基于分布式宏应变传感的圆柱壳结构横截面变形监测方法与流程

本发明属于圆柱壳结构变形监测领域，涉及一种薄壁结构横截面变形监测技术,尤其是基于分布式长标距布拉格光纤光栅传感器的圆柱壳结构横截面变形的监测方法。

背景技术：

土木工程中的盾构地铁隧道、盾构综合管廊、筒仓等结构都是圆柱壳结构，圆柱壳结构是一种横截面为圆形的薄壁结构。横截面变形是评估圆柱壳结构正常使用期间稳定性和安全性的重要指标。目前圆柱壳结构横截面变形监测技术主要有三类：自动化全站仪观测技术、自动化近景摄影技术、点式直接测量技术。自动化全站仪观测距离远，测量精度高，但监测设备昂贵，需要人长期值守。近景摄影技术对观测设备要求低，但其测量距离较短(仅有几十米)，而且观测时需要外加光源，对光源质量要求较高。点式测量技术的精度高，但价格昂贵，不适合大量布设。

分布式光纤传感技术是近年才得以发展的新型监测技术，该技术也是目前国内外工程领域研究的热点。该技术提供了一种间接监测手段，因此近年来学者试图探索应变与变形关系从而实现间接测量横截面变形。有学者利用共轭梁法推导出曲梁结构环向应变与径向位移的几何方程，并以分布式传感技术为基础实现了对隧道的横截面的变形监测。但是该算法比较复杂，且最终得到的横截面变形为相对于圆周右端点而非圆心的径向挠度，不利于理解。

在光纤传感技术中，布拉格光纤光栅由于在测量精度、空间定位精度、长期稳定性和结构兼容性方面具有优势，因此得到广泛应用。传统布拉格光纤光栅传感器的标距在100mm以内，通常被视为点式传感器。其监测结果受局部裂缝、损伤等影响大，难以反映结构的整体受力情况。而且，对土木结构来说，这种传感器很容易因混凝土结构的裂缝和钢结构的焊缝等而失效。而长标距布拉格光纤光栅传感器是一种宏应变传感器，由于标距较长，能测得在较大范围内的结构应变，可避免局部因素导致的较大测量误差，甚至传感器失效。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供基于分布式宏应变传感的圆柱壳结构横截面变形监测方法，通过环向变形与径向位移的转换算法，将分布式传感器测得的环向应变转换为径向位移，从而实现对横截面变形的监测。而且，本申请采用长标距布拉格光纤光栅传感器，能测得在较大范围内的宏应变，可避免局部因素导致的较大测量误差，甚至传感器失效。该算法适用性强，计算结构精度可靠，且更易于理解，为达此目的，本发明提供基于分布式宏应变传感的圆柱壳结构横截面变形监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)以圆柱壳的几何微分方程为基础，通过有限差分法得到环向应变与径向位移的几何差分；

所述的步骤(1)具体为：

根据圆柱壳几何微分方程可知，中面径向位移w、环向应变环向位移v和环向转角的关系式为：

壳体结构径厚比r/t较大，壳体表面到中面的距离z＝t/2，则z/r较小，忽略z/r，圆柱壳表面z＝±t/2，环向应变中面环向应变中面径向位移w，环向位移v和环向转角的关系式为：

由(a)、(b)式可得圆柱壳表面环向应变中面径向位移w，环向位移v和环向转角的关系式为：

对于环向封闭且受到近似均匀法向荷载作用的圆柱壳结构，近似忽略壳表面上点沿壳环向的运动，即由(c)式可得圆柱壳表面环向应与中面径向位移w的关系式为：

利用有限差分法，由(d)式可得圆柱壳表面第i点环向应变与中面第i-1、i、i+1点径向位移w的关系式，转角差均为为：

上述(e)式即是圆柱壳结构环向应变与径向位移的差分方程；

(2)利用分布式长标距光纤光栅传感器测量圆柱壳结构表面的环向宏应变；

所述的步骤(2)具体为：

在结构表面均匀布置n个长标距布拉格光纤光栅传感器，得到表面n个测点处环向宏应变其中i＝1、2、3，…，n；

(3)根据环向应变与径向位移的几何差分方程计算出圆柱壳表面的径向位移，该径向位移为相对于圆心的径向位移；

所述的步骤(3)具体为：

n个测点处环向宏应变与中面径向位移[w1,w2,l,wi,l,wn]^t的差分方程组，其中i＝1、2、3，…，n为：

(f)式的矩阵形式为：

其中，

中面径向位移

作为本发明进一步改进，所述监测方法有六个假定条件：1)壳体材料为各向同性；2)壳体材料为线弹性；3)壳体变形为小变形；4)壳体满足直法线假定；5)计算时去除温度对原始应变数据的影响；6)壳体环向位移v可忽略，即

本发明公开了一种基于分布式宏应变传感的圆柱壳结构横截面变形监测方法，与现有技术相比，本发明所采用的技术为分布式光纤传感技术，与自动化全站仪观测技术、自动化近景摄影技术、点式直接测量技术相比，该技术的优势主要有：1)可实现实时监测；2)可实现长距离、大范围测量；3)传感光纤具有良好的抗电磁干扰能力；4)光纤结构轻巧，便于埋设。与以曲梁几何微分方程为基础，基于分布式传感技术的隧道横截面变形监测方法相比，本技术的主要优势：本文的径向位移是相对于圆心的径向位移，更形象直观，利于理解。与传统布拉格光纤光栅传感器相比，本技术采用长标距布拉格光纤光栅传感器，可以避免裂缝、焊缝等局部因素导致的传感器失效。

附图说明

图1为圆柱壳传感器布置横截面图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供基于分布式宏应变传感的圆柱壳结构横截面变形监测方法，通过环向变形与径向位移的转换算法，将分布式传感器测得的环向应变转换为径向位移，从而实现对横截面变形的监测。而且，本申请采用长标距布拉格光纤光栅传感器，能测得在较大范围内的结构应变，可避免局部因素导致的较大测量误差，甚至传感器失效。该算法适用性强，计算结构精度可靠，且更易于理解。

下面将结合本发明实施例中的附图作进一步的说明，其中图1为圆柱壳传感器布置横截面图；图2为本发明方法流程图；图3为本发明实施流程图。

以下对图3中的各步骤进行详细描述：

在步骤1中，需要确定本次监测的方案，由监测方案确定具体的监测模型，然后执行步骤2。

在步骤2中，确定监测模型的各项参数，包括测段划分总数，测点位置，长标距传感器标距，圆柱壳中面半径，壳体厚度，然后执行步骤3；

在步骤3中，根据本发明的方法，由原始应变数据计算得到变形数据，即各监测点的最终变形量，然后结束。

应当意识到，传感器既可以布置在圆柱壳的外表面，也可以布置在内表面。传感器也不止限于长标距传感器，包括任何能实现分布式传感的宏应变传感器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。