一种预制管桩受力智能感知接头及方法，接头：上、下端板固定连接在外圆环板的上、下端；内圆环板同轴心的安装在外圆环板的内部；上、下连接插管分别固定插装于上端板的上安装孔中、下端板的下安装孔中；四个应变/倾角传感器环向均匀的分布在外圆环板的内侧表面上。方法：将预制管桩受力智能感知接头连接在上下分布的两根桩节之间；通过应变/倾角传感器采集应变值和倾斜角度；计算预制管桩受力智能感知接头处的轴力、弯矩和倾斜角度。该感知接头能便于实时监测管桩的受力及姿态信息，能便于指导桩基的施工过程，可保证后续作业的安全系数。该方法步骤简单、监测成本低，能便于实现对应位置处桩身轴力、弯矩、垂直度等受力及姿态信息的动态监测。
1.一种预制管桩受力智能感知接头，包括外圆环板(8)，所述外圆环板(8)的外径与管桩的尺寸相适配，其特征在于，还包括上端板(5‑1)、下端板(5‑2)、内圆环板(7)、上连接插管(3)、下连接插管(4)、应变和倾角传感器一(6‑1)、应变和倾角传感器二(6‑2)、应变和倾角传感器三(6‑3)和应变和倾角传感器四(6‑4)；
所述上端板(5‑1)和下端板(5‑2)均水平的设置，且均为圆形，且外径均与外圆环板(8)的外径相同，上端板(5‑1)的中心开设有与管桩桩孔相适配的上安装孔，并同轴心的固定连接在外圆环板(8)的上端，下端板(5‑2)的中心开设有与管桩桩孔相适配的下安装孔，并同轴心的固定连接在外圆环板(8)的下端；
所述内圆环板(7)同轴心的设置在外圆环板(8)的内部，且其上端与上端板(5‑1)的下端面固定连接，其下端与下端板(5‑2)的上端面固定连接；
所述上连接插管(3)竖直的设置，其外径与上安装孔的孔径相同，其下端固定插装于上安装孔中；所述下连接插管(4)竖直的设置，其外径与下安装孔的孔径相同，其上端固定插装于下安装孔中；
所述应变和倾角传感器一(6‑1)、应变和倾角传感器二(6‑2)、应变和倾角传感器三(6‑
3)和应变和倾角传感器四(6‑4)左右前后环向均匀的分布在外圆环板(8)的内侧表面上，且均与外圆环板(8)的内表面贴合的连接。
2.根据权利要求1所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，还包括蓄电池组(10)和数据采集模块(9)，所述蓄电池组(10)和数据采集模块(9)安装在上端板(5‑1)、下端板(5‑2)和外圆环板(8)之间的空间中，且数据采集模块(9)分别与蓄电池组(10)、应变和倾角传感器一(6‑1)、应变和倾角传感器二(6‑2)、应变和倾角传感器三(6‑3)和应变和倾角传感器四(6‑4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，还包括计算机(2)，所述计算机(2)与数据采集模块(9)连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，所述上连接插管(3)的下端延伸到上端板(5‑1)的下方，且通过环向分布在上连接插管(3)外侧的多个上连接筋板(11)与上端板(5‑1)的下端面固定连接；所述下连接插管(4)的下端延伸到下端板(5‑2)的下方，且通过环向分布在下连接插管(4)外侧的多个下连接筋板(12)与下端板(5‑2)的上端面固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，所述蓄电池组(10)为锂电池组。
6.根据权利要求4所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，所述上连接插管(3)和下连接插管(4)的型号和尺寸相同。
7.根据权利要求4所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，所述上连接筋板(11)和下连接筋板(12)的数量均为四个。
8.一种预制管桩受力智能感知方法，包括如权利要求1至7所述的一种预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将预制管桩受力智能感知接头设置在上下分布的两根桩节(1)之间，并使上连接插管(3)固定插装于上侧桩节(1)的桩孔中，并使上侧桩节(1)的底板与上端板(5‑1)之间贴合的固定连接，使下连接插管(4)固定插装于下侧桩节(1)的桩孔中，并使下侧桩节(1)的顶板与下端板(5‑2)之间贴合的固定连接；
步骤二：数据采集模块(9)通过应变和倾角传感器一(6‑1)采集外圆环板(8)左侧的应变值εx1、通过应变和倾角传感器二(6‑2)实时采集外圆环板(8)右侧的应变值εx2、通过应变和倾角传感器三(6‑3)实时采集外圆环板(8)前侧的应变值εy1、通过应变和倾角传感器四(6‑4)实时采集外圆环板(8)后侧的应变值εy2；通过应变和倾角传感器一(6‑1)或应变和倾角传感器二(6‑2)实时采集外圆环板(8)在x方向的倾斜角度θx；通过应变和倾角传感器三(6‑3)或应变和倾角传感器四(6‑4)实时采集外圆环板(8)在y方向的倾斜角度θy；
步骤三：根据公式(1)计算出预制管桩受力智能感知接头处的轴力N；
式中，εN为预制管桩受力智能感知接头处的实测应变值，取 E为
根据公式(2)计算出预制管桩受力智能感知接头x方向的弯矩Mx；根据公式(3)计算出预制管桩受力智能感知接头y方向的弯矩My；
式中，εMx为预制管桩受力智能感知接头在x向的应变差值，εMx＝εx1‑εx2；εMy为预制管桩受力智能感知接头在y向的应变差值，εMy＝εy1‑εy2；W为预制管桩受力智能感知接头的抗弯截面系数；
根据公式(4)计算出预制管桩受力智能感知接头的倾斜角度θ；
步骤四：根据预制管桩受力智能感知接头处的轴力N、预制管桩受力智能感知接头x方向的弯矩Mx、预制管桩受力智能感知接头y方向的弯矩My和预制管桩受力智能感知接头的倾斜角度θ分析并确定出管桩整体受力及姿态信息；群桩基础中，基于若干基桩的成桩受力和姿态分析，能实现对群桩基础的施工质量和服役性能的综合评价。
一种预制管桩受力智能感知接头及方法
技术领域
[0001] 本发明属于管桩监测技术领域，具体是一种预制管桩受力智能感知接头及方法。
背景技术
[0002] 管桩作为一种应用广泛的地基处理方法及桩基础形式，具有施工工期短，施工方便，便于工业化生产，对施工场地无污染，经济效益可观，适应性强等诸多优点。现阶段，地基所用的管桩通常由钢筋混凝土浇筑而成，在施工过程中由于操作不当或者土层性质差异等的影响，会导致管桩破损或偏斜等施工质量问题，如果管桩受力变化或者姿态偏斜后得不到及时的发现，将增加后续施工作业风险性，影响桩基承载能力的发挥。
[0003] 现有技术中，对管桩的受力及姿态信息缺乏有效的监测，特别是缺乏施工过程中对管桩施工质量的把握和控制，进而无法实时指导施工，保证桩基施工质量和后续的建构筑物的使用安全。
发明内容
[0004] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种预制管桩受力智能感知接头及方法，该感知接头能便于实时监测管桩的受力及姿态信息，能便于指导桩基的施工过程，可保证后续作业的安全性。该方法步骤简单、监测成本低，能便于实现对应位置处桩身轴力、弯矩、垂直度等受力及姿态信息的动态监测。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种预制管桩受力智能感知接头，包括外圆环板、上端板、下端板、内圆环板、上连接插管、下连接插管、应变和倾角传感器一、应变和倾角传感器二、应变和倾角传感器三和应变和倾角传感器四；所述外圆环板的外径与管桩的尺寸相适配；
[0006] 所述上端板和下端板均水平的设置，且均为圆形，且外径均与外圆环板的外径相同，上端板的中心开设有与管桩桩孔相适配的上安装孔，并同轴心的固定连接在外圆环板的上端，下端板的中心开设有与管桩桩孔相适配的下安装孔，并同轴心的固定连接在外圆环板的下端；
[0007] 所述内圆环板同轴心的设置在外圆环板的内部，且其上端与上端板的下端面固定连接，其下端与下端板的上端面固定连接；
[0008] 所述上连接插管竖直的设置，其外径与上安装孔的孔径相同，其下端固定插装于上安装孔中；所述下连接插管竖直的设置，其外径与下安装孔的孔径相同，其上端固定插装于下安装孔中；
[0009] 所述应变和倾角传感器一、应变和倾角传感器二、应变和倾角传感器三和应变和倾角传感器四左右前后环向均匀的分布在外圆环板的内侧表面上，且均与外圆环板的内表面贴合的连接。
[0010] 进一步，为了增加感知接头的智能化程度，并能便于进行供电，还包括蓄电池组和数据采集模块，所述蓄电池组和数据采集模块安装在上端板、下端板和外圆环板之间的空间中，且数据采集模块分别与蓄电池组、应变和倾角传感器一、应变和倾角传感器二、应变和倾角传感器三和应变和倾角传感器四连接。
[0011] 进一步，为了便于实现自动化的测量，还包括计算机，所述计算机与数据采集模块连接。
[0012] 进一步，为了增加连接强度，所述上连接插管的下端延伸到上端板的下方，且通过环向分布在上连接插管外侧的多个上连接筋板与上端板的下端面固定连接；所述下连接插管的下端延伸到下端板的下方，且通过环向分布在下连接插管外侧的多个下连接筋板与下端板的上端面固定连接。
[0013] 作为一种优选，所述蓄电池组为锂电池组。
[0014] 作为一种优选，所述上连接插管和下连接插管的型号和尺寸相同。
[0015] 作为一种优选，所述上连接筋板和下连接筋板的数量均为四个。
[0016] 本发明中，通过外圆环板和内圆环板同轴心的固定连接在上端板和下端板之间，能使该感知接头具有良好的承载强度，同时，能形成承载空间，便于将传感器安装在外圆环板的内侧表面；通过在上端板的中心安装有上连接插管，在下端板的中心安装有下连接插管，能方便的连接相邻的两根桩节，可起到辅助安装和接头补强的作用。该感知接头能便于实时监测管桩的受力及姿态信息，能便于指导桩基的施工过程，可保证后续作业的安全系数。
[0017] 本发明还提供了一种预制管桩受力智能感知方法，包括预制管桩受力智能感知接头，包括以下步骤：
[0018] 步骤一：将预制管桩受力智能感知接头设置在上下分布的两根桩节之间，并使上连接插管固定插装于上侧桩节的桩孔中，并使上侧桩节的底板与上端板之间贴合的固定连接，使下连接插管固定插装于下侧桩节的桩孔中，并使下侧桩节的顶板与下端板之间贴合的固定连接；
[0019] 步骤二：数据采集模块通过应变和倾角传感器一采集外圆环板左侧的应变值εx1、通过应变和倾角传感器二实时采集外圆环板右侧的应变值εx2、通过应变和倾角传感器三实时采集外圆环板前侧的应变值εy1、通过应变和倾角传感器四实时采集外圆环板后侧的应变值εy2；通过应变和倾角传感器一或应变和倾角传感器二实时采集外圆环板在x方向的倾斜角度θx；通过应变和倾角传感器三或应变和倾角传感器四实时采集外圆环板在y方向的倾斜角度θy；
[0020] 步骤三：根据公式(1)计算出预制管桩受力智能感知接头处的轴力N；
[0021] N＝εN·E (1)；
[0022] 式中，εN为预制管桩受力智能感知接头处的实测应变值，取E为预制管桩受力智能感知接头的弹性模量；
[0023] 根据公式(2)计算出预制管桩受力智能感知接头x方向的弯矩Mx；根据公式(3)计算出预制管桩受力智能感知接头y方向的弯矩My；
[0024] Mx＝εMx·E·W (2)；
[0025] My＝εMy·E·W (3)；
[0026] 式中，εMx为预制管桩受力智能感知接头在x向的应变差值，εMx＝εx1‑εx2；εMy为预制管桩受力智能感知接头在y向的应变差值，εMy＝εy1‑εy2；W为预制管桩受力智能感知接头的抗弯截面系数；
[0027] 根据公式(4)计算出预制管桩受力智能感知接头的倾斜角度θ；
[0028]
[0029] 步骤四：根据预制管桩受力智能感知接头处的轴力N、预制管桩受力智能感知接头x方向的弯矩Mx、预制管桩受力智能感知接头y方向的弯矩My和预制管桩受力智能感知接头的倾斜角度θ分析并确定出管桩整体受力及姿态信息；群桩基础中，基于若干基桩的成桩受力和姿态分析，能实现对群桩基础的施工质量和服役性能的综合评价。
[0030] 本方法步骤简单、监测成本低，能便于实现对应位置处桩身轴力、弯矩、垂直度等受力及姿态信息的动态监测，可实时指导预制桩基施工，提高对预制桩施工质量的控制，可保证后续作业的安全系数。
附图说明
[0031] 图1是本发明与桩节的装配示意图；
[0032] 图2是图1中A‑A向的剖视图；
[0033] 图3是本发明应于多根桩节之中的装配示意图；
[0034] 图4是本发明中预制管桩受力智能感知接头倾斜角度的计算示意图。
[0035] 图中：1、桩节，2、计算机，3、上连接插管，4、下连接插管，5‑1、上端板，5‑2、下端板，6‑1、应变和倾角传感器一，6‑2、应变和倾角传感器二，6‑3、应变和倾角传感器三，6‑4、应变和倾角传感器四，7、内圆环板，8、外圆环板，9、数据采集模块，10、蓄电池组，11、上连接筋板，12、下连接筋板。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0037] 如图1至图3所示，一种预制管桩受力智能感知接头，包括外圆环板8、上端板5‑1、下端板5‑2、内圆环板7、上连接插管3、下连接插管4、应变和倾角传感器一6‑1、应变和倾角传感器二6‑2、应变和倾角传感器三6‑3和应变和倾角传感器四6‑4；所述外圆环板8的外径与管桩的尺寸相适配；
[0038] 所述上端板5‑1和下端板5‑2均水平的设置，且均为圆形，且外径均与外圆环板8的外径相同，上端板5‑1的中心开设有与管桩桩孔相适配的上安装孔，并同轴心的固定连接在外圆环板8的上端，下端板5‑2的中心开设有与管桩桩孔相适配的下安装孔，并同轴心的固定连接在外圆环板8的下端；
[0039] 所述内圆环板7同轴心的设置在外圆环板8的内部，且其上端与上端板5‑1的下端面固定连接，其下端与下端板5‑2的上端面固定连接；作为一种优选，内圆环板7的板身上开设有过线孔，以方便线缆的穿过。
[0040] 所述上连接插管3竖直的设置，其外径与上安装孔的孔径相同，其下端固定插装于上安装孔中；所述下连接插管4竖直的设置，其外径与下安装孔的孔径相同，其上端固定插装于下安装孔中；
[0041] 所述应变和倾角传感器一6‑1、应变和倾角传感器二6‑2、应变和倾角传感器三6‑3和应变和倾角传感器四6‑4左右前后环向均匀的分布在外圆环板的内侧表面上，且均与外圆环板的内表面贴合的连接。
[0042] 为了便于实现自动化的测量，还包括计算机2，所述计算机2与数据采集模块9连接。作为一种优选，计算机2设置在地面上。
[0043] 作为一种优选，预制管桩受力智能感知接头的尺寸可根据具体应用的预制管桩的尺寸进行适配，外圆环板8的外径与预制管桩的外径一致，上下连接插管与预制管桩的桩孔内径一致，外圆环板8的高度与传感器类型相适配。其中，紧邻的两节预制桩节，分别与预制管桩受力智能感知接头的上下端板焊接，焊接强度不得低于原预制管桩的节间连接要求。上下连接插管3和4为受力感知接头内插管，起到辅助安装和接头补强的作用。应变和倾角传感器与外圆环板的内侧可以焊接、黏贴或通过连接件连接等。应变和倾角传感器与数据采集模块9之间、数据采集模块9与地面的计算机2之间可以通过屏蔽线缆连接。
[0044] 为了增加感知接头的智能化程度，并能便于进行供电，还包括蓄电池组10和数据采集模块9，所述蓄电池组10和数据采集模块9安装在上端板5‑1、下端板5‑2和外圆环板8之间的空间中，且数据采集模块9分别与蓄电池组10、应变和倾角传感器一6‑1、应变和倾角传感器二6‑2、应变和倾角传感器三6‑3和应变和倾角传感器四6‑4连接。
[0045] 为了增加连接强度，所述上连接插管3的下端延伸到上端板5‑1的下方，且通过环向分布在上连接插管3外侧的多个上连接筋板11与上端板5‑1的下端面固定连接；所述下连接插管4的下端延伸到下端板5‑2的下方，且通过环向分布在下连接插管4外侧的多个下连接筋板12与下端板5‑2的上端面固定连接。
[0046] 作为一种优选，所述蓄电池组10为锂电池组。
[0047] 作为一种优选，所述上连接插管3和下连接插管4的型号和尺寸相同。
[0048] 作为一种优选，所述上连接筋板11和下连接筋板12的数量均为四个。
[0049] 通过外圆环板和内圆环板同轴心的固定连接在上端板和下端板之间，能使该感知接头具有良好的承载强度，同时，能形成承载空间，便于将传感器安装在外圆环板的内侧表面；通过在上端板的中心安装有上连接插管，在下端板的中心安装有下连接插管，能方便的连接相邻的两根桩节，可起到辅助安装和接头补强的作用。该感知接头能便于实时监测管桩的受力及姿态信息，能便于指导桩基的施工过程，可保证后续作业的安全系数。
[0050] 一般工程上，预制桩会分成多节桩节进行工厂预制，在运到到现场后，在沉桩过程中进行接长作业。本感知接头可以作为预制桩的选装配件，当有对预制桩受力进行监测的需要时，可以在施工现场预制桩节间进行安装设置，其使用过程方便，安装过程便捷。本申请可以实现多种预制桩受力及姿态信息的监测，具有广阔的应用前景。
[0051] 本发明还提供了一种预制管桩受力智能感知方法，包括预制管桩受力智能感知接头，其特征在于，包括以下步骤：
[0052] 步骤一：将预制管桩受力智能感知接头设置在上下分布的两根桩节1之间，并使上连接插管3固定插装于上侧桩节1的桩孔中，并使上侧桩节1的底板与上端板5‑1之间贴合的固定连接，使下连接插管4固定插装于下侧桩节1的桩孔中，并使下侧桩节1的顶板与下端板5‑2之间贴合的固定连接；
[0053] 步骤二：数据采集模块9通过应变和倾角传感器一6‑1采集外圆环板8左侧的应变值εx1、通过应变和倾角传感器二6‑2实时采集外圆环板8右侧的应变值εx2、通过应变和倾角传感器三6‑3实时采集外圆环板8前侧的应变值εy1、通过应变和倾角传感器四6‑4实时采集外圆环板8后侧的应变值εy2；通过应变和倾角传感器一6‑1或应变和倾角传感器二6‑2实时采集外圆环板8在x方向的倾斜角度θx；通过应变和倾角传感器三6‑3或应变和倾角传感器四6‑4实时采集外圆环板8在y方向的倾斜角度θy；
[0054] 步骤三：根据公式(1)计算出预制管桩受力智能感知接头处的轴力N；
[0055] N＝εN·E (1)；
[0056] 式中，εN为预制管桩受力智能感知接头处的实测应变值，取E为预制管桩受力智能感知接头的弹性模量，其可以在制作过程中通过标定获得；
[0057] 根据公式(2)计算出预制管桩受力智能感知接头x方向的弯矩Mx；根据公式(3)计算出预制管桩受力智能感知接头y方向的弯矩My；
[0058] Mx＝εMx·E·W (2)；
[0059] My＝εMy·E·W (3)；
[0060] 式中，εMx为预制管桩受力智能感知接头在x向的应变差值，εMx＝εx1‑εx2；εMy为预制管桩受力智能感知接头在y向的应变差值，εMy＝εy1‑εy2；W为预制管桩受力智能感知接头的抗弯截面系数，其可以根据实际截面规格计算获得；
[0061] 根据公式(4)计算出预制管桩受力智能感知接头的倾斜角度θ；
[0062]
[0063] 因为倾角不会很大，即θx与θy均为两个较小的角度，如图4所示，无论桩节朝向任何一个象限，都有 即 此处θ取值范围为(0,90°)。
[0064] 现假设桩节长度为L,朝水平面的第Ⅰ象限倾斜，则有θx∈(0,90°)，tanθx∈(0,+∞)；θy∈(0,90°)，tanθy∈(0,+∞)，
[0065] 此时 α取值在(0°,90°)；
[0066] 现假设桩节朝水平面的第Ⅱ象限倾斜，则有θx∈(90°，180°)，tanθx∈(‑∞,0)；θy∈(0,90°)，tanθy∈(0,+∞)
[0067] 此时 α取值在(90°，180°)；
[0068] 现假设桩节朝水平面的第Ⅲ象限倾斜，则有θx∈(90°，180°)，tanθx∈(‑∞,0)；θy∈(90°，180°)，tanθy∈(‑∞,0)
[0069] 此时 α取值在(180°,270°)；
[0070] 现假设桩节朝水平面的第Ⅳ象限倾斜，则有θx∈(0°,90°)，tanθx∈(0,+∞)；θy∈(90°，180°)，tanθy∈(‑∞,0)
[0071] 此时 α取值在(270°,360°)；
[0072] 综上所述，桩节倾向与规定的+x方向夹角为α，且 区别在于：
[0073] 若θx∈(0,90°)，θy∈(0,90°)，则α取值在(0°,90°)；
[0074] 若θx∈(90°，180°)，θy∈(0,90°)，则α取值在(90°，180°)；
[0075] 若θx∈(90°，180°)，θy∈(90°，180°)，则α取值在(180°,270°)；
[0076] 若θx∈(0°,90°)，θy∈(90°，180°)，则α取值在(180°,270°)；
[0077] 步骤四：根据预制管桩受力智能感知接头处的轴力N、预制管桩受力智能感知接头x方向的弯矩Mx、预制管桩受力智能感知接头y方向的弯矩My和预制管桩受力智能感知接头的倾斜角度θ分析并确定出管桩受力及姿态信息。群桩基础中，基于若干基桩的成桩受力和姿态分析，能实现对群桩基础的施工质量和服役性能的综合评价。
[0078] 本方法步骤简单、监测成本低，能便于实现对应位置处桩身轴力、弯矩、垂直度等受力及姿态信息的动态监测，可实时指导预制桩基施工，提高对预制桩施工质量的控制，可保证后续作业的安全系数。
