CN114526686A - 一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，所述系统包括激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块、控制模块以及数据传输模块，通过激光测距技术获取混凝土实体成型养护阶段微小变形量，能够测量混凝土收缩变形量、周围环境的光照强度与温度的变化量，能够有效地应用于各种需要检测混凝土施工期收缩变形量的场合，该在线测量系统结构合理，性能可靠，系统功耗小，受外界影响小，实时性好，测量精度高，数据可读性强。

Description

一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统

技术领域

本发明实施例涉及工程建设技术领域，具体涉及一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统。

背景技术

长大混凝土结构与构件开裂问题一直是困扰国内外工程界的一个重要难题。混凝土裂缝的出现，不但影响着结构外观质量，也严重影响着工程使用寿命和安全。混凝土施工期和早期养护期收缩变形量、周围环境温度变化等是影响混凝土早期成型阶段出现裂缝问题的主要因素。工程现场结构混凝土尺度较为长大，特别是其施工期构件单元实体变形量的精准量测是准确反映已浇筑完成混凝土结构受客观环境条件制约下真实变形变化量的最可靠信息，也是决定混凝土早期开裂的主要判据。一般而言，不同强度等级混凝土的早期开裂允许变形量通常在500-800um。而现有高精度的测距仪器，如进口莱卡等高精度测量设备，在工程现场或野外条件下的自身测量容许误差一般均不小于2mm，因此无法满足实体长大结构微米级的变形量检测和监测需求。因而，至今在工程现场无法实现在线监测混凝土精准微小实体变形量，也没有相应可靠地监控与预防开裂的有效方法和装置。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，以解决现有技术中无法实现在线监测混凝土精准微小实体变形量的问题，提供相应可靠地监控与预防开裂的有效方法和装置。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，所述系统包括激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块、控制模块以及数据传输模块，所述激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块均连接所述控制模块，所述控制模块通过数据传输模块连接云端；

所述激光测距模块用于通过激光测距原理对长大结构混凝土实体构件的微小变形量进行测量；

所述温度测量模块用于测量实体构件内部所选测点位置的实时温度以及外部周围环境的实时温度值和外部周围环境的实时温度值；所述光照度测量模块用于对现场光照强度进行测量；

所述控制模块用于对连续测量得到的变形量、构件内外温度以及光照强度数据进行接收并处理后通过数据传输模块上传至云端；

所述云端用于根据获取到的变形量数据进行分析，并对混凝土实体结构拆模前后的开裂风险进行预测，根据预测结果提出混凝土在施工养护期的防裂抗裂应对措施。

进一步地，所述系统还包括内外温度收发模块，所述内外温度收发模块连接在温度测量模块和控制模块之间，用于将测量得到的温度值传输给控制模块。

进一步地，所述系统还包括储存模块，所述储存模块连接所述控制模块，用于对获取到的数据进行存储。

进一步地，所述激光测距模块包括激光测距机、激光测距机安装架、激光测距机反射靶标以及激光测距机反射靶标安装架，所述激光测距机与激光测距机反射靶标竖直（垂直度要求：±5°）埋设于施工分段分层浇筑完成的成墙体顶部并相对平行设置。

进一步地，所述控制模块具体用于：

将连续测量得到的变形量、构件内外温度以及光照强度数据分别取平均值；

根据得到的平均值设定有效取值区间，根据所述有效取值区间对超出区间的测量值进行剔除，并对剩余的有效测量值再次取平均作为最终的测量值。

进一步地，所述控制模块还用于：

根据温度测量值和光照强度测量值对激光测距值进行温度补偿和修正。

进一步地，所述云端具体用于：

根据测得的变形量数据绘制实测微应变曲线，并获取不同时段混凝土实体构件的抗拉极限容许微应变曲线；

在等时间轴上对实测微应变曲线和抗拉极限容许微应变曲线的位置关系进行对比，如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线且两条曲线之间的最小距离超过第一预设阈值，则判定混凝土实体结构拆模后开裂风险为低风险，如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线但两条曲线之间的最小距离未超过第一预设阈值，则判定拆模后开裂风险为高风险。

进一步地，根据预测结果提出混凝土在施工及养护期的防裂抗裂应对措施，具体包括：

如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线但两条曲线之间的最小距离未超过第一预设阈值，则应延缓拆模；如果实测微应变曲线与抗拉极限容许微应变曲线之间的最小距离低于第二预设阈值，则应在延缓拆模的基础上，进一步采取包括保湿保温的养护措施。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例提出的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，所述系统包括激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块、控制模块以及数据传输模块，通过激光测距技术获取混凝土实体成型养护阶段微小变形量，能够测量混凝土收缩变形量、周围环境的光照强度与温度的变化量，能够有效地应用于各种需要在线检测混凝土施工期收缩变形量的场合，该在线测量系统结构合理，性能可靠，系统功耗小，受外界影响小，实时性好，测量精度高，数据可读性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1提供的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，选用高精激光测距装置模块，结合野外工程现场光照测量和连续性修正算法，可获取工程现场施工期和早期养护阶段的现场实体长大混凝土结构构件的微小变形量；再根据实体混凝土不同龄期的理论抗裂允许变形量和混凝土内外温度代表性变化量，对实体成型混凝土的开裂可能性和防裂措施，提供可靠判定依据。

具体的，该系统包括激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块、控制模块以及数据传输模块，所述激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块均连接所述控制模块，所述控制模块通过数据传输模块连接云端。

本实施例采用工业级室内高精激光测距原理，辅以室外光照环境下激光测距修正算法和标靶灵敏度修正方法，获取稳定可靠的10微米误差量级的长大结构构件微变形量连续测量值。

激光测距模块包括激光测距机、激光测距机安装架、激光测距机反射靶标以及激光测距机反射靶标安装架，所述激光测距机与激光测距机反射靶标竖直（垂直度要求：±5°）埋设于墙体中并相对平行设置。

温度测量模块包括3路PT1000电阻、以MAX31865为转换芯片并搭载74LVC138片选芯片的3路温度测量转换电路。温度收发模块采用2.4G收发模块，共采用2块，包括发送模块和接收模块，分别搭载在温度测量模块转换电路与控制模块集成电路上，并执行温度测量值的发送与接收功能。

控制模块包括STM32核心板、LCD显示屏、基于STM32F4核心板的外围器件与装置电源模块构建的集成电路板。控制模块中的STM32核心板负责各个测量装置的数据采集与做相应的数据处理，并通过所述LCD显示屏显示。集成电路板包括核心板外围电路、4G模块控制继电器、SD卡模块、光照强度数据传输RS485模块、测距机数据传输RS232模块、2.4G连接模块、4G连接模块以及电源模块，电源模块包括：24V转12V降压模块、12V转5V降压模块、5V转3.3V降压模块，为控制模块、激光测距模块、光照度测量模块以及4G数据传输模块提供电源。SD卡储存模块搭载在所述控制模块的集成电路板上。

数据传输模块采用4G收发模块，接收温度测量值并向控制模块发送数据；4G数据传输模块，将经由控制模块接收处理的数据发送至云端。4G数据传输模块包括4G通讯模块、天线，且4G通讯模块搭载在控制模块的集成电路上，执行数据上传云端的功能。控制模块与4G模块连接中搭载了一个继电器来控制4G模块的通断。

本实施例提出的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，采用模块化分离结构，将所述温度测量模块与所述控制模块、所述光照度测量模块分离开，在硬件上消除了有线连接，转而利用2.4G无线传输模块进行数据传输，使得所述温度测量模块能够单独供电，增加了温度测量的多种场合，减少了所述控制模块的功耗；同时，所述控制模块搭载一个继电器来控制所述4G模块的中断，在数据上传时开启所述4G模块，传输完毕后关闭，进一步使得所述控制模块的功耗大大降低，实现装置的低功耗运行。

具体的数据测量实施步骤：

S1、激光测距模块、光照测量模块、温度测量模块依次开启，得到一组参数测量值；

S2、将测距值、光照度值、温度值分别通过相应的协议发送到控制模块；

S3、控制模块通过相应通讯协议接收到参数测量值，并将测量值进行储存，同时显示在LCD显示屏上；

S4、重复进行参数测量进程，并在每次测量进程完成后将测量值按照步骤S2发送到控制模块，控制模块根据步骤S3对测量值进行接收、储存与显示；

S5、重复一定次数后，所述控制模块对所述SD卡储存模块存储的测量值进行补偿算法处理，处理完成的数据通过搭载的所述4G通讯模块发送至云端，并在LCD显示屏上进行实时显示。

进一步地，步骤S1中所述激光测距模块的开启是所述控制模块通过RS232通信协议向所述激光测距模块发送开始测量指令，所述光照度测量模块开启是所述控制模块通过RS485通讯协议向所述光照度测量模块发送开始测量指令。

进一步地，步骤S2中测距值通过RS232协议进行传输、光照度值通过RS485协议进行传输、温度值通过温度测量模块与控制模块搭载的2.4G收发模块进行传输。

进一步地，步骤S4中重复测量进程的次数不得少于30次。

进一步地，步骤S5中具体包含：

S51、将所述SD卡模块中储存的测距值、光照度测量值、温度测量值分别取平均值；

S52、基于所述步骤S51中的平均值，设定一个判定测量值为有效的取值区间；

S53、基于所述步骤S52中的取值区间，剔除超出所述取值区间的测量值，将剔除之后的有效测量值再次进行取平均运算，以得到的平均值作为装置最终的测量值。

进一步地，步骤S5中控制模块通过控制继电器闭合来开启4G模块，在数据传输完成之后，控制继电器断开来关闭4G模块。

整体实施过程：

（1）通过采用工业级室内高精激光测距原理，辅以室外光照环境下激光测距修正算法和标靶灵敏度修正方法，获取稳定可靠的10微米误差量级的长大结构构件微变形量连续测量值。采集温度和光照测量的作用是根据温度对激光测距值进行修正，通过实测多天大量数据进行线性拟合，修正测距值。还可以在云端对采集的温度数据变化进行曲线显示。

（2）通过从云端数据库中获得上传实时测距值，然后将测距值的变化量除以实测长度，获得实测微应变变化量曲线。

（3）然后依据混凝土浇筑材料性能和环境条件参数下的成熟度、强度及弹性模量增长规律，获取不同时段混凝土结构体极限抗拉容许微应变量。具体步骤如下：

首先采用下述公式计算出混凝土构件内部不同时段的最大拉应力：

；

式中，ΔT为混凝土的温降幅度，为相应计算时段内最高温度与最低温之差，℃；

W为对应混凝土构件计算单元的宽度，m；

L为对应混凝土构件计算单元的长度，m；

τ为底部刚性约束端与混凝土构件计算单元之间的施工间歇期，d；

f_t为实测混凝土计算单元在相应计算时段内的强度，MPa，其计算方法如下，

使用标准养护试件1-7d的龄期强度数据，经回归分析拟合成下列形式曲线方程，

式中，f为混凝土抗压强度（GPa）；a、b为系数，D为混凝土的养护龄期（d）；

接下来利用等效龄期的计算公式：

式中，t为等效龄期；

为温度为T℃的等效系数；

T℃的持续时间。

以等效龄期t代替D，即可算出强度，从而推算出混凝土构件内部的最大拉应力。

其次参考CEB-FIP模式规范中的公式：

其中，E28是28d混凝土弹性模量；

t₀为初始时间，672即28d 的小时数（单位 h）；

参数s，n 与混凝土的品种有关；

计算出混凝土计算单元在相应计算时段内的弹性模量；

再应用本构关系公式

，计算出不同时段混凝土结构体的极限抗拉容许微应变量。

（4）然后在等时间轴上列出实测微应变曲线和抗拉极限容许微应变曲线，判定和预测混凝土实体结构拆模前后的开裂风险，具体的：

在等时间轴上对实测微应变曲线和抗拉极限容许微应变曲线的位置关系进行对比，如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线且两条曲线之间的最小距离超过第一预设阈值，则判定混凝土实体结构拆模后开裂风险为低风险，如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线但两条曲线之间的最小距离未超过第一预设阈值，则判定拆模后开裂风险为高风险。

（5）最后提出混凝土施工养护期的防裂抗裂应对措施，如延缓拆模、保湿保温养护等措施，具体的：

如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线但两条曲线之间的最小距离未超过第一预设阈值，则应延缓拆模；如果实测微应变曲线与抗拉极限容许微应变曲线之间的最小距离低于第二预设阈值，则应在延缓拆模的基础上，进一步采取包括保湿保温的养护措施。

本实施例提出的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，针对工程现场长大实体结构和复杂工况，实施精准的在线实测，测量精度高，实时性好；可对不同混凝土特性条件下早期防裂控裂提供有效测控方法，尤其适用于需要实施混凝土收缩变形高精检测和实施准确防裂措施的混凝土工程施工期和早龄期养护场合。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述系统包括激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块、控制模块以及数据传输模块，所述激光测距模块、温度测量模块、光照度测量模块均连接所述控制模块，所述控制模块通过数据传输模块连接云端；

所述激光测距模块用于通过激光测距原理对长大结构混凝土实体构件的微小变形量进行测量；

所述温度测量模块用于测量实体构件内部所选测点位置的实时温度以及外部周围环境的实时温度值；所述光照度测量模块用于对现场光照强度进行测量；

所述控制模块用于对连续测量得到的变形量、温度以及光照强度数据进行接收并处理后通过数据传输模块上传至云端；

所述云端用于根据获取到的变形量数据进行分析，并对混凝土实体结构拆模前后的开裂风险进行预测，根据预测结果提出混凝土在施工养护期的防裂抗裂应对措施。

2.根据权利要求1所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述系统还包括内外温度收发模块，所述内外温度收发模块连接在温度测量模块和控制模块之间，用于将测量得到的温度值传输给控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述系统还包括储存模块，所述储存模块连接所述控制模块，用于对获取到的数据进行存储。

4.根据权利要求1所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述激光测距模块包括激光测距机、激光测距机安装架、激光测距机反射靶标以及激光测距机反射靶标安装架，所述激光测距机与激光测距机反射靶标竖直埋设于施工分段分层浇筑完成的成墙体顶部并相对平行设置。

5.根据权利要求1所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述控制模块具体用于：

将连续测量得到的变形量、构件内外温度以及光照强度数据分别取平均值；

根据得到的平均值设定有效取值区间，根据所述有效取值区间对超出区间的测量值进行剔除，并对剩余的有效测量值再次取平均作为最终的测量值。

6.根据权利要求1所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述控制模块还用于：

根据构件内外温度测量值和光照强度测量值对激光测距值进行温度补偿和修正。

7.根据权利要求1所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，所述云端具体用于：

根据测得的变形量数据绘制实测微应变曲线，并获取不同时段混凝土实体构件的抗拉极限容许微应变曲线；

在等时间轴上对实测微应变曲线和抗拉极限容许微应变曲线的位置关系进行对比，如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线且两条曲线之间的最小距离超过第一预设阈值，则判定混凝土实体结构拆模后开裂风险为低风险，如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线但两条曲线之间的最小距离未超过第一预设阈值，则判定拆模后开裂风险为高风险。

8.根据权利要求7所述的一种长大结构混凝土实体构件防裂控裂在线监测系统，其特征在于，根据预测结果提出混凝土在施工及养护期的防裂抗裂应对措施，具体包括：

如果抗拉极限容许微应变曲线在时间轴上始终高于实测微应变曲线但两条曲线之间的最小距离未超过第一预设阈值，则应延缓拆模；如果实测微应变曲线与抗拉极限容许微应变曲线之间的最小距离低于第二预设阈值，则应在延缓拆模的基础上，进一步采取包括保湿保温的养护措施。

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