并能在简支梁9上移动。所述无线位移传感器2设置于简支梁9上，其 和无线数据采集仪器3无线连接。具体的说，所述无线位移传感器2设置在简支梁9的跨 中位置。所述损伤监测器1和无线数据采集仪器3连接。
[0020] 为了模拟损伤情况，预先假设图1中节点③-④之间的位置处分别发生了 20%和 30%的刚度损伤。
[0021] 应用本案所提方法对图1所示简支梁9进行损伤监测的步骤如下： 首先，在图1简支梁上放置一个可移动的质量块1，利用该质量块1的重力对简支梁9 进行静力加载，然后按照一定的移动规律逐次移动该质量块1，来实现对简支梁9进行多次 静力加载； 其次，利用无线位移传感器2、无线数据采集仪器3测量获得每次加载后简支梁9关键 位置处的挠度参数； 第三，定期（如每月一次）重复上述过程来采集挠度参数； 最后，依次将每相邻两期所采集的挠度参数作为一组输入到损伤监测器4中，即可监 测出简支梁9是否发生损伤，损伤的部位以及严重程度。
[0022] 其中，所述质量块1的重量取为简支梁9自重的1/10。所述质量块1的移动轨迹 为直线，每次移动的间距为简支梁9总长的1/10,每次移动质量块1以后静止放置10分钟 开始测量读数。
[0023] 所述无线位移传感器2布置在简支梁9的关键位置处，即图1中所示的简支梁9 跨中处。
[0024] 所述损伤监测器4的诊断过程包括如下步骤： 首先，将相邻两期所采集的挠度参数求差值，即将后一期采集的参数减去前一期采集 的参数，从而得到一个挠度差向量； 然后，将所得的挠度差向量绘制成曲线图； 最后根据所得曲线图来判定简支梁9的损伤状况，若所得图形基本为一条直线则表明 简支梁9没有损伤，若所得图形为一条折线则表明简支梁9已经发生了损伤，损伤部位在折 线的转折点处，折线所形成的尖角越小则表明损伤越严重。
[0025] 上述诊断程序的实施方式可以有多种，只要按照上述步骤实现上述功能即可。在 本实施例中，诊断过程采用了如下方式： 设由数据测量系统第一期采集的挠度数据为 ￥ G = 1 ~ iV, F为质量块移动的总次数，上标" 1 "表示第一期测量），第二期采集的挠度 数据为W ,则相应的挠度差心rf1可采用下列公式计算获得： (1) 并将所得的所有挠度差值依次排列成一个挠度差向量- 。然后，将 所得的挠度差向量绘制成曲线图；最后根据所得曲线图来判定简支梁9的损伤状况，若所 得图形基本为一条直线则表明简支梁9没有损伤，若所得图形为一条折线则表明简支梁9 已经发生了损伤，损伤部位在折线的转折点处，折线所形成的尖角越小则表明损伤越严重。
[0026] 为了说明本案所提方法的先进性，我们将节点③-④之间的位置处分别发生了 20%和30%的刚度损伤时的损伤监测结果列于图3中。其中虚线为20%损伤时的监测结果， 实线为30%损伤时的监测结果。由图3可见，当简支梁9出现损伤时，输出的挠度差图形将 出现转折点，转折点的位置刚好在损伤位置处（即节点③-④之间），折线所形成的尖角越 小则表明损伤越严重（图3中对应30%损伤的实折线所组成的尖角显然比对应20%损伤的 虚折线所形成的尖角要小）。
[0027] 实施例2 图2是本发明的梁结构损伤监测装置应用于悬臂梁9'的实施示意图，其由质量块Γ、 无线位移传感器2'、无线数据采集仪器3'以及损伤监测器4'等几部分组成。其中，所述质 量块Γ布置于悬臂梁9'上并能在悬臂梁9'上移动。所述无线位移传感器2'设置于悬臂 梁9'上，其和无线数据采集仪器3'无线连接。具体的说，所述无线位移传感器2'设置在 悬臂梁9'的自由端。所述损伤监测器Γ和无线数据采集仪器3'连接。
[0028] 为了模拟损伤情况，预先假设图2中节点⑥-⑦之间的位置处分别发生了 15%和 40%的刚度损伤。
[0029] 应用本案所提方法对图2所示悬臂梁9'进行损伤监测的步骤如下： 首先，在图1简支梁上放置一个可移动的质量块Γ，利用该质量块Γ的重力对悬臂梁 9'进行静力加载，然后按照一定的移动规律逐次移动该质量块Γ，来实现对悬臂梁9'进行 多次静力加载； 其次，利用无线位移传感器2'、无线数据采集仪器3'测量获得每次加载后悬臂梁9'关 键位置处的挠度参数； 第三，定期（如每月一次）重复上述过程来采集挠度参数； 最后，依次将每相邻两期所采集的挠度参数作为一组输入到损伤监测器4'中，即可监 测出悬臂梁9'是否发生损伤，损伤的部位以及严重程度。
[0030] 其中，所述质量块Γ的重量取为悬臂梁9'自重的1/10。所述质量块Γ的移动轨 迹为直线，每次移动的间距为悬臂梁9'总长的1/10,每次移动质量块Γ以后静止放置10 分钟开始测量读数。
[0031] 所述无线位移传感器2'布置在悬臂梁9'的关键位置处，即图2中所示的悬臂梁 9'自由端处。
[0032] 所述损伤监测器4'的诊断过程包括如下步骤： 首先，将相邻两期所采集的挠度参数求差值，即将后一期采集的参数减去前一期采集 的参数，从而得到一个挠度差向量； 然后，将所得的挠度差向量绘制成曲线图； 最后根据所得曲线图来判定悬臂梁9'的损伤状况，若所得图形基本为一条直线则表明 悬臂梁9'没有损伤，若所得图形为一条折线则表明悬臂梁9'已经发生了损伤，损伤部位在 折线的转折点处，折线所形成的尖角越小则表明损伤越严重。
[0033] 上述诊断程序的实施方式可以有多种，只要按照上述步骤实现上述功能即可。在 本实施例中，诊断程序采用了如下方式： 设由数据测量系统第一期采集的挠度数据为4 ( I = 1 ~ F，F为质量块移动的总次 数，上标" 1"表示第一期测量），第二期采集的挠度数据为4 ,则相应的挠度差Δ&24可采用 下列公式计算获得： (1) 并将所得的所有挠度差值依次排列成一个挠度差向量。然后，将 所得的挠度差向量绘制成曲线图；最后根据所得曲线图来判定悬臂梁9'的损伤状况，若所 得图形基本为一条直线则表明悬臂梁9'没有损伤，若所得图形为一条折线则表明悬臂梁 9'已经发生了损伤，损伤部位在折线的转折点处，折线所形成的尖角越小则表明损伤越严 重。
[0034] 为了说明本案所提方法的先进性，我们将图2中节点⑥-⑦之间的位置处分别发 生了 15%和40%的刚度损伤时损伤监测结果列于图4中。其中虚线为15%损伤时的监测结 果，实线为40%损伤时的监测结果。由图4可见，当悬臂梁9'出现损伤时，输出的挠度差图 形将出现转折点，转折点的位置刚好在损伤位置处（即节点⑥-⑦之间），折线所形成的尖 角越小则表明损伤越严重（图4中对应40%损伤的实折线所组成的尖角显然比对应15%损 伤的虚折线所形成的尖角要小）。
[0035] 以上的【具体实施方式】仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创 作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之 内。
【权利要求】
1. 一种梁结构损伤监测装置，其用于监测梁结构的损伤情况，其特征在于：包括质量 块、无线位移传感器、无线数据采集仪器以及损伤监测器；其中，所述质量块布置于梁结构 上并能在梁结构上移动；所述无线位移传感器设置于梁结构上，其和无线数据采集仪器无 线连接；所述损伤监测器和无线数据采集仪器连接。
2. 如权利要求1所述的梁结构损伤监测装置，其特征在于：所述梁结构具体为悬臂梁， 所述无线位移传感器设置在悬臂梁的自由端。
3. 如权利要求1所述的梁结构损伤监测装置，其特征在于：所述梁结构具体为简支梁， 所述无线位移传感器设置在简支梁的跨中位置。
4. 一种采用权利要求1所述的梁结构损伤监测装置的监测方法，其特征在于：包括如 下步骤： 1) ，在待测梁结构上放置一个可移动的质量块，利用该质量块的重力对梁结构进行静 力加载，然后按照移动规律逐次移动该质量块，来实现对梁结构进行多次静力加载； 2) ，利用无线位移传感器、无线数据采集仪器测量获得每次加载后梁结构关键位置处 的挠度参数； 3) ，定期重复上述过程来采集挠度参数； 4) ，依次将每相邻两期所采集的挠度参数作为一组输入到损伤监测器中，即可监测出 梁结构是否发生损伤，损伤的部位以及严重程度。
5. 如权利要求4所述的梁结构损伤监测装置的监测方法，其特征在于：所述质量块的 重量为梁结构自重的1/ΚΓ1/20 ;所述质量块的移动轨迹为直线，每次移动的间距为梁结 构总长的1/10,每次移动质量块以后静止放置10分钟开始测量读数。
6. 如权利要求5所述的梁结构损伤监测装置的监测方法，其特征在于：当梁结构为悬 臂梁时，其关键位置在自由端；当梁结构为简支梁时，其关键位置在跨中。
7. 如权利要求6所述的梁结构损伤监测装置的监测方法，其特征在于：所述损伤监测 器的诊断过程包括如下步骤： 首先，将相邻两期所采集的挠度参数求差值，即将后一期采集的参数减去前一期采集 的参数，从而得到一个挠度差向量； 然后，将所得的挠度差向量绘制成曲线图； 最后根据所得曲线图来判定梁结构的损伤状况，若所得图形基本为一条直线则表明梁 结构没有损伤，若所得图形为一条折线则表明梁结构已经发生了损伤，损伤部位在折线的 转折点处，折线所形成的尖角越小则表明损伤越严重。
【文档编号】G01N3/14GK104101542SQ201310117530
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月7日 优先权日:2013年4月7日
【发明者】周卫东, 卓春笑, 沈光明, 陈威文 申请人:华汇工程设计集团股份有限公司