一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法与流程

本发明涉及测量技术施工领域，具体涉及一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法。

背景技术：

冲刷是造成桥梁破坏的主要原因之一。冲刷能够降低桥梁桩基的承载能力，直接关系到桥梁的安危。桥梁破损存在高隐蔽性，严重威胁着使用者的安全和桥梁结构安全，并且一旦遭受破坏修复起来成本巨大。因此桥梁冲刷程度的实时监测是保证桥梁安全的手段之一。

由于桥梁所处水域水文情况复杂，潮汐、风雨等作用都会影响着海域水流情况。确保监测装置等精密仪器安全安装成为了棘手的问题。

目前传统的监测设备的安装方法防护效果不理想，安装工艺不佳，容易受到施工环境的制约，极易出现监测设备由于防护措施的不到位及安装工艺的缺陷，导致监测设备的测量精度下降。

本安装工艺与现有的其他监测设备安装工艺方法相比，能够较好地适用于施工中的桥墩桩基表面冲刷监测装置的安装，操作简单，安装方便，安全性高等特点。适合于在水文情况较为复杂的海域进行安装，且安装时不受施工天气条件的影响，安装效率高，不会对桥梁的建设造成影响。防护效果好，能够保护监测装置不受破坏。

技术实现要素：

针对现有的技术的不足，本发明专利的目的是提供一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，能够解决监测设备在施工中桥梁桩基顶部的安装和水况恶劣海域防护及安装下放困难的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将钢槽沿桥梁桩基轴线方向焊接于桥梁桩基的表面；

2)将导线通过出线口自搭载装置内部接出，并于出线口处合股，并在合股后的导线外部设置防水软管套。

3)将滑块通过连接杆与搭载装置相对固定，使导线沿连接杆设置并用pvc防水胶带进行绑扎，最后与滑块之间固定，保证搭载装置下滑时，滑块能够牵引导线在钢槽中移动；

4)将搭载装置与桥梁桩基上方的工作平台的数据处理系统通过导线连接，将搭载装置配合设置桥梁桩基上，同时使得滑块配合设置在钢槽中，最后将搭载装置沿桥梁桩基自由下滑至海床持力层上，导线在滑块的作用下沿着钢槽一并下滑；

5)控制搭载装置下滑的速度，避免搭载装置破坏。

所述的一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，所述搭载装置包括搭载圆环、设置在搭载圆环上的一组脚轮及设置在搭载圆环表面的一组传感器，所述搭载装置上间距50～60cm布置一个传感器，所述搭载圆环截面采用c型结构，截面壁厚1.5～3cm，且传感器设置在c型结构内壁上，所述脚轮设置在c型结构开口位置的上下两端，所述搭载装置表面涂抹防水涂料层。

所述的一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，所述钢槽采用不锈钢材料，截面采用c型结构，并在其表面涂抹防水涂料层。

所述的一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，所述步骤1)中预先在钢槽的槽口处沿其轴向设置一组耐腐蚀橡胶条，且耐腐蚀橡胶条一端与钢槽内壁固定，另一端自由设置。

所述的一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，所述步骤3)中导线需要保证有足够的余长，使导线最终能够在钢槽中处于自然竖直的线性状态，保证导线的良好数据传输状态。

所述的一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：首先在搭载装置上焊接设置导向钢筋，并在导向钢筋上设置遥控锁扣装置，在导向钢筋上固定安装绳索，并将绳索绕过浮力环与遥控锁扣装置固定，从而将浮力环固定在搭载装置上，当搭载装置进入淤泥层时，通过无线遥控器打开绳索，使浮力环依靠浮力上升至海面。

所述的一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统安装方法，其特征在于，所述步骤5)中为了保证搭载装置能够顺利下降，避免被桥梁桩基绕流阻力破坏，须保证搭载装置侧面的厚度满足要求，假设搭载装置高度为h，内直径为d，按下列计算公式：

fn＝fd/2

可以推算出环式搭载装置侧面所需要的厚度为：

其中：fd为桩柱绕流阻力(kn)；

cd为绕流阻力系数；

ρ为水流密度(kg/m³)；

sa为环式搭载装置在垂直于流体运动方向平面上的投影面积(m²)；

为水流平均流动速度(m/s)；

fn为两侧截面上的拉力(kn)；

a为环式搭载装置径向截面面积(m²)；

σ为径向截面压力(mpa)；

[σ]为许用正应力(mpa)；

δ为环式搭载装置壁厚(mm)；

同时为了保证搭载装置能够顺利下降，避免搭载装置被海床持力层破坏，还须保证搭载装置厚度能够满足以下要求，假设搭载装置下降总高度为h，淤泥层厚度为z，浮力环组下降的高度为h1，按动能定理和冲量公式计算出速度及冲击力：

i＝ft＝mv

f＝mv/t

式中，m：环式搭载装置质量(kg)；

f1：浮力环组的浮力(kn)；

f2：环式搭载装置的浮力(kn)；

v：环式搭载装置末速度(m/s)；

h：环式搭载装置下降高度(m)；

z：淤泥层的厚度(m)；

f1：环式搭载装置在桩柱表面的摩擦力(kn)；

f2：环式搭载装置在淤泥层中的阻力(kn)；

f：冲击力(kn)；

t：冲击力持续时间(s)；

θ：斜桩与竖直面的夹角；

当搭载装置下滑至海床持力层上，首先与海床持力层接触的部分受到冲击力为f，简化搭载装置受力情况，将搭载装置简化为杆件，假定其与海床持力层接触的部位受到大小为f的冲击力，搭载装置上的脚轮为固定支座，根据脚轮的个数对其进行一次超静定结构力学分析；

fa+fb+fc+f＝0

2fal+fbl+3fl＝0

w1a+w2a＝0

w1a＝fl³/3ei

w2a＝fal³/3ei

fa＝-f，fb＝-f，fc＝f

mmax＝fl

i＝(b2h2³-(b2-2t)(h2-2t)³-tc³)/12

从上式中求解得到厚度t，并满足许用正应力和切应力的要求；式中：w1a为f单独作用在a点产生的挠度；

w2a为fa单独作用在a点产生的挠度；

mmmax为弯矩最大值(kn·m)；

i为截面惯性矩；

[τ]为许用切应力(mpa)；

[σ]为许用正应力(mpa)；

s^*为截面对中性轴的静矩；

fa为a支座的支座反力(kn)；

fb为b支座的支座反力(kn)；

fc为c支座的支座反力(kn)；

t为搭载装置厚度(mm)；

h为搭载装置高度(m)；

b为搭载装置宽度(m)；

c为搭载装置横截面开口的高度(m)；

l为支座之间的距离(m)；

为保证搭载装置同时不被绕桩阻力和海床持力层冲击力破坏，取δ与t之间两者的最大值。

本发明的有益效果是：能够将监测系统安全准确地安装在施工中的桥梁桩基上，具有操作简单，安装方便等特点；适合于在水文情况较为复杂的海域进行安装，且安装时不受施工天气条件的影响，安装效率高，不会对桥梁的建设及运营造成影响。防护效果好，能够保护监测装置不受破坏，保证监测装置的测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的搭载装置结构示意图；

图3为本发明的a-a面剖面结构示意图；

图4为本发明的b-b面剖面结构示意图；

图5是本发明的搭载装置走线图；

图6是本发明软管套安装结构示意图；

图7是本发明耐腐蚀橡胶条整体安装图；

图8是本发明耐腐蚀橡胶条安装俯视图；

图9是本发明浮力环安装结构示意图；

图10是本发明搭载装置受桩柱绕流阻力的受力图；

图11是本发明搭载装置受冲击力的受力图；

图12是本发明搭载装置去掉a支座的受力图；

图13是本发明搭载装置受冲击力变形的受力图；

图14是本发明搭载装置受a支座反力变形的受力图；

图中：1-桥梁桩基，2-钢槽，3-搭载圆环、4-耐腐蚀橡胶条，5-导线、6-脚轮，7-传感器，8-搭载装置，9-滑块，10-软管套，11-连接杆，12-pvc防水胶带，13-浮力环，14-导向钢筋，15-遥控锁扣装置，16-绳索。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

如图1-14所示，一种附着潜入式桥梁桩基冲刷监测系统，包括桥梁桩基1、钢槽2、搭载圆环3、耐腐蚀橡胶条4、导线5、脚轮6、传感器7、搭载装置8、滑块9、软管套10、连接杆11、pvc防水胶带12、浮力环13、导向钢筋14、遥控锁扣装置15及绳索16。

桥梁桩基1的外壁表面沿对称设置一对钢槽2，搭载装置1包括搭载圆环3及设置在搭载圆环3上的一组脚轮6，搭载装置8与桥梁桩基1通过脚轮6滚动配合，传感器7设置在搭载圆环3表面及桥梁桩基1上，数据处理系统固定于桥梁桩基1的顶部，并通过导线5与传感器7相连接，从而接收传感器7中的数据，导线5外设置有用于防水的软套管10。

传感器7，包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅渗压传感器、流速传感器及光纤光栅加速度传感器；所述光纤光栅渗压传感器，安装于搭载装置表面和桥梁桩基顶部，可以实时监测水位涨落引起的水压力变化；所述光纤光栅压力传感器，安装于搭载装置表面，负责实时监测外界水压力和土压力的变化；所述光纤光栅温度传感器，安装于搭载装置表面和桥梁桩基顶部，用于对光纤光栅传感器做出温度补偿；所述流速传感器，安装于桥梁桩基顶部，用于监测监测点流速变化；所述光纤光栅加速度传感器，安装于桥梁桩基顶部，用于监测桩的振动响应。

钢槽2采用不锈钢材料，截面采用c型结构，并在其表面涂抹防水涂料层。

搭载装置8包括搭载圆环3、设置在搭载圆环3上的一组脚轮6及设置在搭载圆环3表面的一组传感器7，搭载装置8上间距50～60cm布置一个传感器7，搭载圆环3截面采用c型结构，截面壁厚1.5～3cm，且传感器7设置在c型结构内壁上，脚轮6设置在c型结构开口位置的上下两端，搭载装置8表面涂抹防水涂料层。

环式桥梁桩基冲刷监测系统的安装方法，包括如下步骤：

1)将钢槽2沿桥梁桩基1轴线方向焊接于桥梁桩基1的表面；

2)将导线5通过出线口自搭载装置8内部接出，并于出线口处合股，并在合股后的导线5外部设置防水软管套10；

3)将滑块9通过连接杆11与搭载装置8相对固定，使导线5沿连接杆11设置并用pvc防水胶带进行绑扎，最后与滑块9之间固定，保证搭载装置8下滑时，滑块9能够牵引导线在钢槽2中移动；

4)将搭载装置8与桥梁桩基1上方的工作平台的数据处理系统通过导线5连接，将搭载装置8配合设置桥梁桩基1上，同时使得滑块9配合设置在钢槽2中，最后将搭载装置8沿桥梁桩基1自由下滑至海床持力层上，导线5在滑块9的作用下沿着钢槽2一并下滑；

5)控制搭载装置8下滑的速度，避免搭载装置8破坏。

步骤1)中预先在钢槽2的槽口处沿其轴向设置一组耐腐蚀橡胶条，且耐腐蚀橡胶条一端与钢槽2内壁固定，另一端自由设置；；下滑过程中，连接杆11使钢槽2槽口处的一端固定，一端自由的耐腐蚀橡胶4条处于变形打开的状态，下滑之后，橡胶条恢复形变，限制了导线的位移，对导线起保护作用。

步骤3)中导线5需要保证有足够的余长，使导线5最终能够在钢槽2中处于自然竖直的线性状态，保证导线的良好数据传输状态。

步骤5)具体为：首先在搭载装置8上焊接设置导向钢筋14，并在导向钢筋14上设置遥控锁扣装置15，在导向钢筋14上固定安装绳索16，并将绳索16绕过浮力环13与遥控锁扣装置15固定，从而将浮力环13固定在搭载装置8上，当搭载装置8进入淤泥层时，通过无线遥控器打开绳索16，使浮力环13依靠浮力上升至海面。

步骤5)中为了保证搭载装置8能够顺利下降，避免被桥梁桩基1绕流阻力破坏，须保证搭载装置8侧面的厚度满足要求，假设搭载装置8高度为h，内直径为d，如图10所示，按下列计算公式：

fn＝fd/2

可以推算出环式搭载装置侧面所需要的厚度为：

其中：fd为桩柱绕流阻力(kn)；

cd为绕流阻力系数；

ρ为水流密度(kg/m³)；

sa为环式搭载装置在垂直于流体运动方向平面上的投影面积(m²)；

为水流平均流动速度(m/s)；

fn为两侧截面上的拉力(kn)；

a为环式搭载装置径向截面面积(m²)；

σ为径向截面压力(mpa)；

[σ]为许用正应力(mpa)；

δ为环式搭载装置壁厚(mm)；

同时为了保证搭载装置8能够顺利下降，避免搭载装置8被海床持力层破坏，还须保证搭载装置8厚度能够满足以下要求，假设搭载装置下降总高度为h，淤泥层厚度为z，浮力环组下降的高度为h1，按动能定理和冲量公式计算出速度及冲击力：

i＝ft＝mv

f＝mv/t

式中，m：环式搭载装置质量(kg)；

f1：浮力环组的浮力(kn)；

f2：环式搭载装置的浮力(kn)；

v：环式搭载装置末速度(m/s)；

h：环式搭载装置下降高度(m)；

z：淤泥层的厚度(m)；

f1：环式搭载装置在桩柱表面的摩擦力(kn)；

f2：环式搭载装置在淤泥层中的阻力(kn)；

f：冲击力(kn)；

t：冲击力持续时间(s)；

θ：斜桩与竖直面的夹角；

当搭载装置8下滑至海床持力层上，首先与海床持力层接触的部分受到冲击力为f，简化搭载装置8受力情况，将搭载装置简化为杆件，假定其与海床持力层接触的部位受到大小为f的冲击力，搭载装置8上的脚轮6为固定支座，根据脚轮6的个数(与支座个数对应)对其进行一次超静定结构力学分析，如图11-14所示；

fa+fb+fc+f＝0

2fal+fbl+3fl＝0

w1a+w2a＝0

w1a＝fl³/3ei

w2a＝fal³/3ei

fa＝-f，fb＝-f，fc＝f

mmax＝fl

i＝(b2h2³-(b2-2t)(h2-2t)³-tc³)/12

从上式中求解得到厚度t，并满足许用正应力和切应力的要求；

式中：w1a为f单独作用在a点产生的挠度；

w2a为fa单独作用在a点产生的挠度；

mmax为弯矩最大值(kn·m)；

i为截面惯性矩；

[τ]为许用切应力(mpa)；

[σ]为许用正应力(mpa)；

s^*为截面对中性轴的静矩；

fa为a支座的支座反力(kn)；

fb为b支座的支座反力(kn)；

fc为c支座的支座反力(kn)；

t为搭载装置厚度(mm)；

h为搭载装置高度(m)；

b为搭载装置宽度(m)；

c为搭载装置横截面开口的高度(m)；

l为支座(脚轮)之间的距离(m)；

为保证搭载装置8同时不被绕桩阻力和海床持力层冲击力破坏，取δ与t之间两者的最大值。