专利名称：土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土木工程结构地基约束能力检测技术，尤其是一种对已 建成使用中的结构地基进行约束能力测定的动态检测方法及其装置，具体地 说是一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置。
背景技术：
目前，随着我国经济的飞速发展和和科技水平的提高，土木工程结构的 设计理论和建造技术不断发展，人们建造了多种形式的民用、工业建筑、高 大的立交桥、城市高架桥及跨江、河和海湾的大桥。相对于上部结构而言， 土木工程结构的基础设计更为复杂，其力学耐久性研究和病害诊断也更显困 难。在风化、冰冻和水土流失等环境条件下再受往复风荷载影响，结构的基 础受力在最大压力和拉力之间变化，这些力引起的微小裂缝会加速基础的腐 蚀并导致基础承载力降低，从而縮短结构的使用寿命。对一些建在软弱地基 上的结构，在使用期内或多或少因某种原因(如差异沉降，温度变化)受过 损伤，而风载荷、工作载荷和地震载荷引起的附加应力则加速了这种损伤的 发展。对完好且无异常应力变化的工程结构也有可能因为振动而导致较大的 地基位移或失稳(如饱和土软化或液化，边坡坍塌)。工程结构按其地基承载 能力适当选定了基础底面尺寸， 一般可保证结构在防止地基剪切破坏时具有 足够的安全度，但在荷载作用下，地基沉降总要发生，而不正常的地基沉降
变形极易导致结构的开裂、失稳，形成危险的构筑物。近10年土木工程结构
的变形监测表明，土木工程上部结构的变形与地基的不均匀沉降和形成事故 有直接联系。
土下结构的技术状态及其变化是确定其力学特性及工程可靠性的重要依 据。由于地基变形而引起的结构与地基的相互作用就成为一个重要问题。作 为结构病害诊断的主要目的，在实际工程测量中，要想直接测得工程结构基础约束刚度是很难的。传统的识别地基约束能力的方法大多建立在土力学基 础上，这些土力学统计参数会随时间和各地区的地质及环境条件的不同而改 变，分布复杂且检测困难。目前尚未有一种能在己建成的结构中有效测定地 基约束能力的技术。
发明内容
本发明的目的是针对目前已建成土木工程结构地基约束能力检测缺乏有 效手段的问题，发明一种检测效果好、使用范围广泛、实施方便土木工程结 构地基约束能力动态检测方法及装置。
本发明的技术方案之一是
一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法，其特征是它包括以下步
骤
第一步在被检测结构上设置传感器为数据采集作准备；
第二步利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶
变换即FFT分析，得到结构的自振基频co,，Q，此时被测结构上部的质量假设
为Mo;
第三步在被测结构上进行第一次加载，此时结构上部的质量假设为 M1;采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得 到被测结构的第一次加载时的自振基频co u;
第四步在被测结构上进行第二次加载，此时被测结构上部的质量假设 为M2;采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，
得到结构的第二次加载时的自振基频"u;
第五步将三次测得自振基频"L。、第一次加载时的自振基频"u、第 二次加载时的自振基频0H2以及被测结构的自身质量、刚度、材料性能参数
输入以下公式，即可计算出结构的平动约束刚度A、转动约束刚度、和竖向
约束刚度^ ，为被测结构地基安全监测提供计算所需的依据<formula>formula see original document page 6</formula>
式中人
被测结构的转动惯量;
<formula>formula see original document page 6</formula>
/w——分别为被测结构上部的初始质量、第一次加载后、第
.次加载后上部的质量对被测结构底部的转动惯:
A、 /
:测结构的水平截面的截面积和计算高度;
m——被测结构质量；
五-
-结构材料的弹性模]
"，/ 分别为只和被测结构自身材料有关的系数，由下式计算所得:
8/
〃 —16(3;r-8)M/4 + 4r/2
3￡/ A;'04;r2 ;r5g￡/ ;r2PgG
式中￡/为被测结构的弯曲刚度，g为重力加速度，G为被测结构的剪切 刚度，r为被测结构的重量密度，1/f为剪切应力的分布系数，矩形截面 A' =5/6，圆形截面A:' =9/10。 所述的被测结构为桥墩、承台、沉井或沉箱。 本发明的技术方案之二是
一种土木工程结构地基约束能力动态检测装置，其特征是它由测试单元 1和主机分析单元10构成，测试单元1的信号输出端与主机分析单元10的 信号输入端连接，主机分析单元10对测试单元1测量到的信号进行处理；测 试单元1包括传感器2、抗混滤波放大器3、 A/D转换器4和输出单元5，传 感器2的信号输出端与抗混滤波器3的信号输入端相连，对传感器2采集到 的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器3的信号输出端与A/D转换器4的信 号输入端相连，将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器4的信号输出端通过输出单元5与主机分析单元10相连，将经过A/D转化器4转换后的数字信 号传输到主机分析单元10中；主机分析单元10包括FFT分析模块7、地基 约束刚度识别模块8和显示存储模块9,主机分析单元10将接收到的数据送 入FFT分析模块7中进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，地基约 束刚度识别模块8根据FFT分析的基频计算地基的约束刚度，得到结果通过 显示与存储模块9显示并保存数据。 本发明的有益效果
1、 本发明通过大量的实验和分析计算首次建立了一种仅需测得两次加载 前后结构的自振基频即可识别出其地基约束能力的动态测量评估技术，为已 建成基础结构的地基约束能力评判提供了方便、快捷的一手数据资料，并研 制了适用于现场采集数据和识别地基约束能力的虚拟测试系统，用先进的数 据采集和信号处理方法，结合柔性的模块化的虚拟一体化技术为地基的安全 监测提供了方便实用的手段。
2、 本发明具有较高的运算精度，其中频率分析精度可达1%，地基约束 能力识别精度能达3%。
3、 本发明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，适用范围广泛。
图1是本发明检测装置的组成框图示意图。 图2是本发明的分析软件流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 如图2所示。
一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法，它包括以下步骤-
第一步在被检测结构上设置传感器为数据采集作准备，具体实施时， 如果检测桥墩的地基约束能力，则在桥墩上布置传感器，如果是检测桩基础 的地基约束能力，则在承台布置传感器，如果检测沉井或沉箱基础的地基约 束能力则在沉井或沉箱布置传感器；
第二步利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析(可采用现有成熟软件进行)，得到结构的自振基频c^,0, 此时被测结构上部的质量假设为M0;
第三步在被测结构上进行第一次加载，此时结构上部的质量假设为 M1;采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得 到被测结构的第一次加载时的自振基频",，1;
第四步在被测结构上进行第二次加载，此时被测结构上部的质量假设 为My釆集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析， 得到结构的第二次加载时的自振基频"1>2;
第五步将三次测得自振基频ou。、第一次加载时的自振基频OH,、第 二次加载时的自振基频W,2以及被测结构的自身质量、刚度、材料性能参数 输入以下三个约束能力评估联立公式，即可计算出结构的平动约束刚度&、 转动约束刚度^和竖向约束刚度^ ，为被测结构地基安全监测提供计算所需
的依据
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中厶——被测结构的转动惯量；
4。、入n、 〕2——分别为被测结构上部的初始质量、第一次加载后、第 二次加载后上部的质量对被测结构底部的转动惯量；
A、 /——被测结构的水平截面的截面积和计算长度(高度)；
w——被测结构质量；
￡——结构材料的弹性模量；
"，-分别为只和被测结构自身材料有关的系数，由下式计算所得
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中￡/为被测结构的弯曲刚度，g为重力加速度，G为被测结构的剪切刚度，r为被测结构的重量密度，为剪切应力的分布系数，矩形截面
=5/6，圆形截面A:' =9/10。
在联立的三个方程中，M。、 M,、 M2、 。、 ^，、 &2可根据已知的上部 结构设计图纸和加载质量计算得到，A、 /、 " 、 、厶为桥墩、承台、沉 井或沉箱结构的设计参数，也是已知参量，",.。、"u、 "u可通过传感器采 集设备采集桥墩、承台、沉井或沉箱结构的环境响应信号分析得到。因此表 达式只有Jt,、 &、 ^为待识别的未知参量，而其余的参数均可表示为结构自 身的已知参量。因此通过人为加载，可列出3个形式相同但互不相关的方程， 构成识别^、 &、 ^三个地基约束刚度的充要条件。在求出&三个地基约束 刚度&、 &、 ^后再利用现有的理论和计算公式进一步计算机地基是否处于 安全状态的判断，以便及时采取相应的措施，确保安全。
图1是本发明的检测装置，它由测试单元1和主机分析单元10构成，测 试单元1的信号输出端与主机分析单元10的信号输入端连接，主机分析单元 10对测试单元1测量到的信号进行处理;.测试单元1包括传感器2、抗混滤 波放大器3、 A/D转换器4和输出单元5，传感器2的信号输出端与抗混滤波 器3的信号输入端相连，对传感器2采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波 放大器3的信号输出端与A/D转换器4的信号输入端相连，将模拟信号转换 成数字信号，A/D转换器4的信号输出端通过输出单元5 (可采用USB设备进 行数据传输)与主机分析单元10相连，将经过A/D转化器4转换后的数字信 号传输到主机分析单元10中；主机分析单元10 (可采用手提电脑或常规计 算机加以实现，在其中安装相应的计算模块软件如FFT分析模块7、地基约 束刚度识别模块8等即可实现)包括FFT (即傅里叶变换)分析模块7、地基 约束刚度识别模块8和显示存储模块9，主机分析单元10将接收到的数据送 入FFT分析模块7中进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，地基约 束刚度识别模块8根据FFT分析的基频计算地基的约束刚度，得到结果通过 显示与存储模块9显示并保存数据。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1、一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法，其特征是它包括以下步骤第一步在被检测结构上设置传感器为数据采集作准备；第二步利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶即FFT分析，得到结构的自振基频ω1，0，此时被测结构上部的质量假设为M0；第三步在被测结构上进行第一次加载，此时结构上部的质量假设为M1；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到被测结构的第一次加载时的自振基频ω1，1；第四步在被测结构上进行第二次加载，此时被测结构上部的质量假设为M2；采集此时被测结构的环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的第二次加载时的自振基频ω1，2；第五步将三次测得自振基频ω1，0、第一次加载时的自振基频ω1，1、第二次加载时的自振基频ω1，2以及被测结构的自身质量、刚度、材料性能参数输入以下三个联立公式中，即可计算出结构的平动约束刚度k1、转动约束刚度k2和竖向约束刚度k3，为被测结构地基安全监测提供计算所需的依据式中JR——被测结构的转动惯量；JM0、JM1、JM2——分别为被测结构上部的初始质量、第一次加载后、第二次加载后上部的质量对被测结构底部的转动惯量；A、l——被测结构的水平截面的截面积和计算长度；m——被测结构质量；E——结构材料的弹性模量；α，β分别为只和被测结构自身材料有关的系数，由下式计算所得式中EI为被测结构的弯曲刚度，g为重力加速度，G为被测结构的剪切刚度，r为被测结构的重量密度，1/k′为剪切应力的分布系数，矩形截面k′＝5/6，圆形截面k′＝9/10。
2、根据权利要求1所述的土木工程结构地基约束能力动态检测方法，其特征 是所述的被测结构为桥墩、承台、沉井或沉箱。
3 、 一种土木工程结构地基约束能力动态检测装置，其特征是它由测试单元(1) 和主机分析单元(10)构成，测试单元(I)的信号输出端与主机分析单元(IO) 的信号输入端连接，主机分析单元(10)对测试单元(1)测量到的信号进行 处理；测试单元(1)包括传感器(2)、抗混滤波放大器(3)、 A/D转换器(4) 和输出单元(5)，传感器(2)的信号输出端与抗混滤波器(3)的信号输入 端相连，对传感器(2)采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器(3) 的信号输出端与A/D转换器(4)的信号输入端相连，将模拟信号转换成数字 信号，A/D转换器(4)的信号输出端通过输出单元(5)与主机分析单元(10) 相连，将经过A/D转化器(4)转换后的数字信号传输到主机分析单元(10) 中；主机分析单元(10)包括FFT分析模块(7)、地基约束刚度识别模块(8) 和显示存储模块(9)，主机分析单元(10)将接收到的数据送入FFT分析模 块(7)中进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，地基约束刚度识别 模块(8)根据FFT分析的基频计算地基的约束刚度，得到结果通过显示与存 储模块(9)显示并保存数据。
全文摘要
本发明公开了一种土木工程结构地基约束能力动态检测方法及装置，它通过采集地基未加载和两次加载时所测得的自振基频经过代入相应的计算公式中求出地基的三个约束刚度系数，为准确判断地基的运行情况提供了一手数据，解决了已建成地基约束能力的测量难题，具有方便、准确、高效的特点。
文档编号E02D33/00GK101487271SQ20091002480
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者刘伟庆, 俊 王, 葛晓永, 韩晓健 申请人:南京工业大学