專利名稱：瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法
技術領域：
本發明涉及一種瀝青路面材料與傳感器協同變形的評價方法。
背景技術：
由于現有實際瀝青路面中埋設的光纖光柵傳感器模量遠大于瀝青路面材料的模量，導致瀝青路面材料與傳感器之間協同變形性較差，傳感器采集的數據不能直接用于評價路面結構的真實受力狀態，故研究瀝青路面材料與傳感器協同變形評價方法是解決光纖光柵傳感器在路面中應用的前提和基礎，是十分必要并具有較強現實意義的。確定了瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法，即可保證傳感器實測數據的有效性，為確定路面結構的真實受力狀態，探究路面破壞機理、完善路面設計理論和力學模型以及為路面結構的預防性養護提供依據。目前，我國現有技術中并未提供一種專門用于瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法，以解決現有瀝青路面中埋設的光纖光柵傳感器采集的數據無法直接用以評價瀝青路面結構受力狀態的問題。本發明所述的瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法即是尋求一種對實際瀝青路面中埋設的光纖光柵傳感器采集的數據如何進行修正的方法，修正后的數據就是相當于瀝青路面材料與傳感器協同變形而得到的接近實際情況的真實數據。
本發明的技術方案是本發明所述的瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法按照如下步驟實現 步驟一、將傳感器植入裝有瀝青混合料的長方體模具內，裝有瀝青混合料的長方體模具稱為梁試件；將植入傳感器的梁試件設計成四點彎曲寬梁受力模型；壓實長方體模具內的瀝青混合料使其真實模擬待測的瀝青路面；所述傳感器位于梁試件中性面上部或下部；梁試件的底端面相應位置處安裝有LVDT位移傳感器；試驗條件的溫度固定； 步驟二、在植入傳感器對應位置處梁試件的上端面上間隔一定時間逐級施加靜態荷載以模擬實際路面車輛的沖擊作用； 步驟三、通過與植入傳感器連接的光纖光柵傳感器解調儀采集數組；并利用公式得出理論計算應變數組； 式中ε為傳感器的理論水平應變，a為加載段的1/3，即a＝L/3，δ為梁中軸線最大撓度，L為加載段長度，y為傳感器中心到中性面距離； 步驟四、采集LVDT位移傳感器測得的數組； 步驟五、植入光纖光柵應變傳感器數據的標定 a.固定溫度下，以光纖光柵傳感器解調儀采集數組為x軸，以理論計算應變數組為y軸，通過數據擬合得到修正函數y＝Ax+B；A、B為常數； b.全溫度范圍內的數據標定，采用上面相同的方法即可得到不同溫度下的修正直線，可以作為現場實測數據修正的標準；將現場植入傳感器的實測數據代入相應溫度的修正函數的自變量x值，即可得到相應的理論計算應變數值y；所述y值反應待測路面結構的真實受力狀態。
本發明具有以下有益效果本發明利用四點彎曲梁試件下受力簡單的特點，將傳感器植入該梁試件中間三分段內，基于小變形純彈性梁的假設，根據梁底撓度和梁幾何尺寸計算得到理論計算應變，通過計算得到的理論應變修正植入的光纖光柵應變傳感器的采集數據，為現有實際瀝青路面中埋設的光纖光柵傳感器采集數據的處理提供依據，為確定路面結構的真實受力狀態，探究路面破壞機理、完善路面設計理論和力學模型以及為路面結構的預防性養護提供依據。
圖1是受拉傳感器植入與試驗示意圖，圖2是受壓傳感器植入與試驗示意圖，圖3是某一溫度條件下的傳感器數據修正的函數圖(圖中R2代表線性度，其值越接近1，表明擬合越符合線性關系)。
具體實施例方式具體實施方式
一參見圖1～3，本實施方式所述的瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法按照如下步驟實現 步驟一、將傳感器植入裝有瀝青混合料的長方體模具內，裝有瀝青混合料的長方體模具稱為梁試件；將植入傳感器的梁試件設計成四點彎曲寬梁受力模型；壓實長方體模具內的瀝青混合料使其真實模擬待測的瀝青路面；所述傳感器位于梁試件中性面的上部或下部；梁試件的底端面相應位置處安裝有LVDT位移傳感器；試驗條件的溫度固定。
步驟二、在植入傳感器對應位置處梁試件的上端面上間隔一定時間逐級施加靜態荷載以模擬實際路面車輛的沖擊作用； 步驟三、通過與植入傳感器連接的光纖光柵傳感器解調儀采集數組；并利用公式得出理論計算應變數組； 式中ε為傳感器的理論水平應變，a為加載段的1/3，即a＝L/3，δ為梁中軸線最大撓度，L為加載段長度，y為傳感器中心到中性面距離； 步驟四、采集LVDT位移傳感器測得的數組； 步驟五、植入傳感器(光纖光柵應變傳感器)數據的標定 a.固定溫度下，以光纖光柵傳感器解調儀采集數組為x軸，以理論計算應變數組為y軸，通過數據擬合得到修正函數y＝Ax+B；A、B為常數； b.全溫度范圍內的數據標定，采用上面相同的方法即可得到不同溫度下的修正直線，可以作為現場實測數據修正的標準；將現場植入傳感器的實測數據代入相應溫度的修正函數的自變量x值，即可得到相應的理論計算應變數值y；所述y值反應待測路面結構的真實受力狀態。
具體實施方式
二本實施方式在步驟一中，試驗采用的溫度分別為4℃、15℃、25℃、40℃或55℃。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式在步驟一中，梁試件的底端面相應位置處均布安裝有兩個LVDT位移傳感器，采集到的數組值是兩個LVDT位移傳感器的平均值。如此設置，使測得結果更準確。其它步驟與具體實施方式
一相同。
實施例(參見圖1～3) 步驟一、設計原理及設計形式 a.設計原理，考慮到梁式試件在受垂直于軸線方向的荷載，梁身受外力產生的彎矩作用而發生彎曲變形時，受力狀態簡單，梁頂部受壓區和底部受拉區都較為明顯，能夠較好地模擬實際路面內受壓和受拉的狀態，為此設計了植入傳感器的四點彎曲寬梁試驗，在四點彎曲加載條件下梁試件有效加載長度中間1/3段為零剪力的純拉壓段，將傳感器布設其中。
b.設計形式，設計梁試件的長×寬×高為400mm×100mm×100mm，有效加載長度為300mm，梁試件兩側各留有50mm的自由端，受拉傳感器位置為其中心距梁試件底面15mm處，受壓傳感器位置為其中心距梁試件頂面15mm處。
步驟二、傳感器的植入與成型 a.成型模具的制作，制作內壁長×寬×高尺寸分別為100mm×100mm×400mm的長方體模具，長度方向兩側擋板下部各留有直徑為12mm的圓孔，并將圓孔各側壁磨光，防止尖銳部分損傷傳感器的鎧裝線纜。
b.加載模具的制作，加載模具分為上壓頭和下支座兩部分，上壓頭兩滾柱軸承中心距為100mm，頂部伸出長80mm，直徑15mm的螺帽，以旋入MTS試驗機上部壓桿，下支座兩滾柱軸承中心距為300mm。
c.混合料松鋪系數的確定，按長×寬×高為400mm×100mm×100mm的梁試件，設計空隙率計算試件成型所需的瀝青混合料用量，加熱拌合后裝入模具內測量松散狀態下混合料高度，以此確定該類型混合料的松鋪系數。
d.混合料的添加，將加熱拌合好的混合料逐漸裝入梁試件模具內，根據混合料松鋪系數確定傳感器定位器高度，以此固定傳感器在梁試件中的位置。將傳感器鎧裝線纜從兩側的圓孔處引出。
e.混合料的成型，經過壓實功等效換算，確定在振動壓頭上加載四個10Kg配重片，壓頭振動的頻率為20Hz，振動時間為2min，將裝填后混合料的模具放入振動壓實儀中，而后成型試件。
步驟三、傳感器實測數據的采集 a.靜態荷載的施加，模擬實際路面車輛沖擊作用，采用應變控制，逐級瞬時施加MTS試驗機10mm量程卡的3％～30％的位移(0.3mm～3mm，間隔0.3mm，共計10次)，間隔時間90s。
b.光纖光柵應變傳感器數據采集，將光纖光柵連接線連接于光柵解調儀SI-425，在加載的同時記錄相應的傳感器數據。
c.試驗條件的選擇，選擇與瀝青混合料動態模量相同的試驗條件，即在5個溫度下進行，分別為4℃、15℃、25℃、40℃和55℃。
步驟四、計算理論應變值的確定 基于小變形純彈性梁的假設，對于四點彎曲普通梁試件，其距中性面任意位置處的應變根據梁幾何尺寸、梁底撓度和距中性面位置得出理論計算應變，對于普通梁試件，有梁三分點處受到集中力作用，故M＝Pa，則梁跨中最大撓度為進而有故其中ε為傳感器的理論水平應變，a為加載段的1/3，即a＝L/3，δ為梁中軸線最大撓度，L為加載段長度，y為傳感器中心到中性面距離。
步驟五、光纖光柵應變傳感器數據的標定 a.固定溫度下，以光纖光柵傳感器解調儀采集數據為x軸，以理論計算應變為y軸，通過數據擬合得到修正曲線。
b.全溫度范圍內的數據標定，采用上面相同的方法即可得到不同溫度下的修正曲線，可以作為現場實測數據修正的標準。
權利要求
1、一種瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法，其特征在于所述方法按照如下步驟實現
步驟一、將傳感器植入裝有瀝青混合料的長方體模具內，裝有瀝青混合料的長方體模具稱為梁試件；將植入傳感器的梁試件設計成四點彎曲寬梁受力模型；壓實長方體模具內的瀝青混合料使其真實模擬待測的瀝青路面；所述傳感器位于梁試件中性面的上部或下部；梁試件的底端面相應位置處安裝有LVDT位移傳感器；試驗條件的溫度固定；
步驟二、在植入傳感器對應位置處梁試件的上端面上間隔一定時間逐級施加靜態荷載以模擬實際路面車輛的沖擊作用；
步驟三、通過與植入傳感器連接的光纖光柵傳感器解調儀采集數組；并利用公式得出理論計算應變數組；
式中ε為傳感器的理論水平應變，a為加載段的1/3，即a＝L/3，δ為梁中軸線最大撓度，L為加載段長度，y為傳感器中心到中性面距離；
步驟四、采集LVDT位移傳感器測得的數組；
步驟五、植入光纖光柵應變傳感器數據的標定；
a.固定溫度下，以光纖光柵傳感器解調儀采集數組為x軸，以理論計算應變數組為y軸，通過數據擬合得到修正函數y＝Ax+B；A、B為常數；
b.全溫度范圍內的數據標定，采用上面相同的方法即可得到不同溫度下的修正直線，可以作為現場實測數據修正的標準；將現場植入傳感器的實測數據代入相應溫度的修正函數的自變量x值，即可得到相應的理論計算應變數值y；所述y值反應待測路面結構的真實受力狀態。
2、根據權利要求1所述的瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法，其特征在于在步驟一中，試驗采用的溫度分別為4℃、15℃、25℃、40℃或55℃。
3、根據權利要求1所述的瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法，其特征在于在步驟一中，梁試件的底端面相應位置處均布安裝有兩個LVDT位移傳感器，采集到的數組值是兩個LVDT位移傳感器的平均值。
全文摘要
瀝青路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法，它涉及一種路面材料與光纖光柵傳感器協同變形的評價方法。本發明解決了現有的瀝青路面中埋設的光纖光柵傳感器采集的數據無法直接用以評價瀝青路面結構受力狀態的問題。利用四點彎曲梁試件受力簡單的特點，將傳感器植入該梁試件中間三分段內，基于小變形純彈性梁的假設，根據撓度和梁幾何尺寸計算得到理論計算應變，通過計算得到的理論應變修正植入的光纖光柵應變傳感器的采集數據，為現有實際瀝青路面中埋設的光纖光柵傳感器采集數據的處理提供依據，為確定路面結構的真實受力狀態，探究路面破壞機理、完善路面設計理論和力學模型以及為路面結構的預防性養護提供依據。
文檔編號G01B11/16GK101592474SQ200910072388
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者董澤蛟, 田庚亮, 譚憶秋, 程小亮 申請人:哈爾濱工業大學
專業數控銑床產品供應商
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