泥石流冲击力测量方法与流程

本发明涉及一种冲击力测量方法，特别是涉及一种泥石流冲击力试验测量方法，属于泥石流监测测量
技术领域：
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背景技术：
：泥石流冲击力测量是研究和评估泥石流危害破坏的关键性基础工作。泥石流冲击力测量设备与测量方法的设计，尤其是符合泥石流发生地区财力物力条件、符合泥石流沟道地形环境条件的监测测量设备与测量方法设计，是对泥石流实现有效监测测量的必须条件。泥石流冲击力测量的困难在于：泥石流是水、粘土、砾石和空气混合在一起的多相体，粘度高、容重高，限制某些设备适用；泥石流冲击力和侵蚀能力巨大，安置在泥石流流路上的测量仪器极易被泥石流破坏；泥石流的流态复杂多样，前部多为紊流，难以跟踪固定目标；泥石流灾害区多为落后经济不发达区域，依赖复杂昂贵设备实现的测量手段在泥石流沟道中几乎无用武之地。钢筋混凝土结构可以经受大规模、高速度的泥石流冲击，已被广泛的应用在了泥石流防治工程中。但是钢筋混凝土属于典型的脆性材料，受冲击作用下的应力-应变本构关系复杂，具有明显的非线性特征，会对传感器的形变数据测量产生影响。但是申请人研究发现，植入混凝土中的钢筋在受拉状态下具有较好延展性和线性特征，因而借助混凝土中钢筋材料与光纤光栅的配合，可以通过测量应变参数从而实现对泥石流冲击力的测量。申请人于2015年10月10日提交的中国实用新型专利申请2015207844148公开了一种接触式泥石流监测装置，基于产品的结构特征，可以用于完成泥石流冲击力测量。技术实现要素：本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流冲击力测量方法。该测量方法利用申请人于2015年10月10日提交中国实用新型专利申请2015207844148中公开的一种接触式泥石流监测装置实现。该接触式泥石流监测装置包括柱状监测桩；柱状监测桩通过其下部区域固定在泥石流沟道底床中，柱状监测桩上部区域露出底床表面并安装光纤光栅传感器用于测量泥石流相关参数数据，监测传感器分别通过信号传输线路与上位中心联接。柱状监测桩由钢筋混凝土浇筑，光纤光栅传感器固定安装在钢筋上，具体可采用焊接方式。钢筋混凝土结构可以经受大规模、高速度的泥石流冲击，已被广泛的应用在了泥石流防治工程中。但是钢筋混凝土属于典型的脆性材料，受冲击作用下的应力-应变本构关系复杂，具有明显的非线性特征，会对传感器的形变数据测量产生影响。但申请人研究发现，植入混凝土中的钢筋是各向同性材料，并且在植入混凝土后能够依然保持这种材料特性。在混凝土受到冲击条件下，钢筋材料呈受拉状态，并在这种状态下表现出较好延展性和线性特征。并且钢筋材料的这种弹性形变完全可以被固定在其上的光纤光栅传感器捕获并测量。因此通过监测混凝土柱状监测桩上部区域拉应力区钢筋的应变可以判断钢筋混凝土受泥石流冲击破坏的程度，即实现对泥石流冲击力的测量。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种泥石流冲击力测量方法，利用接触式光纤光栅泥石流监测装置实现，其特征在于：依如下步骤实施：步骤S1、设计确定泥石流监测装置测量臂(1)基本参数确定应变光纤光栅传感器(31)间距Lmp，所述Lmp是钢筋(11)上应变光纤光栅传感器(31)相互间距；步骤S2、室内测定泥石流监测装置测量臂(1)冲击应变特性步骤S21、确定最大冲击力臂Lmax在测量臂(1)上末位应变光纤光栅传感器(311)远测量臂(1)基部侧确定一点A作为最大冲击力条件下冲击点，自测量臂(1)基部起至A点的距离为最大冲击力臂Lmax，所述末位应变光纤光栅传感器(311)是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的最远端应变光纤光栅传感器(31)；步骤S22、最大冲击力臂条件下的应变测定向测量臂(1)最大冲击力臂Lmax施加冲击力Fi，上位中心(2)记录冲击力Fi大小及对应的首位应变光纤光栅传感器(312)中心波长偏移量λB，所述首位应变光纤光栅传感器(312)是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的第一位应变光纤光栅传感器(31)；将λB代入式1得到冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器(312)的应变ε：λB＝kεε+kTT式1式中，kε—应变光纤光栅传感器应变灵敏系数，单位nm/με，由光纤光栅传感器型号确定kT—应变光纤光栅传感器温度灵敏系数，单位nm/℃，由光纤光栅传感器型号确定，ε—冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器监测到的钢筋应变，单位με，由上位中心(2)记录，T—环境温度变化，单位℃，由上位中心(2)记录，λB—应变光纤光栅的波长偏移总量，单位nm；步骤S23、测量臂(1)最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟合根据步骤S22中数据建立测量臂(1)应变特征与冲击力Fi之间的拟合方程式2F＝f(ε)式2式中，ε—由步骤S22计算确定，F—外部冲击力，单位kN；步骤S3、任意泥石流冲击力FX测定步骤S31、监测记录任意冲击力FX条件下各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移量λB上位中心(2)监测记录冲击力FX状态下测量臂(1)各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移量特征；步骤S32、确定任意冲击力FX的冲击力臂Lim比较各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移特征，将波长峰值出现明显跌坎且距离测量臂(1)基部最远的应变光纤光栅传感器(31)外侧的Lmp区域确定为冲击力FX施加区域，自测量臂(1)基部起至冲击力FX施加区域即为任意冲击力FX冲击力臂Lim；步骤S33、确定任意冲击力FX的最大应变量εX比较冲击力臂Lim内所有应变光纤光栅传感器(31)的应变量，取最大峰值动应变为εX；步骤S34、测算任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeq根据式3计算任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeq式中，εX—任意冲击力FX的最大应变量εX，单位με，由步骤S33确定，Lmax—由步骤S21确定，Lim—由步骤S32确定；步骤S35、测算任意泥石流冲击力FX将εeq代入式2计算确定任意泥石流冲击力FX。上述泥石流冲击力测量方法采用接触式光纤光栅泥石流监测装置实现。该接触式光纤光栅泥石流监测装置包括钢筋混凝土柱状监测桩，钢筋混凝土柱状监测桩通过其下部区域固定在泥石流沟道底床中，钢筋混凝土柱状监测桩上部区域露出底床表面。钢筋混凝土柱状监测桩上部区域的钢筋上安装光纤光栅传感器，光纤光栅感器分别通过信号传输线路与上位中心联接。光纤光栅传感器包括应变光纤光栅传感器，应变光纤光栅传感器自泥石流监测装置测量臂基部起沿测量臂轴向排列，相互间距Lmp。测量臂基部至末位应变光纤光栅传感器外侧冲击点距离Lmax。由于实际工况需要，光纤光栅传感器长度远小于Lmp，因此测量臂总长度可以视为Lx与所有Lmp之和。其中Lx是最大冲击力条件下冲击点距离末位应变光纤光栅传感器的距离以及测量臂基部自首位应变光纤光栅传感器的距离之和。本发明泥石流冲击力测量方法的技术原理在于：其一，申请人前期研究发现植入混凝土中的钢筋具有各向同性特征，因而在混凝土受到冲击时，钢筋材料呈受拉状态并且表现出较好延展性和线性特征。钢筋材料的这种弹性形变完全可以被固定在其上的应变光纤光栅传感器捕获并测量。因此通过监测混凝土柱状监测桩上部区域拉应力区钢筋的应变可以判断钢筋混凝土受泥石流冲击破坏的程度，即实现对泥石流冲击力的测量。其二，光纤光栅传感器仅对外界的温度与应变敏感，且其中心波长的偏移量与温度、应变之间均呈现良好的线性关系，可以方便地作为中间量用于测量钢筋混凝土结构的泥石流监测装置承受的冲击力。其三，应变光纤光栅传感器沿测量臂轴向排列，其中自测量臂基部起第一位应变光纤光栅传感器(即首位应变光纤光栅传感器)用于测量确定泥石流监测装置测量臂冲击应变特性，主要通过室内最大冲击力臂条件下的冲击应变试验测定。其余应变光纤光栅传感器用于确定冲击力施加区域，进而确定冲击力力臂。其原理是当冲击力施加在测量臂任意位点，则该位点近测量臂基部侧的传感器呈受拉状态，感受轴向拉应变，其中心波长偏移量大，波峰有明显跌坎；而该位点远测量臂基部侧的传感器未呈受拉状态、仅随钢筋共振，中心波长偏移量小，波峰无明显跌坎。其四，通过室内测试可以建立起最大力臂条件下的测量臂应变特征与外部冲击荷载间的拟合方程。最大冲击力臂Lmax是测量臂基部至末位应变光纤光栅传感器外侧冲击点间的距离，最大冲击力臂条件是冲击力施加下最大冲击力臂Lmax上时冲击力与首位应变光纤光栅传感器监测到的钢筋应变间的关系。在该关系式确定的条件下，对测量臂任意部位遭受的冲击力均可通过冲击力力臂与应力间的力臂等效转化为最大冲击力臂时的等效应变，再依据所建立的拟合方程测算得到冲击力大小。其五，泥石流长期经验研究已经确定的是，泥石流灾害中泥石流对建筑物产生的破坏主要是由泥石流中大石块冲击造成。因而在泥石流冲击力的理论研究领域，泥石流冲击力的峰值点主要视为受其中大石块控制。进而在实验研究中，通行的研究手段是将泥石流大石块冲击建筑物的过程简化成为弹性或弹塑性球体冲击悬臂梁，由此则可以在室内实验研究中采用落锤撞击的方式模拟泥石流冲击过程。并且能够进而保证测量方法实施中前期通过室内测试建立起的最大力臂条件下的测量臂应变与冲击荷载的拟合关系可以应用于解决现场工况中泥石流冲击力的测量问题。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明方法采用将光纤光栅传感器固定在钢筋材料上再植入混凝土浇筑的结构测量泥石流冲击力，方法充分利用钢筋混凝土结构的抗冲击优点，以及其中的钢筋材料所具有的各向同性特征，能够实现对具有高度冲击破坏性的泥石流冲击力的测量。(2)由于钢筋混凝土是最常见的建筑、房屋主体结构，因而通过本测量方法获取的泥石流冲击力相关数据可以直观反映泥石流对泥石流沟道建筑房屋破坏的能量大小，从而有效地实现泥石流灾害预测预警。(3)本发明方法可以先根据泥石流现场估算完成接触式光纤光栅泥石流监测装置，尤其是测量臂的规格设计。并在室内完成测量臂最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟合后将监测装置安装到泥石流沟道内。因而整套测量方法现场适应性强，应用广泛。附图说明图1是接触式光纤光栅泥石流监测装置结构示意图。图2是光纤光栅传感器安装位置示意图(应变传感器自左侧起分别是应变传感器1、应变传感器2、应变传感器3、应变传感器4，箭头是泥石流冲击方向)。图3最大冲击力臂条件下首位应变光纤光栅传感器(311)应变测量值图。(左上至右下分别是冲击点高度0.2m、0.4m、0.6m、1m、2m、7m)图4落锤在0.6m高度时冲击测量臂应变放大图(11.72s～11.76s)。图5是最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟合曲线。图6泥石流冲击力FX、冲击力臂Lim条件下4只传感器的应变测量值图。图7是4只应变光纤光栅传感器拉应变分离图。附图中的数字标记分别是：1测量臂11钢筋2上位中心31应变光纤光栅传感器311末位应变光纤光栅传感器312首位应变光纤光栅传感器32温度光纤光栅传感器具体实施方式下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。实施例一如图1～图7所示，用本发明方法测量泥石流冲击力。步骤S1、设计确定泥石流监测装置测量臂(1)基本参数图1是接触式光纤光栅泥石流监测装置结构示意图。该接触式光纤光栅泥石流监测装置包括钢筋混凝土柱状监测桩，钢筋混凝土柱状监测桩通过其下部区域固定在地面，钢筋混凝土柱状监测桩上部区域露出底床表面。钢筋混凝土柱状监测桩上部有与地面平行的测量臂(1)，测量臂(1)上安装光纤光栅传感器(3)。光纤光栅感器分别通过信号传输线路与上位中心(2)联接。光纤光栅传感器包括应变光纤光栅传感器(31)与温度传感器(32)。光纤光栅传感器的安装：利用手提式点焊机(型号：DN-10)将光纤光栅传感器焊接在钢筋上。焊接点预先打磨平整光洁，以便于光纤光栅传感器与钢筋紧贴。沿测量臂(1)轴线方向上共焊接4只应变光纤光栅传感器(31)。自测量臂基部起首位应变光纤光栅传感器(312)紧贴基部安装，其余3只应变光纤光栅传感器(31)沿测量臂(1)轴向等间距20cm排列，则Lmp＝20cm。变光纤光栅传感器(31)长度1cm，远小于Lmp。在钢筋焊接应变光纤光栅传感器(31)的背面焊接一只温度光纤光栅传感器(32)(图2)。混凝土柱状监测桩与测量臂(1)浇筑：混凝土柱状监测桩与测量臂(1)采用钢筋混凝土浇筑成一体。光纤光栅传感器(3)连同钢筋一同埋入混凝土测量臂(1)中。浇筑时保证应变光纤光栅传感器(31)位于拉应力区内，温度光纤光栅传感器(32)位于压应力区。混凝土柱状监测桩与测量臂(1)按照截面尺寸200cm*200cm设计，测量臂(1)长1m，混凝土强度等级为C30，纵筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋。按照上述设计参数，根据混凝土结构设计规范完成配筋图。接触式光纤光栅泥石流监测装置首先完成光纤光栅传感器与钢筋的焊接，再一体浇筑固定在地面上。泥石流冲击力采用落锤撞击模拟。落锤撞击装置采用葫芦吊上举落锤并自由落体撞击方式。落锤质量26kg，落锤下落高度由上位中心(2)记录。步骤S2、室内测定泥石流监测装置测量臂(1)冲击应变特性步骤S21确定最大冲击力臂Lmax在测量臂(1)上末位应变光纤光栅传感器(311)远测量臂(1)基部侧确定一点A作为最大冲击力条件下冲击点，确定测量臂(1)基部起至A点的距离为最大冲击力臂Lmax＝90cm；步骤S22、最大冲击力臂条件下的应变测定利用葫芦吊将落锤分别拉升至距离冲击点高度为0.2m、0.4m、0.6m、1m、2m、7m的位置。而后，落锤分别自该6个高度做自由落体运动，冲击测量臂(1)最大冲击力臂，产生冲击力Fi，i＝1、2...，6。上位中心(2)记录分别冲击力Fi大小，以及每次冲击时测量臂(1)上首位应变光纤光栅传感器(312)中心波长偏移量λB，依据式1求得应变ε量(图3)。在此操作中，由于试验操作在室内进行，环境温度变化T不大。故忽略T对光纤光栅传感器中心波长偏移量λB的影响。即中心波长偏移量λB完全由光纤光栅受拉造成。将中心波长偏移量λB代入式1，利用光纤光栅传感器对应的应变灵敏系数Kε，求得对应的光纤光栅所受的拉应变ε，由于光纤光栅与钢筋焊接相连，光纤光栅的拉应变即为监测到的钢筋应变。图3显示，落锤高度在0.2m～2m之间的条件下，测量臂(1)在接受冲击的瞬间，通过应变传递效应，造成钢筋瞬时产生峰值应变，而后在惯性作用下，动应变逐步衰减，直至回复至受冲击以前的0值状态。这表明在这些冲击条件下，钢筋仍处于弹性状态，会以弹性恢复的形式，使得应变值恢复受冲击之前的状态。而当落锤高度达到7m时，落锤冲击后，钢筋的应变值显然没有恢复到受冲击之前，这说明钢筋此时已发生塑性变形。因此在步骤S2落锤最自由落体高度不能大于7m。落锤与测量臂(1)的接触时间可以根据峰值应变所在的三角形，在时间轴上的跨度确定。图3显示，每次冲击工况下，落锤与测量臂(1)的接触时间均为0.02s。以落锤高度0.6m为例。图4是落锤在0.6m高度时冲击测量臂(1)峰值应变所在的三角形在时间轴上的时间跨度放大图。进一步可知，落锤在冲击落锤的瞬间，冲量变化等于冲击力df沿时间轴的积分(即从11.73s至11.75s)，即约等于图中黑色线条三角形的形的面积。同时冲量变化又等于落锤质量与速度变化差之间的乘积。依此可以确定落锤在不同高度时的冲击力以及图7中相应的峰值动应变，见表1。表1落锤高度与对应的冲击力及应变峰值高度/m冲击力/kN峰值应变/με0.25.200473.140cm7.358952.360cm9.0001233.51m11.6261562.82m16.4442103.27m30.7642876.9步骤S23、测量臂(1)最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟合根据步骤S21中数据，采用最小二乘法建立测量臂(1)应变特征与冲击力Fi之间的拟合方程式2F＝f(ε)表示为F＝0.0105ε-2.6507，R2＝0.9228。拟合曲线见图5。步骤S3、任意泥石流冲击力FX测定步骤S31、将落锤上提至任意高度hx再自由落体产生冲击力FX冲击测量臂(1)，上位中心(2)记录各应变光纤光栅传感器(3)中心波长偏移量λB，4只传感器的应变测量值见图6。步骤S32、确定任意冲击力FX的冲击力臂Lim图7是图6中时间轴8s至8.5s间的4只应变光纤光栅传感器拉应变分离图。比较图7中各光纤光栅传感器(3)中心波长偏移特征可见，应变传感器1、应变传感器2应变响应剧烈，波峰后有明显跌坎，峰值动应变分别是451.3με、695.1με。应变传感器3、应变传感器4的动应变响应较为平淡，波峰后无明显跌坎，峰值动应变分别为142.7με、123.7με。依此确定冲击力FX施加在测量臂上应变传感器2外侧的Lmp区域，即应变传感器2与应变传感器3之间。任意冲击力FX的冲击力臂Lim∈(2Lmp,3Lmp)，即Lim∈(40cm,60cm)。步骤S33、确定任意冲击力FX的最大应变量εX冲击力臂Lim内应变传感器1、应变传感器2的峰值动应变最大值是695.1με，则εX＝695.1με。步骤S34、测算任意冲击力FX、冲击力臂Lim条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeq将Lmax＝90cm、Lim∈(40cm,60cm)、εX＝695.1με代入式3计算冲击力FX条件下首位应变光纤光栅传感器(312)应变量εeq，得到εeq∈(1042.65,1563.975)。步骤S35、测算任意泥石流冲击力FX将εeq代入方程式F＝0.0105ε-2.6507计算确定任意泥石流冲击力FX∈(8.3kN,13.7kN)。测量结果验证：步骤S31中高度hx实际为60cm，检查FX的冲击力臂Lim实际为在42cm±1.5cm。由此落锤自由落体冲击力FX值约9.0kN。验证结果表明本发明方法测量结果符合泥石流实际工况要求误差范围，测量方法有效。当前第1页1 2 3