一种多点工程结构开裂状态监测装置及其方法.pdf

本发明公开了一种简易的电阻式多点工程结构开裂状态监测装置，其主要包括：量测电阻仪、一对主导线以及至少一个互相串联的监测部件，其中，该监测部件由一导线与一电阻并联而成；量测电阻仪用于实时测量该监测装置的总电阻值，量测电阻仪的两个端子分别与两根主导线的一端相连，一主导线的另一端与第一个监测部件相连，最后一个监测部件的输出端与另一主导线的另一端相连；每个监测部件对应一个易开裂点或易发生分离位移点。本发明还同时公开了与该装置相应的一种监测方法。

1、  一种简易电阻式多点工程结构开裂或工程部件分离位移状态监测装置，其特征在于主要包括：量测电阻仪、一对主导线以及至少一个互相串联的监测部件，其中，该监测部件由一导线与一电阻并联而成；量测电阻仪用于实时测量该监测装置的总电阻值，量测电阻仪的两个端子分别与两根主导线的一端相连，一主导线的另一端与第一个监测部件相连，最后一个监测部件的输出端与另一主导线的另一端相连；每个监测部件对应一个易开裂点或易发生分离位移点。

2、  根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：每个监测部件中电阻的阻值，或一个以上监测部件任意组合时电阻的阻值之和均不相等，从而使得可能出现的每一个总电阻值与各监测点之间存在唯一的对应关系。

3、  根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于通过量测位于同一测线上的各点的监测部件的一个总电阻值，同时监测工程结构上多点的开裂与位移状态，并根据总电阻值与监测点的对应关系，准确地定位开裂点或分离位移超出允许值的点的位置。

4、  根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述的监测部件进一步包括：两个导电材料制成的螺栓，且两个螺栓以强度较低的导电材料焊接或连接；该两个螺栓通过不导电材料或经绝缘处理的螺母分别固定于测座的上端，该螺母的外部为环形凹槽；监测部件中导线的一端与一主导线的一端一起焊接于其中一个螺栓的尾部；监测部件中导线的另一端与另一主导线的一端一起焊接于另一个螺栓的尾部。

5、  根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：在电阻元件、导电材料以及处于螺母外的螺栓尖端的外表面，套设有橡皮保护套和固紧环，固紧环将橡皮保护套紧固于螺母外部的环形凹槽中。

6、  根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：在其中一侧螺母凸出面的外部滑动套接有一外套，该外套直接与测座固定在一起，外套的轴端面与螺母的轴端面之间有一轴向间隙，该轴向间隙用于控制开裂点所允许的开裂宽度，该间隙大小可调，用于控制监测点所允许的开裂宽度或分离位移大小。

7、  根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：所述的两个螺栓之间的焊接或连接点，可以是具有一定的韧性的，或实际是是通过一段具有一定的变形能力的导电材料相联的，从而使得在主要监测的开裂方向之外的其它方向上的微小位移或转动，不会造成焊接点的断开。

8、  根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于：所述的测座是用于安装并固定监测部件的支座，或是埋设在岩土边坡或大坝上的混凝土桩(简称测桩)，或是固定在建筑、桥梁或隧道结构上的金属与非金属测座。

9、  根据权利要求所述的监测装置，其特征在于：改变带滑动套的螺栓的安装方向，并使该方向与要监测的分离位移的方向一致，就可实现该方向上张开、上下错动或左右剪切等开裂位移状态的精确监测。

10、  一种利用上述监测装置实现开裂点状态监测的监测方法，其特征在于该方法至少包括以下的步骤：
a.确定监测点个数和位置；
b.构造电阻式监测装置并设定监测部件中的电阻值，其中，监测装置中监测部件的数目等于步骤a中所确定的监测点数目；
c.在实际监测区域安装监测装置，监测装置中每个监测部件对应一个监测点；
d.实时读出量测电阻仪上的总电阻值，如果总电阻值变化为零，继续监测，即返回步骤d；否则，根据总电阻值与监测点的对应关系，确定开裂的监测点位置；然后，判断是否需要继续测试，如果需要，则返回步骤d，否则退出。

一种多点工程结构开裂状态监测装置及其方法
本发明涉及一种监测装置，尤指一种利用监测总电阻值的变化来实时监测并定位结构工程中开裂点位置与状态的监测装置及其监测方法。
在各种建筑结构工程，尤其是高陡岩土边坡工程中，有关在工程力作用下岩土体在何时何处产生开裂，或是已有的裂隙重新开裂的信息，对于边坡工程的设计者和施工者来说是至关重要的。所谓“开裂”是指工程结构体由于受力、变形而产生裂缝并发生分离位移的现象，这里也泛指在使用中工程部件间产生不利的分离位移的现象。如果能及时了解有关开裂发生部位和产生时间等信息，就能及早地采取各种措施进行处理，以避免开裂发展。一般而言，越早处理越能收到事半功倍的效果，否则开裂将可能继续扩展，使岩土体的抗滑强度进一步降低，产生新的开裂，甚至导致产生塌方和滑坡，带来更大的损失。
在其它建筑、桥梁与大坝等工程中，也有类似的情况，也不期望发生超过一定允许值的结构体开裂或安装部件间的分离位移。
为了及时掌握有关开裂或过大分离位移的发生部位和产生时间，监测往往是工程师们最常用、最重要的手段。一般来说，监测方法可分为两大类：巡检和仪表监测。其中，巡检是指现场巡逻、实地观察，其优点是可靠、巡检的范围大，并且，由于不需要贵重仪器监测使得监测经费较省。但是，该方法需要花费很多人力；而且，该方法在某些特殊场合，如暴雨、爆破等条件下最易出现开裂，不能及时地进行巡检。仪表监测是指通过测试仪器监测开裂点状态，其优点是可以在各种特殊场合下进行实时监测、精度高、如果需要还可作连续监测等。但是，由于通常采用较贵的仪器而需要较高的成本。而且，也正由于仪器较贵而存在测点布置有限，监测范围不很大等问题。此外，多种电测仪器也往往因监测条件差，如：潮湿、灰尘、人为破坏等因素，而存在着长期监测可靠性较差等问题。
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电阻式工程结构开裂状态监测装置，使其无需大量人力即能实时监测工程中大范围的多处易开裂点或易发生分离位移点的状态，且可靠性、精度更高、成本更低廉。
本发明的另一目的在于提供一种监测方法，使得对开裂点的定位更准确、精度更高，且测试范围更大、成本更低、操作更简便灵活。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种电阻式工程结构开裂状态监测装置，关键于主要包括：量测电阻仪、一对主导线以及至少一个互相串联的监测部件，其中，该监测部件由一导线与一电阻并联而成；量测电阻仪用于实时测量该监测装置的总电阻值，量测电阻仪的两个端子分别与两根主导线的一端相连，一主导线的另一端与第一个监测部件相连，最后一个监测部件的输出端与另一主导线的另一端相连；每个监测部件对应一个易开裂点或易发生分离位移点。
所述的监测部件进一步包括：两个导电材料制成的螺栓，且两个螺栓以强度较低的并具有一定的韧性的导电材料焊接或连接；该两个螺栓通过不导电材料或经绝缘处理的螺母分别固定于测座上，该螺母的外部为环形凹槽；监测部件中导线的一端与一主导线的一端一起焊接于其中一个螺栓的尾部；监测部件中导线的另一端与另一主导线的一端一起焊接于另一个螺栓的尾部。
在电阻元件、导电材料以及处于螺母外的螺栓尖端的外表面，套设有橡皮保护套和固紧环，固紧环将橡皮保护套紧固于螺母外部的环形凹槽中。
在其中一侧螺母凸出面的外部滑动套接有一外套，该外套直接与测座固定或与混凝土测桩浇筑成一体，外套的轴端面与螺母的轴端面之间有一大小可调的轴向间隙，该轴向间隙用于控制开裂点所允许的分离位移。
所述导线的电阻值接近为零。每个监测部件中电阻的阻值，或一个以上监测部件任意组合时电阻的阻值之和均不相等。
一种利用上述监测装置实现开裂点状态监测的监测方法，该方法至少包括以下的步骤：
a.确定监测点个数和位置；
b.构造电阻式监测装置并设定监测部件中的电阻值，其中，监测装置中监测部件的数目等于步骤a中所确定的监测点数目；
c.在实际监测区域安装监测装置，监测装置中每个监测部件对应一个监测点；
d.实时读出量测电阻仪上的总电阻值，如果总电阻值变化为零，继续监测，即返回步骤d；否则，根据电阻值与监测点的对应关系，确定开裂的监测点位置；然后，判断是否需要继续测试，如果需要，则返回步骤d，否则退出。
其中，所述的电阻值与监测点的对应关系是指每个总电阻值对应一个监测部件中电阻的阻值，或对应一个以上监测部件任意组合时电阻的阻值之和。
由上述方案可以看出，本发明所提供的电阻式工程结构开裂状态监测装置及其监测方法，具有以下的优点和特点：
1)无需大量人力，且监测范围大。该监测装置主要由若干个带有电阻的监测部件构成，因此可以安装在任何地方，使得其可监测区域可以是很大的一个范围。该装置可以在任何环境、任何气候下，随时通过测量总电阻值来判断开裂点的位置，因此无需再动用大量人力亲自在气候恶劣的情况下实地巡查，既方便，又节省人力、降低成本。
2)实时监测、定位准确、精度高。该监测装置在实地安装好后，由于只需测量出总电阻值，因此可以随时测量、连续测量。由于根据电阻值与监测部件或监测点的对应关系即可确定开裂点具体位置，因此，定位的准确度、精度更高。
3)操作简单、方便、灵活。本发明的监测装置只是通过监测该装置的总电阻值的变化即可判断定位出开裂点的个数和位置，给用户的使用带来极大的方便。
4)安装方便、成本低。由于该监测装置主要由电阻、导线构成，最多在实际安装时附加一些如螺栓、螺母、导电材料、测座等等机械元件，因此安装起来简单方便，而且这些电气元件及附加的机械元件价格都很低，使得整个装置的成本及施工成本降低。
5)不受周围环境影响，可靠性高。该监测装置制作简单，在实际测试环境安装时每个监测部件的外面都有防水、防潮、防锈、防腐、防尘、防破环的保护层；并且为了保证监测部件的导线能随开裂点被拉裂，又增加了机械的螺栓、螺母、导电材料焊接点等结构；为了使开裂点的允许开裂宽度或分离位移可选择，又增加了一滑动结构；为了使对主要监测的开裂位移之外的其它方向的微小位移或转动不过于敏感，又增加了具有一定韧性的焊接点的结构，从而使得整个监测装置既不受恶劣气候影响，又具有相当高的可靠性和灵活性。
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图1为在边坡上设置监测点的边坡剖面图；
图2为本发明监测装置的电路原理示意图；
图3为本发明中每个监测点的监测部件的结构示意图；
图4为本发明中监测方法实现的流程图。
(i＝1，2，…，n)的电阻23并联而成。量测电阻仪21用于实时测量该监测装置的总电阻值，量测电阻仪21的两个端子分别与主导线22、25的一端相连，主导线22的另一端接入第一个监测部件20，而最后一个监测部件20的输出端与主导线25的另一端相连。一般，可将量测电阻仪21接入和接出的两根长度通常很长的主导线套在一个外套中，使主导线变成一根套管电缆，更易于埋设和保护。
当没有开裂点断开时，每个监测部件20的电阻值为其构成中导线24的阻值，此时，量测电阻仪21测出整个监测装置的总电阻值为所有导线阻值之和，由于每个导线24的阻值几乎为零，因此总电阻值也接近为零。而当某一开裂点或某几个开裂点断开时，量测电阻仪21测出的总阻值即为该开裂点阻值或几个开裂电阻值之和。
要想实现上述定位方法--即根据不同阻值就能定位开裂点的方法，就必须保证每个开裂点的电阻值，以及各开裂点组合的电阻值之和全不相同，同时，要保证各个阻值之间的最小差值必须足以被监测装置的精度所区分，且最小电阻值与最大电阻值不超出监测装置的测量范围。如此，才能根据阻值准确判断识别出开裂点的位置。基于这种思想，本发明中对于各个电阻的阻值设计遵循以下的原则：
每个电阻的电阻值应不等于任一组可同时发生切断的监测部件的电阻值之和，且其差值大小应足以使监测装置进行分辨。设最多有j个监测部件被同时切断，则第i个监测部件的电阻值可设计为：
                  R_i＝R_i-1+R_i-2+…+R_i-j+1
其中，公式后加的“1”为监测装置足够分辨的一个单位的电阻值。
下面以一处断裂、两处断裂以及多处断裂的情况对上述电阻值设计在实际中的应用进一步详细说明：
1>仅有一处监测部件被切断的判断：
当线路接通时，总线路的总电阻值R为R₀，它等于电流所通过的各段导线的电阻之和；当某一监测部件(比如第一个监测部件)的并联导线W₁处被拉断时，总线路的总电阻值近似地变成为：
                R＝R₁+R₀-R₁′        (1)
其中，R₁′为导线W₁的电阻值。依次类推，当第i个监测部件的并联导线W_i被拉断时，总电阻值R将等于：
        R＝R_I+R₀-R_i′(i＝1，2，…，n)         (2)
考虑到各监测部件所并联的一段导线的电阻R₁′，…，R_n′彼此基本上相等，故可记作为R_v，即：
        R_v＝R₁′＝R₂′＝…＝R_v′              (3)
于是(2)式可改写作为：
        R＝R_I+R₀-R_v(i＝1，2，…，n)           (4)
根据式(4)就可以找出总电阻值的某次实测值R_mj与有关各电阻的关系：

由于R₁，…，R₂，…，R_n，即式(5)的右边各值预先是已知的，所以仅当R₁、R₂、…R_i…R_n彼此相差足够大时，就能根据式(5)准确地判断出所断开的是第几个监测部件，也就可知所埋设的具体位置。同时，根据R_mj实测值的量测时间也能大致定出线路断开的时间。
2>两个监测部件同时发生切断的判断：
如果两个监测部件同时发生断裂，例如第1和第i个监测部件同时断裂，则线路的总电阻值R将等于：
        R＝R₁+R_i+R₀-2R_v(i＝1，2，…，n)      (6)
根据式(6)和(3)也可以找出总电阻值的某次实测值R_mj与有关各电阻的关系：

同样，由于R₁+R，…，R₁+R_i，…，R_n+1+R_n，即式(7)右边各值是已知的，所以仅当R₁+R_i，…，R_n+1+R_n和R₁，R₂，…，R_n彼此相差足够大时，就能根据(7)准确地判断出是哪两个监测部件断开了，进而确定所埋设的实际位置。同时，根据R_mj实测值的量测时间，也能定出线路切断的时间。
3>多个监测部件同时发生切断的判断：
从边坡工程实际变形破坏规律看，多个监测部件同时被切断的情况很少。但如果发生，也可按上述方法和式(7)依次类推，即根据电阻值的设计方法，事先确定好各种电阻值的可能组合关系，而后，即可通过实际测出的电阻值确定被同时切断的各个监测部件的位置。
对于多个监测部件非同时发生切断的情况，可通过即时记录将各次实测的电阻作为下一次的R₀值，然后就可以采用式(5)依次确定各次被切断的监测部件。
还应指出，由于R_V与R₁、R₂、…、R_n的值相比小得多，以至于可假定为零，因此式(1)～式(7)都可进一步简化。
参见图3所示，为了保证边坡岩土体被拉裂时，监测部件的导线部分(即图2中所示的W_i，W₂，…，W_n)被切断。该结构设置了两个导电材料螺栓36和313，且两个螺栓36和313用强度较低的导电材料312焊接或连接。另外，该两个螺栓通过不导电的螺母35和314分别固定于钢筋混凝土测桩的上端34和316上。按照图2所示的并联方式，其中一个螺栓36与连接电阻元件311的一头导线32以及一端主导线31一起焊接于该螺栓的尾部33；另一个螺栓则与另一端的主导线320以及与连接电阻的另一头导线317一起焊接于该螺栓的尾部319上。
当代表将被拉裂的岩土两侧的测桩37和318被相对拉开时，拉裂缝310将出现，同时导电材料312的焊接或连接点将被拉开。这就意味着监测部件被破坏，电流将全部经一主导线31、一导线32、电阻元件311、另一导线317流向另一主导线320。此时，该监测部件的电阻值为电阻元件311的值。进而可根据上述的电阻检测原理，实现开裂变形或分离位移状态的监测。同样的原理，采用类似的装置，也可实现上下、左右裂缝错动或剪切位移状态的监测。
实际上，在很多情况下岩土体有一定的允许开裂宽度，为适应这一情况，该装置允许对宽度进行选择。如图3所示，在其中一个非导电螺母314的外面，再增加一与混凝土测桩直接浇筑在一起的外套315，两者之间呈滑动状态。当它们的凸出面接触时，外套315便可拉动螺母314，使之随着测桩拉开，又由于螺栓与螺母连在一起，故当两测桩相对分开时，两螺栓也将在焊接处导电材料312处拉断；但在它们的凸出面未接触之前，就不能产生拉力，因此图3中所留的两凸出面之间的空隙L实际上就是允许开裂的宽度，L的值可调。对上下、左右裂缝错动或剪切位移允许值的监测，只需将可滑动的螺栓安装在与监测位移相一致的方向上即可。
如果要求在主要监测的开裂位移之外，其它方向的微小位移或转动不易造成电路断开，则可采用具有一定韧性的材料或结构，如通过一段具有一定的变形能力的导电材料相焊接，使焊接点具有一定的韧性。
虽然，与通常的电测式监测仪器相比，该监测装置对相当恶劣的监测环境(如潮湿、灰尘等)并不敏感。但为了保证该装置长期监测的可靠性，从该装置的结构上可进一步采取多种保护方法，请再参见图3所示。
a)对于螺栓36和313，采用不锈螺母35和314加以防锈保护，以免金属制螺栓直接与钢筋混凝土测桩接触；
b)为了防止电阻元件311、导电材料312以及螺母之外的螺栓尖端部分产生锈蚀等现象，可采用橡皮保护套39并用固紧环38将之系紧在不锈螺母外部的环形凹槽中，以起到保护作用。
c)可在螺栓尾部33和319的焊接点处，用黄油和橡皮圆柱等堵住螺栓尾部和不锈螺母构成的圆孔，以达到保护焊点的作用。
参见图4所示，图4为利用上述监测装置完成实际监测的具体流程图。本发明的监测方法至少包括以下的步骤：
1)确定监测点位置及数目。根据所监测的边坡工程的特点，找出最可能开裂的点作为监测点，并将基本上位于一线上的若干监测点连成一条测线。如图1所示，图1中的边坡剖面12上设置一条由A、B、C、D、E等位于较易产生开裂的监测点所组成的测线13。
在一般情况下，测线将沿着边坡最陡的方向布置，而且它在水平上的投影和已出现或将要产生的开裂在水平面上的投影大致垂直。
2)构造监测装置。根据同处于一条测线上的监测点的数目，设计一电阻式开裂状态监测装置，该监测装置中包括与监测点数目相同的监测部件，且设定好每个监测部件中电阻的阻值。比如图1所示的测线共有五个监测点A、B、C、D、E，则在该监测装置中设计五个电阻值不同的电阻式开裂状态监测部件，其中各个电阻值的设计原则如前所述。
3)实际测试。将监测装置安装于实际的监视区域，每个监测部件对应一个监测点。
4)监测。实时地通过量测电阻仪读出当前测出的总电阻值并加以判断，如果当前总电阻值变化为零，则继续监测；否则，如果当前总电阻值不为零，则根据当前电阻值以及前面所述的电阻值与监测部件的对应关系来确定当前断开的监测部件的位置，进而通过每个监测部件与监测点的对应关系，可知开裂点在何处。当本次开裂点监测定位结束后，判断是否需要继续测试，如果需要，则返回步骤4)，否则退出。
在实际监测时，可以采用两种方式：一种是手工监测，就是用简单的量测电阻仪测量出总电阻值，每次以手工方式记录并进行相应的分析处理。另一种是自动监测，就是采用包括量测电阻功能的监测仪表，该仪表还具有自动记录每次量测结果，自动对量测结果进行分析，并给出监测点断裂位置的判断结果等功能，使其可不间断地实时监测并提交结果报告，工程师再根据相应的报告做出处理。
总之，采用本发明所述的监测装置和监测方法即可在实际应用中实时监测和定位一定范围内的、多处易开裂点或可发生分离处的状态，且可靠性、精度更高，操作简单灵活、判断速度快、更方便用户使用。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。