專利名稱：土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力檢測技術(shù)，尤其是一種 對已建成使用中的結(jié)構(gòu)地基進(jìn)行約束能力測定的動態(tài)檢測裝置，具體地說是 一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置。
背景技術(shù)：
目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和和科技水平的提高，土木工程結(jié)構(gòu)的 設(shè)計理論和建造技術(shù)不斷發(fā)展，人們建造了多種形式的民用、工業(yè)建筑、高 大的立交橋、城市高架橋及跨江、河和海灣的大橋。相對于上部結(jié)構(gòu)而言， 土木工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計更為復(fù)雜，其力學(xué)耐久性研究和病害診斷也更顯困 難。在風(fēng)化、冰凍和水土流失等環(huán)境條件下再受往復(fù)風(fēng)荷載影響，結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)受力在最大壓力和拉力之間變化，這些力引起的微小裂縫會加速基礎(chǔ)的腐 蝕并導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力降低，從而縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。對一些建在軟弱地基 上的結(jié)構(gòu)，在使用期內(nèi)或多或少因某種原因(如差異沉降，溫度變化)受過 損傷，而風(fēng)載荷、工作載荷和地震載荷引起的附加應(yīng)力則加速了這種損傷的 發(fā)展。對完好且無異常應(yīng)力變化的工程結(jié)構(gòu)也有可能因為振動而導(dǎo)致較大的 地基位移或失穩(wěn)(如飽和土軟化或液化，邊坡坍塌)。工程結(jié)構(gòu)按其地基承載 能力適當(dāng)選定了基礎(chǔ)底面尺寸， 一般可保證結(jié)構(gòu)在防止地基剪切破壞時具有 足夠的安全度，但在荷載作用下，地基沉降總要發(fā)生，而不正常的地基沉降
變形極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂、失穩(wěn)，形成危險的構(gòu)筑物。近10年土木工程結(jié)構(gòu)
的變形監(jiān)測表明，土木工程上部結(jié)構(gòu)的變形與地基的不均勻沉降和形成事故 有直接聯(lián)系。
土下結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)及其變化是確定其力學(xué)特性及工程可靠性的重要依 據(jù)。由于地基變形而引起的結(jié)構(gòu)與地基的相互作用就成為一個重要問題。作 為結(jié)構(gòu)病害診斷的主要目的，在實際工程測量中，要想直接測得工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束剛度是很難的。傳統(tǒng)的識別地基約束能力的方法大多建立在土力學(xué)基 礎(chǔ)上，這些土力學(xué)統(tǒng)計參數(shù)會隨時間和各地區(qū)的地質(zhì)及環(huán)境條件的不同而改 變分布復(fù)雜且檢測困難。目前尚未有一種能在已建成的結(jié)構(gòu)中有效測定地 基約束能力的技術(shù)。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對目前已建成土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力檢測缺 乏有效手段的問題，設(shè)計一種檢測效果好、使用范圍廣泛、實施方便土木工 程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置。
本實用新型的技術(shù)方案是
一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置，其特征是它由測試單元 1和主機(jī)分析單元10構(gòu)成，測試單元1的信號輸出端與主機(jī)分析單元10的 信號輸入端連接，主機(jī)分析單元IO對測試單元1測量到的信號進(jìn)行處理；測
試單元1包括傳感器2、抗混濾波放大器3、 A/D轉(zhuǎn)換器4和輸出單元5，傳 感器2的信號輸出端與抗混濾波器3的信號輸入端相連，對傳感器2采集到 的信號進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的信 號輸入端相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器4的信號輸出端通 過輸出單元5與主機(jī)分析單元10相連,將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信 號傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元10中；主機(jī)分析單元10包括FFT分析模塊7、地基 約束剛度識別模塊8和顯示存儲模塊9，主機(jī)分析單元10將接收到的數(shù)據(jù)送 入FFT分析模塊7中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動基頻，地基約 束剛度識別模塊8根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結(jié)果通過 顯示與存儲模塊9顯示并保存數(shù)據(jù)。 本實用新型的有益效果
1、本實用新型通過大量的實驗和分析計算首次建立了一種僅需測得兩次 加載前后結(jié)構(gòu)的自振基頻即可識別出其地基約束能力的動態(tài)測量評估技術(shù)， 為已建成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地基約束能力評判提供了方便、快捷的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料， 并研制了適用于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和識別地基約束能力的虛擬測試系統(tǒng)，用先進(jìn) 的數(shù)據(jù)采集和信號處理方法，結(jié)合柔性的模塊化的虛擬一體化技術(shù)為地基的安全監(jiān)測提供了方便實用的手段。
2、 本實用新型具有較高的運算精度，其中頻率分析精度可達(dá)1%，地基 約束能力識別精度能達(dá)3%。
3、 本實用新型性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，適用范圍廣泛。

圖1是本實用新型檢測裝置的組成框圖示意圖。 圖2是本實用新型的分析軟件流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明。 如圖l所示。
一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置，它由測試單元1和主機(jī) 分析單元10構(gòu)成，測試單元1的信號輸出端與主機(jī)分析單元10的信號輸入 端連接，主機(jī)分析單元10對測試單元1測量到的信號進(jìn)行處理；測試單元1 包括傳感器2、抗混濾波放大器3、 A/D轉(zhuǎn)換器4和輸出單元5，傳感器2的 信號輸出端與抗混濾波器3的信號輸入端相連，對傳感器2采集到的信號進(jìn) 行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的信號輸入端 相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器4的信號輸出端通過輸出單 元5 (可采用USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸)與主機(jī)分析單元10相連，將經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)化器4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元10中；主機(jī)分析單元10 (可 采用手提電腦或常規(guī)計算機(jī)加以實現(xiàn)，在其中安裝相應(yīng)的計算模塊軟件如 FFT分析模塊7、地基約束剛度識別模塊8等即可實現(xiàn))包括FFT (即傅里葉 變換)分析模塊7、地基約束剛度識別模塊8和顯示存儲模塊9，主機(jī)分析單 元10將接收到的數(shù)據(jù)送入FFT分析模塊7中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié) 構(gòu)的振動基頻，地基約束剛度識別模塊8根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約 束剛度，得到結(jié)果通過顯示與存儲模塊9顯示并保存數(shù)據(jù)。 利用上述裝置即可按下步驟進(jìn)行檢測(如圖2所示) 第一步在被檢測結(jié)構(gòu)上設(shè)置傳感器為數(shù)據(jù)采集作準(zhǔn)備，具體實施時， 如果檢測橋墩的地基約束能力，則在橋墩上布置傳感器，如果是檢測樁基礎(chǔ)
5的地基約束能力，則在承臺布置傳感器，如果檢測沉井或沉箱基礎(chǔ)的地基約
束能力則在沉井或沉箱布置傳感器；
第二步r利用設(shè)置的傳感器采集被測結(jié)構(gòu)環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉 變換即FFT分析(可采用現(xiàn)有成熟軟件進(jìn)行)，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻"u)， 此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為M0;
第三步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第一次加載，此時結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè)為 M1;采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得 到被測結(jié)構(gòu)的第一次加載時的自振基頻w
第四步在被測結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第二次加載，此時被測結(jié)構(gòu)上部的質(zhì)量假設(shè) 為My采集此時被測結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FfT分析， 得到結(jié)構(gòu)的第二次加載時的自振基頻"
第五步將三次測得自振基頻",.。、第一次加載時的自振基頻"u、第
二次加載時的自振基頻W,.2以及被測結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量、剛度、材料性能參數(shù)
輸入以下三個約束能力評估聯(lián)立公式，即可計算出結(jié)構(gòu)的平動約束剛度it,、 轉(zhuǎn)動約束剛度^和豎向約束剛度&，為被測結(jié)構(gòu)地基安全監(jiān)測提供計算所需
的依據(jù)
'丄=M。 + w + (M0 + m)^ + A + 4。 + M。a + ^ < 了 = ~!-+ ^~~2-^——+ -^L + ^or + ^
二:- + _^2-^——+ _5——Mi_ + +々
6^ 2 & 、/ A2
式中厶——被測結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量；
4。、 An、 4——分別為被測結(jié)構(gòu)上部的初始質(zhì)量、第一次加載后、第
二次加載后上部的質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)動慣量；
A、 /——被測結(jié)構(gòu)的水平截面的截面積和計算長度(高度)；
w——被測結(jié)構(gòu)質(zhì)量；
￡~~結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；
",-分別為只和被測結(jié)構(gòu)自身材料有關(guān)的系數(shù)，由下式計算所得/38/ 。
16(3;r-8)/v4/4 4W2 3￡/ yt a4;r2 丌扭/
式中￡/為被測結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，g為重力加速度，G為被測結(jié)構(gòu)的剪切
剛度，r為被測結(jié)構(gòu)的重量密度，1//t'為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，矩形截面
F =5/6，圓形截面A:' =9/10。
在聯(lián)立的三個方程中，M。、 M、 M2、々。、《/wl、 ^2可根據(jù)己知的上部 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙和加載質(zhì)量計算得到，A、 /、 " 、 " 、 ^為橋墩、承臺、沉 井或沉箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，也是己知參量，co,.。、 co卩、co,.2可通過傳感器采 集設(shè)備采集橋墩、承臺、沉井或沉箱結(jié)構(gòu)的環(huán)境響應(yīng)信號分析得到。因此表 達(dá)式只有&、 &、 ^為待識別的未知參量，而其余的參數(shù)均可表示為結(jié)構(gòu)自 身的已知參量。因此通過人為加載，可列出3個形式相同但互不相關(guān)的方程， 構(gòu)成識別&、 ^、 ^三個地基約束剛度的充要條件。在求出&三個地基約束 剛度&、 &、 ^后再利用現(xiàn)有的理論和計算公式進(jìn)一步計算機(jī)地基是否處于 安全狀態(tài)的判斷，以便及時采取相應(yīng)的措施，確保安全。
本實用新型未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求1、一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置，其特征是它由測試單元(1)和主機(jī)分析單元(10)構(gòu)成，測試單元(1)的信號輸出端與主機(jī)分析單元(10)的信號輸入端連接，主機(jī)分析單元(10)對測試單元(1)測量到的信號進(jìn)行處理；測試單元(1)包括傳感器(2)、抗混濾波放大器(3)、A/D轉(zhuǎn)換器(4)和輸出單元(5)，傳感器(2)的信號輸出端與抗混濾波器(3)的信號輸入端相連，對傳感器(2)采集到的信號進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器(3)的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(4)的信號輸入端相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器(4)的信號輸出端通過輸出單元(5)與主機(jī)分析單元(10)相連，將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器(4)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元(10)中；主機(jī)分析單元(10)包括FFT分析模塊(7)、地基約束剛度識別模塊(8)和顯示存儲模塊(9)，主機(jī)分析單元(10)將接收到的數(shù)據(jù)送入FFT分析模塊(7)中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動基頻，地基約束剛度識別模塊(8)根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結(jié)果通過顯示與存儲模塊(9)顯示并保存數(shù)據(jù)。
專利摘要一種土木工程結(jié)構(gòu)地基約束能力動態(tài)檢測裝置，其特征是它由測試單元(1)和主機(jī)分析單元(10)構(gòu)成，測試單元(1)包括傳感器(2)、抗混濾波放大器(3)、A/D轉(zhuǎn)換器(4)和輸出單元(5)；主機(jī)分析單元(10)包括FFT分析模塊(7)、地基約束剛度識別模塊(8)和顯示存儲模塊(9)，主機(jī)分析單元(10)將接收到的數(shù)據(jù)送入FFT分析模塊(7)中進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動基頻，地基約束剛度識別模塊(8)根據(jù)FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結(jié)果通過顯示與存儲模塊(9)顯示并保存數(shù)據(jù)。本實用新型解決了已建成地基約束能力的測量難題，具有方便、準(zhǔn)確、高效的特點。
文檔編號E02D33/00GK201362861SQ20092003685
公開日2009年12月16日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者劉偉慶, 俊 王, 葛曉永, 韓曉健 申請人:南京工業(yè)大學(xué)