本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與現(xiàn)代檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分布式應(yīng)變傳感陣列的混凝土裂紋標(biāo)距自適應(yīng)監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)在施工與服役期間受到荷載作用、環(huán)境與材料本身的物理化學(xué)作用，極易發(fā)生開裂現(xiàn)象。抑制有害裂紋的同時，利用損傷檢測技術(shù)對混凝土裂紋進行監(jiān)測與診斷十分必要。傳統(tǒng)的裂紋檢測主要有目測、裂縫測寬儀、超聲波、聲發(fā)射、攝影以及卡爾遜式或弦式測縫計等，這些方法均能達到一定測試精度，但屬于人工或點式檢測，在空間尺度上難以覆蓋混凝土結(jié)構(gòu)隨機性的裂紋信息。由于實時監(jiān)測、覆蓋范圍大、空間連續(xù)和高精度等優(yōu)勢，分布式感知技術(shù)逐漸被應(yīng)用到混凝土裂紋監(jiān)測中。Hale等人最早提出將光纖作為結(jié)構(gòu)裂紋傳感器；加拿大多倫多大學(xué)研究者提出基于光纖折斷原理的損傷定位系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某一區(qū)域的光纖輸出功率為零，由此可判斷損傷位置；LeMaou等人利用埋入式多模光纖監(jiān)測混凝土裂紋，此項技術(shù)成功應(yīng)用在隧道襯砌上，并檢測到裂紋的出現(xiàn)。Leung基于光纖微彎引起光強損耗監(jiān)測裂紋擴展，只要裂紋方向與光纖斜交，該傳感探頭就能夠感知混凝土結(jié)構(gòu)裂紋的存在。近年來，研究者借助瑞利、布里淵和拉曼散射特性，通過在光纜中輸入脈沖信號，分析其反射(或透射)信號，通過解調(diào)獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)表征裂紋損傷。但是，由于裂紋損傷導(dǎo)致其測試應(yīng)變達到10％以上，遠遠超出了玻璃光纖的變形能力，同時易發(fā)生剪切脆斷，即使通過材料復(fù)合或依據(jù)應(yīng)變傳遞分析調(diào)整封裝，其應(yīng)變量程很難超過2萬微應(yīng)變。此外，還有人借助高延性同軸電纜的電時域反射技術(shù)初步實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)裂紋的實時監(jiān)測(一種基于同軸電纜的分布式裂紋傳感器，申請?zhí)枺?01110027121.1)，但該種方法的裂紋敏感性、分布式測試與復(fù)用能力有待驗證。另外，現(xiàn)有分布式應(yīng)變傳感器使用預(yù)先設(shè)定的測量標(biāo)距，大標(biāo)距傳感探頭對裂紋損傷早期階段不敏感，容易造成損傷漏判；由于裂紋損傷演化的非線性和隨機性，采用固定標(biāo)距的平均應(yīng)變來刻畫裂紋，還容易造成損傷誤判。針對上述不足，考慮分布式應(yīng)變監(jiān)測信息在聚焦結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力/應(yīng)變集中的同時，也可較大范圍地覆蓋結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域。本發(fā)明提供了一種基于多級別測量標(biāo)距的自適應(yīng)算法的混凝土裂紋監(jiān)測方法，使得混凝土裂紋損傷在發(fā)生跨標(biāo)距的演化的同時，能夠自行調(diào)整出合適的測量標(biāo)距，并通過其應(yīng)變數(shù)據(jù)來表征裂紋損傷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種基于分布式應(yīng)變傳感陣列的混凝土裂紋標(biāo)距自適應(yīng)監(jiān)測方法,該方法利用多級別測量標(biāo)距的應(yīng)變傳感陣列監(jiān)測和診斷混凝土裂紋損傷的同時，通過應(yīng)變數(shù)據(jù)本身判斷裂紋損傷是否發(fā)生跨標(biāo)距演化。當(dāng)裂紋損傷演化超出最小標(biāo)距的覆蓋區(qū)域時，要進一步選擇并重新確定當(dāng)前最小標(biāo)距，使之適應(yīng)變化的損傷熱點區(qū)域，進而更加準(zhǔn)確和魯棒地刻畫裂紋損傷。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于分布式應(yīng)變傳感陣列的混凝土裂紋標(biāo)距自適應(yīng)監(jiān)測方法，主要包括以下步驟：第一步，采用內(nèi)部預(yù)埋或表面固定的方式，在混凝土基體上并行布設(shè)光纖分布式的應(yīng)變傳感探頭和同軸電纜分布式的應(yīng)變傳感探頭，通過設(shè)定不同測量標(biāo)距，構(gòu)成具有多級別(m級)測量標(biāo)距的應(yīng)變傳感陣列；第二步，對當(dāng)前所有1到m級測量標(biāo)距進行排列組合，構(gòu)建所有可能的n個標(biāo)距序列采用上述應(yīng)變傳感探頭與相應(yīng)解調(diào)設(shè)備測得恒載作用下混凝土基體的靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)所述的靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)為多次測試各標(biāo)距序列得到的平均值；第三步，由是否測試得到靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)判斷對應(yīng)測量標(biāo)距的應(yīng)變傳感探頭是否損壞：若未測得靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)則應(yīng)變傳感探頭損壞，重復(fù)第二步；若測得靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)則應(yīng)變傳感探頭沒有損壞，進行下一步。第四步，對于每個標(biāo)距序列以測量標(biāo)距的標(biāo)距長度Li為橫軸，以測量標(biāo)距對應(yīng)的變形量ΔLi為縱軸，建立平面直角坐標(biāo)系，作多段線Li-ΔLi。第五步，以每個標(biāo)距序列所測的混凝土基體健康狀態(tài)下的多段線Li-ΔLi為基準(zhǔn)，根據(jù)每個標(biāo)距序列的多段線Li-ΔLi是否上移判斷裂紋損傷是否發(fā)生，如果Li-ΔLi沒有發(fā)生上移，重復(fù)第四步；如果Li-ΔLi發(fā)生上移，則多段線對應(yīng)的標(biāo)距序列所測的混凝土基體發(fā)生損傷，根據(jù)發(fā)生損傷的標(biāo)距序列中的最小標(biāo)距確定裂紋損傷區(qū)域及其數(shù)量，進行下一步。第六步，在發(fā)生上移的多段線Li-ΔLi中，若不同級別測量標(biāo)距對應(yīng)的上移量有顯著差別，則該標(biāo)距序列所測的混凝土基體的裂紋損傷發(fā)生跨標(biāo)距演化；6.1在該多段線Li-ΔLi之中，某一級別測量標(biāo)距之后所有標(biāo)距(標(biāo)距長度大于等于該級標(biāo)距)對應(yīng)的上移量大于該級標(biāo)距之前所有標(biāo)距(標(biāo)距長度小于該標(biāo)距)對應(yīng)的上移量，選擇該級別測量標(biāo)距為該多段線Li-ΔLi相應(yīng)標(biāo)距序列的當(dāng)前最小標(biāo)距；6.2在第五步所有發(fā)生損傷的標(biāo)距序列的各損傷區(qū)域中，重復(fù)步驟6.1能夠得到多個當(dāng)前最小標(biāo)距，選擇具有最小標(biāo)距長度的當(dāng)前最小標(biāo)距為該損傷區(qū)域的當(dāng)前最小標(biāo)距；6.3如已確定各損傷區(qū)域的當(dāng)前最小標(biāo)距，則排除該標(biāo)距序列中標(biāo)距長度小于當(dāng)前最小標(biāo)距的所有標(biāo)距，并重復(fù)第二步至第五步；第七步，在發(fā)生上移的多段線Li-ΔLi中，若不同級別測量標(biāo)距對應(yīng)的上移量無顯著差別，則將每個發(fā)生損傷的標(biāo)距序列中的當(dāng)前最小標(biāo)距作為損傷區(qū)域，上測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)用來表征裂紋損傷程度，輸出診斷結(jié)果。本發(fā)明以分布式應(yīng)變傳感探頭的并行布設(shè)為基礎(chǔ)，通過混凝土基體內(nèi)部或表面的應(yīng)變傳感陣列獲取恒定荷載條件下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。本發(fā)明聚焦于應(yīng)變監(jiān)測對結(jié)構(gòu)局部裂紋損傷的敏感特性、分布式覆蓋能力以及測量標(biāo)距可實現(xiàn)從厘米到米級定制的自身優(yōu)勢，不同于傳統(tǒng)上基于固定標(biāo)距的應(yīng)變監(jiān)測，而采用以上所述的標(biāo)距自適應(yīng)監(jiān)測方法，該方法能夠自行調(diào)整出合適的測量標(biāo)距，適應(yīng)變化了的損傷熱點區(qū)域，其中標(biāo)距自適應(yīng)算法為本發(fā)明的核心內(nèi)容。本發(fā)明的效果和益處是：1)對于應(yīng)變傳感陣列中不同級別的測量標(biāo)距，采用標(biāo)距自適應(yīng)監(jiān)測方法可以避免：裂紋損傷造成混凝土結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力/應(yīng)變集中，導(dǎo)致小標(biāo)距傳感探頭超出自身變形能力發(fā)生損壞而無法繼續(xù)測試；由于大標(biāo)距傳感探頭對早期損傷不敏感，導(dǎo)致?lián)p傷漏判；采用固定標(biāo)距的應(yīng)變數(shù)據(jù)表征裂紋損傷，導(dǎo)致?lián)p傷誤判。2)僅利用恒定荷載作用下的靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)穩(wěn)定地測試和較高地精度，并且無須考慮具體荷載數(shù)值。3)本發(fā)明的標(biāo)距自適應(yīng)算法無須結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，計算過程均為代數(shù)運算，極大地減少計算量，適合實時監(jiān)測，可為混凝土結(jié)構(gòu)快速預(yù)警與破壞倒塌機制研究提供技術(shù)支持，并為其它損傷特征的結(jié)構(gòu)健康診斷提供借鑒。附圖說明圖1是本發(fā)明的應(yīng)變傳感陣列混凝土裂紋損傷監(jiān)測示意圖；圖2是本發(fā)明的標(biāo)距自適應(yīng)算法框圖；圖3是實施例中多級別測量標(biāo)距(m＝4)的某一標(biāo)距序列示意圖；圖4是實施例中對應(yīng)某一標(biāo)距序列的多段線Li-ΔLi；圖中1為多級別測量標(biāo)距構(gòu)成的應(yīng)變傳感陣列。具體實施方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方式：本發(fā)明以分布式應(yīng)變傳感探頭的并行布設(shè)為基礎(chǔ)，如圖1所示，通過混凝土基體內(nèi)部或表面的應(yīng)變傳感陣列1和應(yīng)變解調(diào)設(shè)備測得恒定荷載條件下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。對每個標(biāo)距序列的各級測量標(biāo)距所對應(yīng)的變形量應(yīng)用標(biāo)距自適應(yīng)算法進行分析處理，如圖2所示，最終得到當(dāng)前最小標(biāo)距作為損傷區(qū)域，其測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)即表征裂紋損傷程度。按照圖3定制測量標(biāo)距，取多次測試得到的靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)的均值計算得到各級測量標(biāo)距變形量{ΔL0ΔL1ΔL2ΔL3}。進一步地，依照標(biāo)距自適應(yīng)算法：S1)未損傷(健康)狀態(tài)：傳感探頭未損壞，作多段線Li-ΔLi，如圖4中實線所示。根據(jù)靜力問題的求解原理，在荷載恒定的條件下，各級測量標(biāo)距變形量不發(fā)生改變。S2)損傷發(fā)生(以角標(biāo)α代表)：傳感探頭未損壞，作多段線如圖4中長虛線所示。多段線上移，且各級測量標(biāo)距的上移量相等?；炷粱w出現(xiàn)裂紋損傷，但未發(fā)生跨標(biāo)距演化。由于損傷后最小標(biāo)距測量區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)局部剛度下降，導(dǎo)致該損傷區(qū)域在一定時間跨度內(nèi)應(yīng)變增加，即也可寫為式中為損傷后應(yīng)變，δα為應(yīng)變相對增量，則有根據(jù)應(yīng)變等效原理以及測量標(biāo)距AB段未發(fā)生損傷，得到同理可得由式(1)-(4)可直觀得出圖4中長虛線所示現(xiàn)象。當(dāng)前狀態(tài)下裂紋損傷區(qū)域為并以表征裂紋損傷程度。S3)跨標(biāo)距演化(以角標(biāo)β代表)：傳感探頭未損壞，作多段線如圖4中短虛線所示。多段線上移，且各級測量標(biāo)距的上移量不等，其中測量標(biāo)距的多段線上移量與上例相同，其余標(biāo)距上移量相同且相比上例有所增加?；炷粱w的裂紋損傷發(fā)生了跨標(biāo)距的演化。依據(jù)S2)例推導(dǎo)，同理可得式中δβ為測量標(biāo)距AB段的應(yīng)變相對增量。選擇標(biāo)距為當(dāng)前最小標(biāo)距，排除標(biāo)距重新確定標(biāo)距序列此時以角標(biāo)αβ代表當(dāng)前最小標(biāo)距對應(yīng)的損傷狀態(tài)式中為損傷后應(yīng)變，δαβ為當(dāng)前最小標(biāo)距的應(yīng)變相對增量。由式(5)-(8)可直觀得出圖4中短虛線所示現(xiàn)象；根據(jù)式(9)-(11)當(dāng)前狀態(tài)下裂紋損傷區(qū)域為并以表征裂紋損傷程度。上述推導(dǎo)過程證明了本發(fā)明提出的標(biāo)距自適應(yīng)算法的可行性。以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案以及具有一定一般性的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的前提下還可以做具體地改進，其均應(yīng)視為本發(fā)明的涵蓋與保護范圍。