[发明专利]基桩桩身三维应变和力参数监测系统及其量测方法

权利要求书

1.一种基桩桩身三维应变和力参数监测系统，其特征在于：沿桩身(3)表面埋设9根传感光纤，传感光纤分成三组，每组3根；

第一组传感光纤为轴向光纤(11)，3根传感光纤均沿桩身(3)轴向布置；第二组传感光纤为S型光纤(12)，3根传感光纤均逆时针绕于桩身(3)上，从桩身一端均匀绕向另一端；第三组传感光纤为反S型光纤(13)，3根传感光纤均顺时针绕于桩身(3)上，从桩身一端均匀绕向另一端；

所述轴向光纤(11)与S型光纤(12)、反S型光纤(13)均具有若干相交点，且每根轴向光纤上与S型光纤的相交点和与反S型光纤的相交点一一对应重合形成测试点(14)，每个测试点所在桩身横截面的边缘共有三个测试点；所述S型光纤、反S型光纤与轴向光纤的夹角为θ，0°<θ<90；

9根传感光纤头尾相连形成1根光纤，所形成的光纤两端与布里渊解调仪(2)相连。

2.根据权利要求1所述的基桩桩身三维应变和力参数监测系统，其特征在于：3根轴向光纤(11)均匀布置于桩身(3)表面，3根S型光纤(12)分别以桩身(3)下端面边缘、相邻两根轴向光纤(11)的中心点为起点绕于桩身上，3根反S型光纤(13)分别以桩身下端面边缘、相邻两根轴向光纤(11)的中心点为起点绕于桩身上。

3.应用权利要求1或2所述监测系统进行桩身三维应变和力参数量测的方法，其特征在于：通过布里渊解调仪(2)量测桩身某一横截面上A、B、C三个测试点的应变变化量，A、B、C三点反S型光纤(13)、轴向光纤(11)和S型光纤(12)实测的应变值分别为ε_A1、ε_A2、ε_A3、ε_B1、ε_B2、ε_B3、ε_C1、ε_C2、ε_C3，采用三向应变花计算原理分析计算；

应变测试值与基桩直角坐标系OXYZ下的力和力矩建立测试方程组如下，基桩直角坐标系OXYZ以桩身(3)下端面圆心为原点，沿桩身轴线向上为Z轴正向，A点位于X＝0的平面上：

ϵA1ϵA2ϵA3ϵB1ϵB2ϵB3ϵC1ϵC2ϵC3=1E2sin2θπd204cos2θπd2016sin2θπd30004πd2000-2sin2θπd204cos2θπd2016sin2θπd30-sin2θπd23sin2θπd24cos2θπd2-163(1+μ)sin2θπd34sin2θπd312sin2θπd3004πd2000sin2θπd2-3sin2θπd24cos2θπd2-163(1+μ)sin2θπd34sin2θπd312sin2θπd3-sin2θπd2-3sin2θπd24cos2θπd2163(1+μ)sin2θπd34sin2θπd312sin2θπd3004πd2000sin2θπd23sin2θπd24cos2θπd2163(1+μ)sin2θπd34sin2θπd312sin2θπd3FXFYNZTMXMY]]>

上式中F_X、F_Y、N_Z、T、M_X和M_Y分别为基桩直角坐标系下三个力和三个力矩，其中F_X为X向力，F_Y为Y向力，N_Z为Z向力，T为扭矩，M_X为相对于X轴的弯矩，M_Y为相对于Y轴的弯矩；E为桩身弹性模量，d为桩身直径，μ为桩身泊松比；

根据应变测试原理，应变测试值用基桩直角坐标系下的力和力矩表示为：

ϵk*=Ak1FX+Ak2FY+Ak3NZ+Ak4T+Ak5MX+Ak6MY;]]>

式中，k＝3(i-1)+j，i为测试点的编号，i＝1,2,3；j为测试点中相应于测试值方程的编号，j＝1,2,3；为测试值；A_k1～A_k6为测试值方程的力参数系数，其表达式分别为：

A11=2sin2θπd2E,A12=0,A13=4cos2θπd2E,A14=0,A15=16sin2θπd3E,A16=0,]]>

A21=0,A22=0,A23=4πd2E,A24=0,A25=0,A26=0,]]>

A31=-2sin2θπd2E,A32=0,A33=4cos2θπd2E,A34=0,A35=16sin2θπd3E,A36=0,]]>

A41=-sin2θπd2E,A42=3sin2θπd2E,A43=4cos2θπd2E,A44=-163(1+μ)sin2θπd3E,A45=4sin2θπd3E,A46=12sin2θπd3E,]]>

A51=0,A52=0,A53=4πd2E,A54=0,A55=0,A55=0,]]>

A61=sin2θπd2E,A62=-3sin2θπd2E,A63=4cos2θπd2E,A64=-163(1+μ)sin2θπd3E,A65=4sin2θπd3E,A66=12sin2θπd3E,]]>

A71=-sin2θπd2E,A72=-3sin2θπd2E,A73=4cos2θπd2E,A74=163(1+μ)sin2θπd3E,A75=4sin2θπd3E,A76=12sin2θπd3E,]]>

A81=0,A82=0,A83=4πd2E,A84=0,A85=0,A86=0,]]>

A91=sin2θπd2E,A92=3sin2θπd2E,A93=4cos2θπd2E,A94=163(1+μ)sin2θπd3E,A95=4sin2θπd3E,A96=12sin2θπd3E,]]>

选取6个以上不同桩身横截面的测试数据进行计算，采用最小二乘法原理求解力参数最佳值，计算可采用6个以上方程，然后对各计算结果进行综合分析，决定取用值，其计算方程式如下：

Σk=1nAk12Σk=1nAk2Ak1...Σk=1nAk6Ak1Σk=1nAk1Ak2Σk=1nAk22...Σk=1nAk6Ak2............Σk=1nAk1Ak6Σk=1nAk2Ak6...Σk=1nAk62FxFy...MY=Σk=1nAk1ϵk*Σk=1nAk2ϵk*...Σk=1nAk6ϵk*.]]>