專利名稱：土木工程結構地基約束能力動態檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種土木工程結構地基約束能力檢測技術，尤其是一種 對已建成使用中的結構地基進行約束能力測定的動態檢測裝置，具體地說是 一種土木工程結構地基約束能力動態檢測裝置。
背景技術：
目前，隨著我國經濟的飛速發展和和科技水平的提高，土木工程結構的 設計理論和建造技術不斷發展，人們建造了多種形式的民用、工業建筑、高 大的立交橋、城市高架橋及跨江、河和海灣的大橋。相對于上部結構而言， 土木工程結構的基礎設計更為復雜，其力學耐久性研究和病害診斷也更顯困 難。在風化、冰凍和水土流失等環境條件下再受往復風荷載影響，結構的基 礎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的腐 蝕并導致基礎承載力降低，從而縮短結構的使用壽命。對一些建在軟弱地基 上的結構，在使用期內或多或少因某種原因(如差異沉降，溫度變化)受過 損傷，而風載荷、工作載荷和地震載荷引起的附加應力則加速了這種損傷的 發展。對完好且無異常應力變化的工程結構也有可能因為振動而導致較大的 地基位移或失穩(如飽和土軟化或液化，邊坡坍塌)。工程結構按其地基承載 能力適當選定了基礎底面尺寸， 一般可保證結構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，地基沉降總要發生，而不正常的地基沉降
變形極易導致結構的開裂、失穩，形成危險的構筑物。近10年土木工程結構
的變形監測表明，土木工程上部結構的變形與地基的不均勻沉降和形成事故 有直接聯系。
土下結構的技術狀態及其變化是確定其力學特性及工程可靠性的重要依 據。由于地基變形而引起的結構與地基的相互作用就成為一個重要問題。作 為結構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構基礎約束剛度是很難的。傳統的識別地基約束能力的方法大多建立在土力學基 礎上，這些土力學統計參數會隨時間和各地區的地質及環境條件的不同而改 變分布復雜且檢測困難。目前尚未有一種能在已建成的結構中有效測定地 基約束能力的技術。 發明內容
本實用新型的目的是針對目前已建成土木工程結構地基約束能力檢測缺 乏有效手段的問題，設計一種檢測效果好、使用范圍廣泛、實施方便土木工 程結構地基約束能力動態檢測裝置。
本實用新型的技術方案是
一種土木工程結構地基約束能力動態檢測裝置，其特征是它由測試單元 1和主機分析單元10構成，測試單元1的信號輸出端與主機分析單元10的 信號輸入端連接，主機分析單元IO對測試單元1測量到的信號進行處理；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 的信號進行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號輸出端與A/D轉換器4的信 號輸入端相連，將模擬信號轉換成數字信號，A/D轉換器4的信號輸出端通 過輸出單元5與主機分析單元10相連,將經過A/D轉化器4轉換后的數字信 號傳輸到主機分析單元10中；主機分析單元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，主機分析單元10將接收到的數據送 入FFT分析模塊7中進行FFT分析，得到加載前后結構的振動基頻，地基約 束剛度識別模塊8根據FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結果通過 顯示與存儲模塊9顯示并保存數據。 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 加載前后結構的自振基頻即可識別出其地基約束能力的動態測量評估技術， 為已建成基礎結構的地基約束能力評判提供了方便、快捷的一手數據資料， 并研制了適用于現場采集數據和識別地基約束能力的虛擬測試系統，用先進 的數據采集和信號處理方法，結合柔性的模塊化的虛擬一體化技術為地基的安全監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1%，地基 約束能力識別精度能達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
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。 如圖l所示。
一種土木工程結構地基約束能力動態檢測裝置，它由測試單元1和主機 分析單元10構成，測試單元1的信號輸出端與主機分析單元10的信號輸入 端連接，主機分析單元10對測試單元1測量到的信號進行處理；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 行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號輸出端與A/D轉換器4的信號輸入端 相連，將模擬信號轉換成數字信號，A/D轉換器4的信號輸出端通過輸出單 元5 (可采用USB設備進行數據傳輸)與主機分析單元10相連，將經過A/D 轉化器4轉換后的數字信號傳輸到主機分析單元10中；主機分析單元10 (可 采用手提電腦或常規計算機加以實現，在其中安裝相應的計算模塊軟件如 FFT分析模塊7、地基約束剛度識別模塊8等即可實現)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，主機分析單 元10將接收到的數據送入FFT分析模塊7中進行FFT分析，得到加載前后結 構的振動基頻，地基約束剛度識別模塊8根據FFT分析的基頻計算地基的約 束剛度，得到結果通過顯示與存儲模塊9顯示并保存數據。 利用上述裝置即可按下步驟進行檢測(如圖2所示) 第一步在被檢測結構上設置傳感器為數據采集作準備，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
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利用設置的傳感器采集被測結構環境振動響應，并進行傅里葉 變換即FFT分析(可采用現有成熟軟件進行)，得到結構的自振基頻"u)， 此時被測結構上部的質量假設為M0;
第三步在被測結構上進行第一次加載，此時結構上部的質量假設為 M1;采集此時被測結構的環境振動響應，并進行傅里葉變換即FFT分析，得 到被測結構的第一次加載時的自振基頻w
第四步在被測結構上進行第二次加載，此時被測結構上部的質量假設 為My采集此時被測結構的環境振動響應，并進行傅里葉變換即FfT分析， 得到結構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以及被測結構的自身質量、剛度、材料性能參數
輸入以下三個約束能力評估聯立公式，即可計算出結構的平動約束剛度it,、 轉動約束剛度^和豎向約束剛度&，為被測結構地基安全監測提供計算所需
的依據
'丄=M。 + w + (M0 + m)^ + A + 4。 + M。a + ^ < 了 = ~!-+ ^~~2-^——+ -^L + ^or + ^
二:- + _^2-^——+ _5——Mi_ + +々
6^ 2 & 、/ A2
式中厶——被測結構的轉動慣量；
4。、 An、 4——分別為被測結構上部的初始質量、第一次加載后、第
二次加載后上部的質量對被測結構底部的轉動慣量；
A、 /——被測結構的水平截面的截面積和計算長度(高度)；
w——被測結構質量；
￡~~結構材料的彈性模量；
",-分別為只和被測結構自身材料有關的系數，由下式計算所得/38/ 。
16(3;r-8)/v4/4 4W2 3￡/ yt a4;r2 丌扭/
式中￡/為被測結構的彎曲剛度，g為重力加速度，G為被測結構的剪切
剛度，r為被測結構的重量密度，1//t'為剪切應力的分布系數，矩形截面
F =5/6，圓形截面A:' =9/10。
在聯立的三個方程中，M。、 M、 M2、々。、《/wl、 ^2可根據己知的上部 結構設計圖紙和加載質量計算得到，A、 /、 " 、 " 、 ^為橋墩、承臺、沉 井或沉箱結構的設計參數，也是己知參量，co,.。、 co卩、co,.2可通過傳感器采 集設備采集橋墩、承臺、沉井或沉箱結構的環境響應信號分析得到。因此表 達式只有&、 &、 ^為待識別的未知參量，而其余的參數均可表示為結構自 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的方程， 構成識別&、 ^、 ^三個地基約束剛度的充要條件。在求出&三個地基約束 剛度&、 &、 ^后再利用現有的理論和計算公式進一步計算機地基是否處于 安全狀態的判斷，以便及時采取相應的措施，確保安全。
本實用新型未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求1、一種土木工程結構地基約束能力動態檢測裝置，其特征是它由測試單元(1)和主機分析單元(10)構成，測試單元(1)的信號輸出端與主機分析單元(10)的信號輸入端連接，主機分析單元(10)對測試單元(1)測量到的信號進行處理；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)采集到的信號進行放大濾波，抗混濾波放大器(3)的信號輸出端與A/D轉換器(4)的信號輸入端相連，將模擬信號轉換成數字信號，A/D轉換器(4)的信號輸出端通過輸出單元(5)與主機分析單元(10)相連，將經過A/D轉化器(4)轉換后的數字信號傳輸到主機分析單元(10)中；主機分析單元(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)，主機分析單元(10)將接收到的數據送入FFT分析模塊(7)中進行FFT分析，得到加載前后結構的振動基頻，地基約束剛度識別模塊(8)根據FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結果通過顯示與存儲模塊(9)顯示并保存數據。
專利摘要一種土木工程結構地基約束能力動態檢測裝置，其特征是它由測試單元(1)和主機分析單元(10)構成，測試單元(1)包括傳感器(2)、抗混濾波放大器(3)、A/D轉換器(4)和輸出單元(5)；主機分析單元(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)，主機分析單元(10)將接收到的數據送入FFT分析模塊(7)中進行FFT分析，得到加載前后結構的振動基頻，地基約束剛度識別模塊(8)根據FFT分析的基頻計算地基的約束剛度，得到結果通過顯示與存儲模塊(9)顯示并保存數據。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 優先權日2009年2月26日
發明者劉偉慶, 俊 王, 葛曉永, 韓曉健 申請人:南京工業大學