本發(fā)明涉及土石結(jié)構(gòu)體材料性態(tài)轉(zhuǎn)移辨識系統(tǒng)及方法，屬于結(jié)構(gòu)體安全健康監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

關(guān)于土石結(jié)構(gòu)溫度場變化規(guī)律及變溫場對土石體結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響問題越來越受重視，土石結(jié)構(gòu)層面和本體結(jié)合部作用機(jī)理問題較為突出，有關(guān)土石結(jié)構(gòu)溫度場及其對土石結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)影響的研究仍是業(yè)內(nèi)研究的一個(gè)重要的課題。

土石結(jié)構(gòu)主要受水壓荷載、溫度荷載等因素的作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，這些效應(yīng)除了受荷載影響，也與土石結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)有著緊密的聯(lián)系。土石結(jié)構(gòu)因其層層施工的特點(diǎn)，存在大量的碾壓層，層面的彈性模量、溫度線膨脹系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)與本體存在差異。

研究表明土石結(jié)構(gòu)由于層面與本體溫度線膨脹系數(shù)、比熱等材料特性參數(shù)存在差異，土石結(jié)構(gòu)在溫度變化作用下在層面方向和垂直于層面方向產(chǎn)生應(yīng)變增量，影響土石結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和溫度應(yīng)變。此外，因?qū)用婧捅倔w的溫度線膨脹系數(shù)不同，它們在豎向和橫向的自由膨脹也就不同，本體和層面間也會產(chǎn)生接觸附加應(yīng)力。

目前，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究通過建立薄片模型，應(yīng)用材料力學(xué)方法，推求出層面與本體由于不同線膨脹系數(shù)、彈性參數(shù)等引起的微觀應(yīng)力，預(yù)測了能綜合反映層面對溫度應(yīng)變影響的水平向和豎向等效線膨脹系數(shù)，但現(xiàn)有的研究中沒有從能量守恒的角度對材料特性參數(shù)等效進(jìn)行分析，分析結(jié)果的合理性有待商榷。

基于上述背景，本發(fā)明專利突破傳統(tǒng)意義上土石結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)的辨識方法，提出了基于單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置的本體和層面材料差異性等對溫度應(yīng)變產(chǎn)生影響的等效溫度線膨脹系數(shù)、比熱等參數(shù)確定的方法，最大程度地實(shí)現(xiàn)了真實(shí)情況下監(jiān)測土石結(jié)構(gòu)體的服役性態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種土石結(jié)構(gòu)體材料性態(tài)轉(zhuǎn)移辨識系統(tǒng)及方法，基于單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置的本體和層面材料差異性等對溫度應(yīng)變產(chǎn)生影響的等效溫度線膨脹系數(shù)、比熱等參數(shù)確定的方法，大大提高了監(jiān)測的能力，極好地滿足了實(shí)際土石結(jié)構(gòu)性態(tài)診斷的需求，對當(dāng)前土石結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性態(tài)健康監(jiān)測探究提供了重要的保障，在降低監(jiān)測成本、提高監(jiān)測精度及提升工程實(shí)用化能力等方面具有突出優(yōu)勢。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的土石結(jié)構(gòu)體材料性態(tài)轉(zhuǎn)移辨識系統(tǒng)，包括載纖鋼桶，所述載纖鋼桶的中心設(shè)有內(nèi)穿芯槽，在載纖鋼桶內(nèi)沿內(nèi)穿芯槽的中心圓周分布有至少三個(gè)溫感孔，溫感孔內(nèi)安裝有溫度監(jiān)測用傳感光纖，在載纖鋼桶的外表面圓周分布有至少三個(gè)應(yīng)變裝夾裝置，應(yīng)變裝夾裝置上裝夾有應(yīng)變感測部件。

作為優(yōu)選，所述應(yīng)變感測部件包含固定在載纖鋼桶上的安裝凸臺，安裝凸臺上設(shè)有卡纖孔，卡纖孔內(nèi)安裝有應(yīng)變監(jiān)測用傳感光纖。

作為優(yōu)選，所述溫感孔有四個(gè)，沿內(nèi)穿芯槽的中心圓周均布。

作為優(yōu)選，所述應(yīng)變感測部件有四個(gè)，沿載纖鋼桶的中心圓周均布。

一種上述的土石結(jié)構(gòu)體材料性態(tài)轉(zhuǎn)移辨識系統(tǒng)的辨識方法，包括以下步驟：

第一步，在溫感孔內(nèi)布設(shè)溫度監(jiān)測用傳感光纖；

第二步，基于待監(jiān)測體中骨架的位置與尺寸，配備內(nèi)穿芯槽，待內(nèi)穿芯槽配置到待測土石結(jié)構(gòu)內(nèi)的布設(shè)路線中，基于布設(shè)路線，將配置好的載纖鋼桶埋設(shè)到待測土石結(jié)構(gòu)中，完成單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置的布設(shè)與安裝；

第三步，選取本體和層面為單元體；層面的彈性模量為ea，層面的泊松比為μa，層面的溫度線膨脹系數(shù)為αa，層面的比熱為ca，層面的密度為ρa(bǔ)，層面的體積為va，層面的等效厚度為ba；本體的彈性模量為ec，本體的泊松比為μc，本體的溫度線膨脹系數(shù)為αc，本體的比熱為cc，本體的密度為ρc，本體的體積為vc，本體的厚度為bc，單元體的厚度為b＝ba+bc；單元體x方向和y方向均取單位長度；

第四步，在豎向方向上對單元體進(jìn)行材料特性參數(shù)等效分析：根據(jù)能量守恒可知，caρa(bǔ)△tava+ccρc△tcvc＝cvρv△tvvv，其中，δta為層面的溫度變化，δtc為本體的溫度變化，cv為單元體豎向等效比熱，ρv為單元體豎向等效密度，△tv為單元體豎向等效溫度變化，溫升或溫降，vv為單元體豎向等效體積；根據(jù)熱力學(xué)知識有：caρa(bǔ)va+ccρcvc＝cv(ρa(bǔ)va+ρcvc)；在豎直方向幾何方程為△la+△lc＝△l，其中，δla為層面豎向長度變化，δlc為本體豎向長度變化，δl為單元體豎向長度變化；物理方程為：εa＝△taαa、εc＝△tcαc，其中，εa為層面自由應(yīng)變，εc為本體自由應(yīng)變；則，△taαaba+△tcαc(b-ba)＝△tvαvb，其中，αv為單元體豎向等效溫度線膨脹系數(shù)，

此外，由質(zhì)量守恒定律有：由上分析，可得到土石結(jié)構(gòu)單元體豎向熱力學(xué)等效參數(shù)，單元體豎向等效溫度變化：單元體豎向等效比熱單元體豎向等效溫度線膨脹系數(shù)：

第五步、在橫向方向上對單元體進(jìn)行材料特性參數(shù)等效分析：αl為單元體橫向等效溫度線膨脹系數(shù)，ρl為單元體橫向等效密度，△tl為單元體橫向等效溫度變化，溫升或溫降，cl為單元體橫向等效比熱，el為單元體橫向等效彈性模量，溫度變化為△t，本體和層面溫度均勻變化，在約束和溫度荷載作用下，單元體有：靜力平衡方程：σaxba+σcx(b-ba)＝0，其中，σax為層面在橫向上產(chǎn)生的附加應(yīng)力，σcx為本體在橫向上產(chǎn)生的附加應(yīng)力；幾何方程為：εax＝εcx＝εx，其中，εax為層面在橫向上的線應(yīng)變，εcx為本體在橫向上的線應(yīng)變，εx為單元體在橫向上的線應(yīng)變；物理方程為：其中，ec為本體橫向等效彈性模量，ea為層面橫向等效彈性模量；由上式聯(lián)立求解，可得：橫向單元體等效溫度線膨脹系數(shù)αl求解：由上求得的附加應(yīng)力代入物理方程中，可得：由ε^*＝αl△t，可以求得單元體橫向等效溫度線膨脹系數(shù)：由熱平衡原理可知：△tclρlvl＝caρa(bǔ)△tva+ccρc△tvc，則單元體橫向等效比熱：

通過以上步驟的操作，實(shí)現(xiàn)了土石結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)獲取過程。

有益效果：本發(fā)明首創(chuàng)提出了基于單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置的本體和層面材料差異性等對溫度應(yīng)變產(chǎn)生影響的等效溫度線膨脹系數(shù)、比熱等參數(shù)確定的方法，基于單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置所提供的各物理參數(shù)，從豎向與橫向兩個(gè)方向上開展了材料特性參數(shù)等效分析，最大程度地反映了真實(shí)情況下土石結(jié)構(gòu)體的服役性態(tài)，為結(jié)構(gòu)體安全監(jiān)測提供了重要支撐和保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作流程圖；

圖2本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖2所示，本發(fā)明土石結(jié)構(gòu)體材料性態(tài)轉(zhuǎn)移辨識系統(tǒng)，包括載纖鋼桶6，所述載纖鋼桶6的中心設(shè)有內(nèi)穿芯槽5，在載纖鋼桶6內(nèi)沿內(nèi)穿芯槽5的中心圓周均勻分布有四個(gè)溫感孔，分別為第一溫感孔7、第二溫感孔8、第三溫感孔9和第四溫感孔10，在第一溫感孔7、第二溫感孔8、第三溫感孔9和第四溫感孔10內(nèi)分別安裝有第一溫度監(jiān)測用傳感光纖、第二溫度監(jiān)測用傳感光纖、第三溫度監(jiān)測用傳感光纖和第四溫度監(jiān)測用傳感光纖，在載纖鋼桶6的外表面圓周分布有四個(gè)應(yīng)變裝夾裝置2，應(yīng)變裝夾裝置2上裝夾有應(yīng)變感測部件，所述應(yīng)變感測部件包含固定在載纖鋼桶6上的安裝凸臺，安裝凸臺焊接在載纖鋼桶6上，安裝凸臺上設(shè)有卡纖孔，卡纖孔包含第一卡纖孔3、第二卡纖孔11、第三卡纖孔12和第四卡纖孔13，第一卡纖孔3、第二卡纖孔11、第三卡纖孔12和第四卡纖孔13內(nèi)分別安裝有第一應(yīng)變監(jiān)測用傳感光纖、第二應(yīng)變監(jiān)測用傳感光纖、第三應(yīng)變監(jiān)測用傳感光纖和第四應(yīng)變監(jiān)測用傳感光纖。

本發(fā)明中，配備直徑為10cm的內(nèi)穿芯槽5，待直徑為10cm的內(nèi)穿芯槽5沿著各骨架結(jié)構(gòu)配置完成之后，直徑為0.5cm第一卡纖孔3、直徑為0.5cm第二卡纖孔11、直徑為0.5cm第三卡纖孔12和直徑為0.5cm第四卡纖孔13內(nèi)配置有g(shù)jjv型號緊套傳感光纖，直徑為0.5cm的第一溫感孔7、直徑為0.5cm的第二溫感孔8、直徑為0.5cm的第三溫感孔9、直徑為0.5cm的第四溫感孔10內(nèi)配置有g(shù)jjv型號緊套傳感光纖，且直徑為0.5cm的第一卡纖孔3、直徑為0.5cm的第二卡纖孔11、直徑為0.5cm的第三卡纖孔12和直徑為0.5cm的第四卡纖孔13為處于0°、90°、180°、270°方向上的結(jié)構(gòu)體，可提供0°、90°、180°、270°方向上的應(yīng)變監(jiān)測信息。

本發(fā)明中，直徑為0.5cm的第一溫感孔7、直徑為0.5cm的第二溫感孔8、直徑為0.5cm的第三溫感孔9、直徑為0.5cm的第四溫感孔10為處于0°、90°、180°、270°方向上的測孔，完成單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置的布設(shè)與安裝，本體和層面的溫度和應(yīng)變分別測量。

采用如圖1所示的方法，基于單元體層面性態(tài)監(jiān)測裝置，得到某土石結(jié)構(gòu)性能參數(shù)為：本體的溫度線膨脹系數(shù)αc＝9.8×10^-6/℃，本體的彈性模量ec＝2.8×10⁴mpa，本體的密度ρc＝2.4×10³kg/m³，本體的比熱容cc＝0.75kj/kg℃；層面的溫度線膨脹系數(shù)αa＝8.2×10^-6/℃，層面的彈性模量ea＝2.2×10⁴mpa，層面的密度ρa(bǔ)＝1.9×10³kg/m³，層面的比熱容ca＝1.8kj/kg℃；土石層厚度b＝30cm，層面厚度ba＝2cm；假設(shè)溫度監(jiān)測用傳感光纖監(jiān)測的土石土本體和層面均產(chǎn)生5℃溫升，僅在變溫作用下對土石結(jié)構(gòu)綜合溫度線膨脹系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并考察層面和本體間附加應(yīng)力，由本發(fā)明所提出的方法可得：

土石單元體綜合比熱

豎向等效溫度線膨脹系數(shù)

橫向等效溫度線膨脹系數(shù)

經(jīng)計(jì)算，在上述溫度變化下，本體中產(chǎn)生橫向附加應(yīng)力為：

層面在橫向上產(chǎn)生附加應(yīng)力：

最終完成了獲取某土石結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)的工作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。