一种桩基混凝土浇筑的监测方法.pdf

本发明涉及一种桩基混凝土浇筑的监测方法，包括以下步骤：1)通过光纤光栅传感器实时测量被测桩基的温度和压力的变化，并分别产生温度和压力的光谱波长变化量；2)通过分析仪解调温度和压力的光谱波长变化量得到温度和压力的变化数据，将此数据传输到计算机监控中心，并通过显示设备显示出来；3)计算机通过有限元软件ANSYS对混凝土浇筑现场待被测桩基建立3D几何模型；4)将温度和压力的变化数据导入到被测桩基的3D几何模型中，得到被测桩基的温度和压力的3D动态模型；5)通过被测桩基的温度和压力的变化数据以及温度和压力的3D动态模型对混凝土浇筑现场桩基进行实时监测。与现有技术相比，本发明具有直观形象、安全可靠、实时报警等优点。

1.  一种桩基混凝土浇筑的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过设置在混凝土浇筑现场桩基上的光纤光栅传感器实时测量被测桩基的 温度和压力的变化，并分别产生温度和压力的光谱波长变化量；
2)通过分析仪解调温度和压力的光谱波长变化量得到温度和压力的变化数据， 将此数据传输到计算机监控中心，并通过显示设备显示出来；
3)计算机监控中心根据温度和压力的变化数据，通过有限元软件ANSYS对 混凝土浇筑现场待被测桩基建立3D几何模型；
4)将温度和压力的变化数据导入到被测桩基的3D几何模型中，得到被测桩 基的温度和压力的3D动态模型；
5)通过被测桩基的温度和压力的变化数据以及温度和压力的3D动态模型对 混凝土浇筑现场桩基进行实时监测，并在变化数据超过阈值后报警。

2.  根据权利要求1所述的一种桩基混凝土浇筑的监测方法，其特征在于，所 述的步骤1)中光谱波长变化量计算式为：
Δλ B λ B 0 = ( α + ψ ) ΔT + ( 1 - n eff ) ϵ ]]>
Δλ_B＝Δλ_B^ΔT+Δλ_B‘＝c_Tλ_B0ΔT+c_sλ_B0ε
其中，Δλ_B是中心波长的变化量；λ_B0为光纤的初始中心波长；ΔT和ε分别是 光纤所受温度和应力变化量；n_eff、α和ψ分别是光纤的光弹系数、热膨胀系数和热 光系数，Δλ_B^ΔT和Δλ_B‘分别为温度和应变引起的中心波长漂移量，c_T＝0.78×10^-6μ ε^-1，c_ε＝6.67×10-6℃^-1。

3.  根据权利要求1所述的一种桩基混凝土浇筑的监测方法，其特征在于，所 述的步骤3)具体包括以下步骤：
31)根据实际监测桩基的大小，在有限元分析软件Ansys设计被测桩基的3D 尺寸；
32)在有限元分析软件Ansys中的Geometry模块内，根据现场被测桩基混凝 土密度、初始热负荷条件以及热交换方式，分别生成被测桩基温度场和应力场的 3D几何模型。

4.  根据权利要求1所述的一种桩基混凝土浇筑的监测方法，其特征在于，所 述的步骤4)具体包括以下步骤：
41)获取被测桩基上的光纤光栅传感器的具体位置，并在3D几何模型中标注 出来；
42)根据标注出来的光纤光栅传感器位置，将被测桩基温度和压力的变化数据 作为载荷添加到3D几何模型的对应位置上；
43)实时更新被测桩基的温度和压力的变化数据，重复步骤42)得到被测桩 基的温度和压力的动态3D数据模型。

5.  根据权利要求1所述的一种桩基混凝土浇筑的监测方法，其特征在于，所 述的分析仪为FBG分析解调仪。

6.  根据权利要求1所述的一种桩基混凝土浇筑的监测方法，其特征在于，所 述的光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。

一种桩基混凝土浇筑的监测方法
技术领域
本发明涉及混凝土浇筑领域，尤其是涉及一种桩基混凝土浇筑的监测方法。
背景技术
在大型混凝土浇筑过程中温度和应变监测一直是目前需要解决的问题，如何 有效检测其凝固过程的温度场和应力场的分布特性，对于混凝土浇筑施工的质量极 其重要，提高混凝土的浇筑质量对于后期的运行维护以及安全稳定生产都至关重 要。因此，对于城市地下变电站施工中的温度和应力的健康监测同样可以作为一个 研究性课题。
20世纪80年代，光纤传感技术在发达国家得到迅速的发展，各种光纤传感器 以其独特的技术优势广泛应用于国防、航空航天、工业、交通运输和日常生活等各 个领域。在建筑物基础方向上，Baldwin和Woojin Lee等人先后采用光纤传感器对 现场桩基试验进行了温度、应变监测，并对监测结果分析了桩的受荷变形、荷载传 递等性状。在我国，对光纤光栅传感技术的研究也受到重视，从上世纪70年代末 就开始了这方面的研究工作。近年来，光纤传感技术日趋成熟，基于该技术开发的 监测仪器不受电磁干扰，耐腐蚀，集成性强，有着良好的精度和稳定性，因而在很 大程度上弥补了传统监测技术的不足。光纤传感技术已列入国家重点研究项目，光 纤光栅传感技术可广泛应用于各种场合，如桥梁、煤矿、隧道的温度自动报警控制 系统，油库、危险品仓库、货轮等的在线动态检测和火灾报警。目前在电力方面， 光纤光栅传感器主要运用在智能变电站高压开关柜的内部温度监测，在电力大型工 程结构建设中的运用并不多见，同时3D模拟技术在电力行业也很少出现。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直观形象、安 全可靠、实时报警的桩基混凝土浇筑的监测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种桩基混凝土浇筑的监测方法，包括以下步骤：
1)通过设置在混凝土浇筑现场桩基上的光纤光栅传感器实时测量被测桩基的 温度和压力的变化，并分别产生温度和压力的光谱波长变化量；
2)通过分析仪解调温度和压力的光谱波长变化量得到温度和压力的变化数据， 将此数据传输到计算机监控中心，并通过显示设备显示出来；
3)计算机监控中心根据温度和压力的变化数据，通过有限元软件ANSYS对 混凝土浇筑现场待被测桩基建立3D几何模型：
4)将温度和压力的变化数据导入到被测桩基的3D几何模型中，得到被测桩 基的温度和压力的3D动态模型：
5)通过被测桩基的温度和压力的变化数据以及温度和压力的3D动态模型对 混凝土浇筑现场桩基进行实时监测，并在变化数据超过阈值后报警。
所述的步骤1)中光谱波长变化量计算式为：
Δ λ B λ B 0 = ( α + ψ ) ΔT + ( 1 - n eff ) ϵ ]]>
Δλ_B＝Δλ_B^ΔT+ΔλB^ε＝c_Tλ_B0ΔT+c_ελ_B0ε
其中，Δλ_B是中心波长的变化量；λ_B0为光纤的初始中心波长；ΔT和ε分别是 光纤所受温度和应力变化量；n_eff、α和ψ分别是光纤的光弹系数、热膨胀系数和热 光系数，Δλ_B^ΔT和Δλ_B^ε分别为温度和应变引起的中心波长漂移量，c_T＝0.78×10^-6μ ε^-1，c_ε＝6.67×10-6℃^-1。
所述的步骤3)具体包括以下步骤：
31)根据实际监测桩基的大小，在有限元分析软件Ansys设计被测桩基的3D 尺寸；
32)在有限元分析软件Ansys中的Geometry模块内，根据现场被测桩基混凝 土密度、初始热负荷条件以及热交换方式，分别生成被测桩基温度场和应力场的 3D几何模型。
所述的步骤4)具体包括以下步骤：
41)获取被测桩基上的光纤光栅传感器的具体位置，并在3D几何模型中标注 出来；
42)根据标注出来的光纤光栅传感器位置，将被测桩基温度和压力的变化数据 作为载荷添加到3D几何模型的对应位置上；
43)实时更新被测桩基的温度和压力的变化数据，重复步骤42)得到被测桩 基的温度和压力的动态3D数据模型。
所述的分析仪为FBG分析解调仪。
所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、直观形象，本发明把光纤光栅传感数据采集系统和3D模拟系统有效地结 合在一起，使得现场工作人员更加形象直观的观测到混凝土浇筑情况，使结果更加 真实有效。
二、安全可靠，通过现场的光纤光栅传感器采集数据，比一般的通过操作人员 采集到的数据更加可靠，同时使现场的操作人员的安全得到保障。
三、实时报警，根据数据系统和3D系统的双重监控，设计阈值，并且及时进 行报警，保证了现场操作的质量。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的温度随时间变化曲线图。
图3为本发明的应力随时间变化曲线图。
图4为本发明的温度瞬态变化3D模拟图。
图5为本发明的应力瞬态变化3D模拟图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，一种桩基混凝土浇筑的监测方法，包括以下步骤：
1)通过设置在混凝土浇筑现场桩基上的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变 传感器实时测量被测桩基的温度和压力的变化，并分别产生温度和压力的光谱波长 变化量，光谱波长变化量计算式为：
Δ λ B λ B 0 = ( α + ψ ) ΔT + ( 1 - n eff ) ϵ ]]>
Δλ_B＝Δλ_B^ΔT+Δλ_B^ε＝c_Tλ_B0ΔT+c_ελ_B0ε
其中，Δλ_B是中心波长的变化量：λ_B0为光纤的初始中心波长；ΔT和ε分别是 光纤所受温度和应力变化量；n_eff、α和ψ分别是光纤的光弹系数、热膨胀系数和热 光系数，Δλ_B^ΔT和Δλ_B^ε分别为温度和应变引起的中心波长漂移量，c_T＝0.78×10^-6μ ε^-1，c_ε＝6.67×10-6℃^-1；
2)通过FBG分析解调仪解调温度和压力的光谱波长变化量得到温度和压力的 变化数据，将此数据传输到计算机监控中心，并通过显示设备显示出来；
3)计算机监控中心根据温度和压力的变化数据，通过有限元软件ANSYS对 混凝土浇筑现场待被测桩基建立3D几何模型，具体包括以下步骤：
31)根据实际监测桩基的大小，在有限元分析软件Ansys设计被测桩基的3D 尺寸；
32)在有限元分析软件Ansys中的Geometry模块内，根据现场被测桩基混凝 土密度、初始热负荷条件以及热交换方式，分别生成被测桩基温度场和应力场的 3D几何模型：
4)将温度和压力的变化数据导入到被测桩基的3D几何模型中，得到被测桩 基的温度和压力的3D动态模型，具体包括以下步骤：
41)获取被测桩基上的光纤光栅传感器的具体位置，并在3D几何模型中标注 出来；
42)根据标注出来的光纤光栅传感器位置，将被测桩基温度和压力的变化数据 作为载荷添加到3D几何模型的对应位置上；
43)实时更新被测桩基的温度和压力的变化数据，重复步骤42)得到被测桩 基的温度和压力的动态3D数据模型；
5)通过被测桩基的温度和压力的变化数据以及温度和压力的3D动态模型对 混凝土浇筑现场桩基进行实时监测，并在变化数据超过阈值后报警。
本系统把温度、应力数据监测系统和三维动态模拟系统两者有效地结合起来， 可以更加形象地向现场施工人员展示地下变电站建设大型混凝土浇筑时的各项参 数。当显示数据发生突变时，可以及时提醒人员有异常情况出现。
大型钢筋混凝土浇筑过程中，利用光纤光栅传感器采集由于温度和应力发生改 变引起的光谱波长变化量，然后经过分析调解仪得到相应的数据量，再通过通信光 缆上传到计算机监控中心，从人机界面中查看实时数据变化量。此外，在计算机中 利用有限元软件ANSYS对温度场和应力场建立3D模型，在相应节点加入载荷， 载荷量依据已采集的温度和应力数据，然后动态模拟施工现场场景。把采集监测系 统和3D模拟系统两者结合起来，在计算机端观察匹配情况，让工作人员更加形象 直观、精确地显示监测目标结果，如遇异常情况可及时被发现，发出预警，施工人 员做出相应补救措施，从而提高了施工的效率、安全和可靠性。
光纤光栅传感器利用紫外光通过光栅照射到裸光纤上，引起裸光纤纤芯折射率 的永久性变化，形成布拉格光栅；在受到温度或应力变化时，光栅的栅距同时发生 变化，从而精确地测量温度或应变。可适用于不同的测量环境，既可作为长期监测， 也可用于短期监测，并且可以重复使用。
光纤光栅是一种基于布拉格光栅反射特定波长光特性的传感技术，当宽带入射 光进入光纤时，光纤光栅会反射特定波长的光，生成反射光谱。
光纤光栅传感是一种优良的温度和应变传感技术，基于目前的解调技术，光纤 光栅温度、应变检测精度可达到0.1℃和1με。此外，波长分离复用技术(WDM， Wavelength Division Multiplex)使得光纤光栅可以串联使用，实现分布式监测。
监测传感器均基于光纤光栅技术，所以任何传感器之间均可以采用熔接或者 FC/APC光学接头实现两两串联。通过合理的布线方案，所有传感器可集成为链式 的分布式传感序列。在每条传感序列中，各个光纤光栅的中心波长必须相互保持一 定的安全距离，以免读数发生重叠现象。
光纤光栅传感器根据合理布局被正确地固定在钢筋上，经过熔接后两两串联起 来，然后将采集到的变化波长通过光缆接续盒和通信光缆上传到FBG解调仪进行 处理。对于串联的光纤光栅分布式传感序列，解调仪按照从小到大的顺序依次读取 各传感器的中心波长，并通过有线以太网、串口等连接方式将数据发送给数据采集 计算机。计算机将监测界面实时地显示出来，并实现实时查询、监控监测进程等功 能。此外整个监测系统还可以通过设置阈值添加预警功能。
本发明监测系统采用的光纤光栅传感器规格指标如表1所示，光纤光栅温度和 应变传感器均符合施工现场实际情况，从而更加精确地把相应的数据通过光缆传输 到计算机监控中心端。
表1光纤光栅传感器规格指标

如图4和图5所示，光纤光栅传感器采集的相应光谱经过解调后得到数据上传 到计算机客户端，随时观察监测现场混凝土浇筑时的温度和应力发生的变化。我们 选取施工现场某一天的监测数据来显示，各类数据每10分钟采集一次。
在温度、应力计算方面，目前施工单位大多采用公式分开计算内约束力和外约 束力，但是这并不能反映出大型混凝土浇筑各处的温度、应力分布。利用有限元分 析软件ANSYS进行分析，则可以得到比较全面的大体积混凝土温度场和应力场的 分布。
ANSYS软件功能强大，涉及范围广，是一种融结构、流体、电场、磁场、声 场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS的热分析模块可以对各种材料 组成的平面和空间结构进行热分析，本发明利用其特点对大型混凝土浇筑时水化热 引起的温度场及应力场进行建模和分析。
本发明利用有限元分析软件Ansys Workbeach中的Geometry模块直接进行三 维几何建模。通过网格无关性验证后，综合运用稳态热分析、瞬态热分析以及静态 结构分析三个模块，将相应传感器采集的温度和应力数据以表格形式导入，作为热 载荷施加在结构上，得到结构温度场、应力场随时间的变化。某一时刻瞬态显示如 图2和图3所示。
在光纤传感方面，光纤光栅为传感技术开辟了一个新的应用研究领域。本系统 采用适当的封装技术实现了温度、应力等参量的测量，以及利用ANSYS软件对其 温度场及应力场进行3D动态模拟。对电力系统中大型工程结构进行实时健康监测， 及时识别结构损伤，对可能出现的灾害提前预警，对提高结构的安全性和可靠性具 有重大的科学意义和显著的应用价值。