混凝土裂纹标距自适应监测方法与流程

本发明属于结构健康监测与现代检测技术领域，具体涉及一种基于分布式应变传感阵列的混凝土裂纹标距自适应监测方法。

背景技术：
混凝土结构在施工与服役期间受到荷载作用、环境与材料本身的物理化学作用，极易发生开裂现象。抑制有害裂纹的同时，利用损伤检测技术对混凝土裂纹进行监测与诊断十分必要。传统的裂纹检测主要有目测、裂缝测宽仪、超声波、声发射、摄影以及卡尔逊式或弦式测缝计等，这些方法均能达到一定测试精度，但属于人工或点式检测，在空间尺度上难以覆盖混凝土结构随机性的裂纹信息。由于实时监测、覆盖范围大、空间连续和高精度等优势，分布式感知技术逐渐被应用到混凝土裂纹监测中。Hale等人最早提出将光纤作为结构裂纹传感器；加拿大多伦多大学研究者提出基于光纤折断原理的损伤定位系统，当结构中某一区域的光纤输出功率为零，由此可判断损伤位置；LeMaou等人利用埋入式多模光纤监测混凝土裂纹，此项技术成功应用在隧道衬砌上，并检测到裂纹的出现。Leung基于光纤微弯引起光强损耗监测裂纹扩展，只要裂纹方向与光纤斜交，该传感探头就能够感知混凝土结构裂纹的存在。近年来，研究者借助瑞利、布里渊和拉曼散射特性，通过在光缆中输入脉冲信号，分析其反射(或透射)信号，通过解调获得的应变数据表征裂纹损伤。但是，由于裂纹损伤导致其测试应变达到10％以上，远远超出了玻璃光纤的变形能力，同时易发生剪切脆断，即使通过材料复合或依据应变传递分析调整封装，其应变量程很难超过2万微应变。此外，还有人借助高延性同轴电缆的电时域反射技术初步实现了结构裂纹的实时监测(一种基于同轴电缆的分布式裂纹传感器，申请号：201110027121.1)，但该种方法的裂纹敏感性、分布式测试与复用能力有待验证。另外，现有分布式应变传感器使用预先设定的测量标距，大标距传感探头对裂纹损伤早期阶段不敏感，容易造成损伤漏判；由于裂纹损伤演化的非线性和随机性，采用固定标距的平均应变来刻画裂纹，还容易造成损伤误判。针对上述不足，考虑分布式应变监测信息在聚焦结构局部应力/应变集中的同时，也可较大范围地覆盖结构损伤区域。本发明提供了一种基于多级别测量标距的自适应算法的混凝土裂纹监测方法，使得混凝土裂纹损伤在发生跨标距的演化的同时，能够自行调整出合适的测量标距，并通过其应变数据来表征裂纹损伤。

技术实现要素：
针对现有技术的不足,本发明提供一种基于分布式应变传感阵列的混凝土裂纹标距自适应监测方法,该方法利用多级别测量标距的应变传感阵列监测和诊断混凝土裂纹损伤的同时，通过应变数据本身判断裂纹损伤是否发生跨标距演化。当裂纹损伤演化超出最小标距的覆盖区域时，要进一步选择并重新确定当前最小标距，使之适应变化的损伤热点区域，进而更加准确和鲁棒地刻画裂纹损伤。为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于分布式应变传感阵列的混凝土裂纹标距自适应监测方法，主要包括以下步骤：第一步，采用内部预埋或表面固定的方式，在混凝土基体上并行布设光纤分布式的应变传感探头和同轴电缆分布式的应变传感探头，通过设定不同测量标距，构成具有多级别(m级)测量标距的应变传感阵列；第二步，对当前所有1到m级测量标距进行排列组合，构建所有可能的n个标距序列采用上述应变传感探头与相应解调设备测得恒载作用下混凝土基体的静态应变数据所述的静态应变数据为多次测试各标距序列得到的平均值；第三步，由是否测试得到静态应变数据判断对应测量标距的应变传感探头是否损坏：若未测得静态应变数据则应变传感探头损坏，重复第二步；若测得静态应变数据则应变传感探头没有损坏，进行下一步。第四步，对于每个标距序列以测量标距的标距长度Li为横轴，以测量标距对应的变形量ΔLi为纵轴，建立平面直角坐标系，作多段线Li-ΔLi。第五步，以每个标距序列所测的混凝土基体健康状态下的多段线Li-ΔLi为基准，根据每个标距序列的多段线Li-ΔLi是否上移判断裂纹损伤是否发生，如果Li-ΔLi没有发生上移，重复第四步；如果Li-ΔLi发生上移，则多段线对应的标距序列所测的混凝土基体发生损伤，根据发生损伤的标距序列中的最小标距确定裂纹损伤区域及其数量，进行下一步。第六步，在发生上移的多段线Li-ΔLi中，若不同级别测量标距对应的上移量有显著差别，则该标距序列所测的混凝土基体的裂纹损伤发生跨标距演化；6.1在该多段线Li-ΔLi之中，某一级别测量标距之后所有标距(标距长度大于等于该级标距)对应的上移量大于该级标距之前所有标距(标距长度小于该标距)对应的上移量，选择该级别测量标距为该多段线Li-ΔLi相应标距序列的当前最小标距；6.2在第五步所有发生损伤的标距序列的各损伤区域中，重复步骤6.1能够得到多个当前最小标距，选择具有最小标距长度的当前最小标距为该损伤区域的当前最小标距；6.3如已确定各损伤区域的当前最小标距，则排除该标距序列中标距长度小于当前最小标距的所有标距，并重复第二步至第五步；第七步，在发生上移的多段线Li-ΔLi中，若不同级别测量标距对应的上移量无显著差别，则将每个发生损伤的标距序列中的当前最小标距作为损伤区域，上测得的应变数据用来表征裂纹损伤程度，输出诊断结果。本发明以分布式应变传感探头的并行布设为基础，通过混凝土基体内部或表面的应变传感阵列获取恒定荷载条件下的应变数据。本发明聚焦于应变监测对结构局部裂纹损伤的敏感特性、分布式覆盖能力以及测量标距可实现从厘米到米级定制的自身优势，不同于传统上基于固定标距的应变监测，而采用以上所述的标距自适应监测方法，该方法能够自行调整出合适的测量标距，适应变化了的损伤热点区域，其中标距自适应算法为本发明的核心内容。本发明的效果和益处是：1)对于应变传感阵列中不同级别的测量标距，采用标距自适应监测方法可以避免：裂纹损伤造成混凝土结构局部应力/应变集中，导致小标距传感探头超出自身变形能力发生损坏而无法继续测试；由于大标距传感探头对早期损伤不敏感，导致损伤漏判；采用固定标距的应变数据表征裂纹损伤，导致损伤误判。2)仅利用恒定荷载作用下的静态应变数据，可实现稳定地测试和较高地精度，并且无须考虑具体荷载数值。3)本发明的标距自适应算法无须结构的数值模型，计算过程均为代数运算，极大地减少计算量，适合实时监测，可为混凝土结构快速预警与破坏倒塌机制研究提供技术支持，并为其它损伤特征的结构健康诊断提供借鉴。附图说明图1是本发明的应变传感阵列混凝土裂纹损伤监测示意图；图2是本发明的标距自适应算法框图；图3是实施例中多级别测量标距(m＝4)的某一标距序列示意图；图4是实施例中对应某一标距序列的多段线Li-ΔLi；图中1为多级别测量标距构成的应变传感阵列。具体实施方式以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式：本发明以分布式应变传感探头的并行布设为基础，如图1所示，通过混凝土基体内部或表面的应变传感阵列1和应变解调设备测得恒定荷载条件下的应变数据。对每个标距序列的各级测量标距所对应的变形量应用标距自适应算法进行分析处理，如图2所示，最终得到当前最小标距作为损伤区域，其测得的应变数据即表征裂纹损伤程度。按照图3定制测量标距，取多次测试得到的静态应变数据的均值计算得到各级测量标距变形量{ΔL0ΔL1ΔL2ΔL3}。进一步地，依照标距自适应算法：S1)未损伤(健康)状态：传感探头未损坏，作多段线Li-ΔLi，如图4中实线所示。根据静力问题的求解原理，在荷载恒定的条件下，各级测量标距变形量不发生改变。S2)损伤发生(以角标α代表)：传感探头未损坏，作多段线如图4中长虚线所示。多段线上移，且各级测量标距的上移量相等。混凝土基体出现裂纹损伤，但未发生跨标距演化。由于损伤后最小标距测量区域的混凝土结构局部刚度下降，导致该损伤区域在一定时间跨度内应变增加，即也可写为式中为损伤后应变，δα为应变相对增量，则有根据应变等效原理以及测量标距AB段未发生损伤，得到同理可得由式(1)-(4)可直观得出图4中长虚线所示现象。当前状态下裂纹损伤区域为并以表征裂纹损伤程度。S3)跨标距演化(以角标β代表)：传感探头未损坏，作多段线如图4中短虚线所示。多段线上移，且各级测量标距的上移量不等，其中测量标距的多段线上移量与上例相同，其余标距上移量相同且相比上例有所增加。混凝土基体的裂纹损伤发生了跨标距的演化。依据S2)例推导，同理可得式中δβ为测量标距AB段的应变相对增量。选择标距为当前最小标距，排除标距重新确定标距序列此时以角标αβ代表当前最小标距对应的损伤状态式中为损伤后应变，δαβ为当前最小标距的应变相对增量。由式(5)-(8)可直观得出图4中短虚线所示现象；根据式(9)-(11)当前状态下裂纹损伤区域为并以表征裂纹损伤程度。上述推导过程证明了本发明提出的标距自适应算法的可行性。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案以及具有一定一般性的优选实施方式，应当指出，本技术领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明技术方案的前提下还可以做具体地改进，其均应视为本发明的涵盖与保护范围。