[发明专利]一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法及装置

权利要求书

1.一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.预先在螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔；

b.使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在连接螺栓上，每个连接螺栓上均在两环管片的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装有光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出；

c.对各个连接螺栓进行编号，并标注于连接螺栓引线上；

d.盾构掘进完毕后将管片按照拼装顺序拼装好，并将对应的连接螺栓安装到位，将其拧紧，并施加预应力；

e.管片和连接螺栓安装好后，将存在的线缆固定好，并且将电缆接头引到数据采集处；

f.将每个光纤光栅应变传感器所引出的光纤接头依编号接入光纤光栅解调仪中，对各个监测数据进行实时的监测，并将监测数据保存入电脑；

g.将安装有光纤光栅应变传感器的连接螺栓及管片拼装完成后，将此时所测的光纤光栅应变传感器波长设为初始波长；

h.连接螺栓接缝处发生的应变通过光纤光栅的温度变化、光栅中心波长的变化之间的关系进行换算得出，光纤光栅应变传感器的应变变化值通过以下公式换算得出：

ε＝Δλ_B/[λ_B(1-p_e)]-(α+ξ)ΔT/(1-p_e) (1)

式(1)中：Δλ_B为光栅波长变化量；λ_B为布拉格光栅的波长量；ε为应变值；ΔT为被测对象的温度变化；α为光纤的温度系数；ξ为光栅的温度系数；p_e为光纤的弹光系数，p_e≈0.22；

i.光纤光栅应变传感器对连接螺栓接缝位置处发生的应变进行测量，通过换算得到管片错台变形量，计算过程如下：

①根据结构的受力情况和变形情况，建立力法基本方程如下：

式(2)中，δ为未知力对应的未知系数，Δ为自由项，X₁和X₂为结构截面上的未知力；

②求解各系数和自由项：

通过计算基本结构上单位未知力引起的单位弯矩图，运用图乘法求得各系数和自由项为：

将上述各系数代入方程式(2)得到未知力X₁和X₂分别为

其中：C为常量，C＝10β²-16βsinβ+4sin²β+βsin2β；

③连接螺栓截面的弯矩值：

上述的计算得到连接螺栓在管片接缝处的错台与转角θ的关系，所以其截面的弯矩值为：

将整个连接螺栓看做是一个纯弯杆构件，式(6)为纯弯杆件弯矩M与应力σ，应力σ与应变ε之间的关系式：

④连接螺栓错台量：

将式(6)代入(5)式计算管片错台量与螺栓杆件接缝处的应变之间的关系，另由于连接螺栓螺母端被固定，所以连接螺栓杆件端部的转角θ＝0，代入最终化简可得到连接螺栓的错台量计算公式：

式中：c为管片的错台量；r为连接螺栓的曲率半径；θ为连接螺栓杆件端部的转角；ε为光纤光栅测量的应变；E为连接螺栓弹性模量；I为连接螺栓惯性矩；I_Z为连接螺栓横截面对其中性轴的惯性矩；d为连接螺栓直径；β为连接螺栓两端夹角的一半；y为光栅距中性轴的距离。