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第八课:动力学测试系统

2024-05-23 10:27发布

本文拆分至“第二册第10章动力学测试和信号拟合分析,10.4 动力学测试”


典型的动力学测试系统至少需要两个应变传感器和两个加速度计组成。传感器可重复使用,利用螺栓对称安装在距桩顶不小于2-3倍桩径的桩侧表面。利用传感器实测在锤击作用下桩身质点的应变和加速度。

有效的动力学测试需要径向对称安装两个应变传感器,以平衡和补偿桩上非均匀冲击和弯曲的影响。所有的打入桩类型(预应力混凝土桩,钢管桩,H型桩,木桩和复合桩)可以使用外部测量仪轻松测试,桩的参数设置和测量程序随桩型不同稍有变化。

图1为不同桩型传感器系统在进行动力学测试时的安装步骤。

在图1(a)为预应力混凝土管桩安装方法,预先在桩身中钻孔,利用螺栓将传感器附接在预应力混凝土桩上。应变传感器的安装最好利用钻孔模板,以保持孔间距正确。在锚固传感器之前,应清除孔内灰尘,以免影响传感器与混凝土的锚固。

对于钢管桩,如图1(b)所示,先用5.2-5.3的钻杆钻孔,再利用M6的攻丝锥攻丝,随后用螺杆固定好传感器即可。

对于H型钢桩,如图1(c)所示,类似与钢管桩,在腹板上钻孔,并使用螺栓在两个相对的腹板表面上安装传感器。

对于木桩,安装方法类似于钢管桩,不同的是需要用木制螺钉将外部传感器附接在木桩上。


图1 动力学测试准备桩

对于每个要测试的桩,传感器安装通常需要15至20分钟。在安装传感器之后,初打或复打试验按照常规程序继续进行。对于复打试验,可以在桩头下方2倍直径处或任何合适的位置处钻孔并测量。为了避免重新扰动桩周土,大多数复击试验通常为20次或更少。

新一代的打桩分析仪兼容信号无线传输模式,传感器采集的信号可以通过图中所示的Wi-Fi发射器传输到主机里,大大提高了测试效率与安全。

外部安装的加速计、应变传感器和Wi-Fi发射器的照片如图2(a)所示。信号可以通过所示的Wi-Fi发射器进行传输,当然也可以采用原始的有线采集模式,通过一分四电缆和主电缆从各个传感器收集和传输信号。制造商还提供如图2(b)所示安装在管桩上的组合式应变传感器和加速度计。照片中看不到发射器或信号采集电缆。在动力学测试中,每次锤击都会采集来自任一测传感器的记录,并通过无线发射器或主电缆传输至数据采集主机。

图 2 a)加速度传感器,应变传感器,WiFi发射器(Pile Dynamics, Inc.提供) b)组合应变传感器和加速度传感器(Allnamics提供)

在混凝土桩上,可使用外部传感器或嵌入式传感器进行动力学测试。嵌入式传感器组通常由一个应变传感器和一个加速度传感器组成,该加速度传感器应在桩头下方2-3倍直径距离处浇注到桩中。

嵌入式至少需要一个应变传感器和一个加速度传感器,且传感器安装于桩的中轴线上,以避免弯曲和冲击不均匀的影响。对于非均匀混凝土桩,尽量使嵌入传感器的安装远离阻抗变化处。传感器与横截面变化的位置至少1倍直径的距离。

如图3所示,一个由应变传感器和加速度计组成的嵌入式测量系统被浇筑到混凝土桩中。位于铸造床顶部右侧的物体内装有传输装置,传输装置将被安装在桩表面中。左侧的电线将传输装置连接到第二个嵌入测量组中。

图3 混凝土桩使用的嵌入式应变传感器和加速度传感器(由Radise International提供)

图4展示了另一种嵌入式应变计布置方案,即在钢筋笼上安装一个应变传感器和加速度传感器。在图中还可以看出在两个径向相对的钢筋笼主筋上多安装了两个应变传感器。在径向相对的主筋上另外安装两个应变传感器并不是标准要求,主要是用于与在中心位置安装的传感器的测量值作比较。

图4 嵌在水泥桩上的嵌入式阻力应变传感器和安装在同类型水泥桩上的加速度传感器(Pile Dynamics, Inc.提供)

嵌入式传感器也可以在桩头附近以外的位置浇注在混凝土桩中。这些额外安装的嵌入式传感器可以与位于桩头附近的传感器同时进行监测,以便进一步了解和预估打桩应力、荷载传递或潜在的桩趾损坏。


数据采集系统将测量的应变信号和加速度信号调节并转换为力、速度与时间的关系。使用公式1,由测量的应变ε乘以桩弹性模量E和横截面积A,可以计算出力。

图片

公式1

此处

F(t)=传感器在时间t处计算的力(kips)。

E=桩材料弹性模量(ksi)。

A=桩横截面积(in2)。

ε(t)=在时间t处测量的应变。

通过使用公式2对测量的加速度随时间积分获得速度。

图片

公式2

此处

V(t)=传感器在时间t处计算的速度(ft/s)。

a(t)=传感器在时间t处测量的加速度(ft/s2)。

在大多数动力学测试系统中,用于处理、存储和显示测试信号的所有组件组成了现场专用分析仪,例如图5所示的打入桩分析仪(PDA)或如图6所示嵌入式数据采集仪(EDC)。

在打桩期间,这些系统通过积分等计算进行动态测试数据分析,包括能量传递、打桩应力、结构完整性和标准岩土阻力。用户选择的动态量的数值结果也随着每次锤击而实时显示。在测试期间,可以在系统屏幕上查看基本的力和速度记录以及其他结果。处理后的测试记录以数字方式存储,然后用于现场或办公室的信号拟合分析及图形和数据输出。

图5 打桩分析仪(Pile Dynamics, Inc.提供)

图6 嵌入式数据采集系统(Radise International提供