基于光学的桥梁桩基无损检测装置的制作方法

1.本发明属于桩基损伤检测技术领域，具体涉及基于光学的桥梁桩基无损检测装置。


背景技术：

2.路桥工程是社会经济高速、稳步发展的基础保障所在，因此，高度重视其建设质量是非常必要的。现如今，我国的路桥工程项目不断增多，建设要求也越来越高，这就为工程质量检测技术提出了不小的挑战。
3.在公路桥梁项目中应用检测技术，其检测工作核心目的就是确保公路桥梁整体质量。而大部分施工单位及人员会忽视这些，最终导致公路桥梁工程建设质量不佳，未达到使用年限时就发生公路桥梁坍塌的情况，不仅对各领域稳定发展造成影响，而且还存在着巨大的安全隐患，且现有的桥梁桩基检测准确度不高。


技术实现要素：

4.本发明针对上述缺陷，提供一种基于光学桥梁桩基无损检测装置。
5.本发明提供如下技术方案：基于光学的桥梁桩基无损检测装置，包括含有压重平台和试验块的试验反力装置、嵌入式应变传感装置、连接所述嵌入式应变传感装置与试验返力装置的千斤顶、光信号转换模块、桩基轴向应变传感模块、光开关模块、现场检测端控制模块、远程监测管理控制模块；
6.所述现场检测端控制模块与所述远程监测监测管理控制模块双向通信连接；
7.所述光信号转换模块与嵌入式应变传感装置双向通信；
8.所述光开关模块与桩基轴向应变传感模块双向通信；
9.所述光信号转换模块与所述光开关模块双向通信；
10.所述嵌入式应变传感装置和所述桩基轴向应变传感模块插入桥梁桩基内；
11.所述桩基轴向应变传感模块用于实时采集所述桩基某一深度z处内部左右两侧轴力以及桩基内部摩阻力，并将采集到的数据传递给现场检测端控制模块；
12.所述现场检测端控制模块用于实时计算桩基深度z处轴向平均应变变化量δε所产生的内力，并判断是否达到阈值，若达到阈值则向所述光开关模块发出指令，所述光开关模块向所述光信号转换模块发出指令命令其采集嵌入式应变传感装置所采集的数据；
13.所述嵌入式应变传感装置用于实时监测桥梁桩基的桩身深度z处轴向平均应变变化量δε和温度变化量δt；
14.所述光信号转换模块接收所述嵌入式应变传感装置采集到的桥梁桩基的桩身深度z处轴向平均应变变化量δε和温度变化量δt，并发送给现场检测端控制模块；
15.所述现场检测端控制模块计算桥梁桩基的应变δε和温度变化δt所带来的峰值反射率波长λ
b
和反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
，发送至远程监测管理控制模块；
16.所述远程监测管理控制模块用于接收所述现场检测端控制模块的计算结果，并判
断桥梁桩基是否受损，并远程实时管理监测进度、监测结果。
17.进一步地，所述嵌入式应变传感装置包括锚头、可调深度嵌入螺纹、不锈钢钢筋外壳、位于所述不锈钢钢筋外壳沿桩基纵向主筋左右两侧分别设置平行对应的n个光纤布拉格光栅传感器。
18.进一步地，所述n的数量为桩基全长/20～桩基全长/30。
19.进一步地，所述现场检测端控制模块用于实时计算桩基轴向应变所产生的内力的方法，采用试验反力装置对桩基进行施加压力，采用单桩竖向静荷载方法，所述现场检测端控制模块用于实时计算桩基深度z处轴向平均应变变化量δε所产生的内力，包括以下步骤：
20.a1：计算所述桩基位于深度z处的平均轴应变力
[0021][0022]
所述ε
l
为桩基于深度z处的左侧平均轴应变，ε
r
为桩基于深度z处的右侧平均轴应变；
[0023]
a2：构建所述桩基深度z处的轴力q(z)计算模型：
[0024][0025]
其中，所述b(z)为桩身混凝土的弹性模量，所述s(z)为桩身截面面积；
[0026]
a3：利用所述a2步骤计算得到的桩基深度z处的轴力q(z)，根据桩身竖向荷载传递关系，构建桩基深度z处的桩基摩阻力q
s
(z)计算模型：
[0027][0028]
其中，所述l为桩基长度，不同所述桩基深度z的变化量；
[0029]
a4：利用所述步骤a2计算的桩基深度z处的轴力q(z)和所述a3步骤计算得到的桩基深度z处的桩基摩阻力q
s
(z)计算桩基深度z处的轴向平均应变变化量δε所产生的内力n(z)：
[0030]
n(z)＝q(z)
‑
q
s
(z)。
[0031]
进一步地，所述现场检测端控制模块计算桥梁桩基的应变δε和温度变化δｔ所带来的峰值反射率波长λ
b
和反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
，包括以下步骤：
[0032]
s1：构建峰值反射率波长λ
b
计算模型：
[0033][0034]
所述n
eff
为光纤芯在自由空间中心波长处的有效折射率，所述为所述应变变化量δε所带来的光栅周期；
[0035]
s2：构建反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
计算模型：
[0036][0037]
其中，p
e
是应变光学系数，α
s
和α
f
分别是基底结构材料和光纤本身的热膨胀系数，ξ是热光系数。
[0038]
进一步地，所述光纤布拉格光栅传感器包括1个光源、1个光电探测器和1个光耦合
器。
[0039]
进一步地，所述光源为宽带光源或激光光源。
[0040]
进一步地，所述光电探测器为扫描探测器或宽带探测器。
[0041]
本发明的有益效果为：
[0042]
1、本发明提供的基于光学的桥梁桩基无损检测装置，基于光纤布拉格光栅传感器实时监测桥梁桩基的桩身深度z处轴向平均应变变化量δε和温度变化量δt，以及桩基轴向应变传感模块桩基轴力分布及侧摩阻力分布，然后计算桥梁桩基轴力的内力，并判断是否达到阈值，若达到阈值则向所述光开关模块发出指令，所述光开关模块向所述光信号转换模块发出指令命令其采集嵌入式应变传感装置所采集的数据，嵌入式应变传感装置实时监测桥梁桩基的桩身深度z处轴向平均应变变化量δε和温度变化量δt，然后传递给现场检测端控制模块计算桥梁桩基的应变δε和温度变化δt所带来的峰值反射率波长λ
b
和反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
，发送至远程监测管理控制模块，用于后期管理和实时监管，具有以下优点：
[0043]
(1)通过光纤布拉格光栅传感技术测得的应变分布，可计算出桥梁桩身轴力及侧摩阻力，能反映出桩土作用规律、桩基承载机理及荷载传递特性；
[0044]
(2)光纤布拉格光栅传感技术测得的桥梁桩基轴力及侧摩阻力与应力计测得数据吻合程度高，数据处理简单，大大简化了桥梁桩基内力测试工作，可作为一种桥梁桩基检测新型技术加以推广
[0045]
2、本发明提供的基于光学的桥梁桩基无损检测装置，由于采用了光学检测手段，能够实现局部应变测量和局部损伤检测。
[0046]
3、本发明提供的基于光学的桥梁桩基无损检测装置中，嵌入式应变传感装置中的可调深度嵌入螺纹可以调节该装置为了嵌入桩基所需要的深度，根据不同桩基的制备混凝土标号的不同或材质的不同而进行调节，在不损坏桩基本体的同时，能够提高嵌入式应变传感器与桩基的嵌入融合程度，更准确地对桩基内部轴向应变力和温度变化进行测量。
附图说明
[0047]
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0048]
图1为本发明提供的基于光学的桥梁桩基无损检测装置整体示意图；
[0049]
图2为本发明提供的嵌入式应变传感装置外观结构图；
[0050]
图3为本发明提供的嵌入式应变传感装置内部结构图。
[0051]
具体实施例方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0053]
本发明提供的基于光学的桥梁桩基无损检测装置，包括含有压重平台和试验块的试验反力装置、嵌入式应变传感装置、连接嵌入式应变传感装置与试验返力装置的千斤顶、光信号转换模块、桩基轴向应变传感模块、光开关模块、现场检测端控制模块、远程监测管理控制模块；
[0054]
现场检测端控制模块与远程监测监测管理控制模块双向通信连接；
[0055]
光信号转换模块与嵌入式应变传感装置双向通信；
[0056]
光开关模块与桩基轴向应变传感模块双向通信；
[0057]
光信号转换模块与光开关模块双向通信；
[0058]
嵌入式应变传感装置和桩基轴向应变传感模块插入桥梁桩基内；
[0059]
桩基轴向应变传感模块用于实时采集桩基某一深度z处内部左右两侧轴力以及桩基内部摩阻力，并将采集到的数据传递给现场检测端控制模块；
[0060]
现场检测端控制模块用于实时计算桩基深度z处轴向平均应变变化量δε所产生的内力，并判断是否达到阈值，若达到阈值则向光开关模块发出指令，光开关模块向光信号转换模块发出指令命令其采集嵌入式应变传感装置所采集的数据；
[0061]
嵌入式应变传感装置用于实时监测桥梁桩基的桩身深度z处轴向平均应变变化量δε和温度变化量δt；
[0062]
光信号转换模块接收嵌入式应变传感装置采集到的桥梁桩基的桩身深度z处轴向平均应变变化量δε和温度变化量δt，并发送给现场检测端控制模块；
[0063]
现场检测端控制模块计算桥梁桩基的应变δε和温度变化δt所带来的峰值反射率波长λ
b
和反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
，发送至远程监测管理控制模块；
[0064]
远程监测管理控制模块用于接收现场检测端控制模块的计算结果，并判断桥梁桩基是否受损，并远程实时管理监测进度、监测结果；向参建各方提供真实的原始数据以及啥时候更新检测工作量和结果统计共享，便于管理和核查。
[0065]
如图2
‑
3所示，嵌入式应变传感装置包括锚头1、可调深度嵌入螺纹2、不锈钢钢筋外壳3、位于不锈钢钢筋外壳3沿桩基纵向主筋左右两侧分别设置平行对应的n个光纤布拉格光栅传感器4，n的数量为桩基全长/20～桩基全长/30，n的数量根据实际所要检测的数据的密集程度和检测结果的准确度进行实际选择。
[0066]
采用试验反力装置对桩基进行施加压力，采用单桩竖向静荷载方法，现场检测端控制模块用于实时计算桩基深度z处轴向平均应变变化量δε所产生的内力，包括以下步骤：
[0067]
a1：计算桩基位于深度z处的平均轴应变力
[0068][0069]
ε
l
为桩基于深度z处的左侧平均轴应变，ε
r
为桩基于深度z处的右侧平均轴应变；
[0070]
a2：构建桩基深度z处的轴力q(z)计算模型：
[0071][0072]
其中，b(z)为桩身混凝土的弹性模量，s(z)为桩身截面面积；
[0073]
a3：利用a2步骤计算得到的桩基深度z处的轴力q(z)，根据桩身竖向荷载传递关系，构建桩基深度z处的桩基摩阻力q
s
(z)计算模型：
[0074][0075]
其中，l为桩基长度，不同桩基深度z的变化量；
[0076]
a4：利用步骤a2计算的桩基深度z处的轴力q(z)和a3步骤计算得到的桩基深度z处的桩基摩阻力q
s
(z)计算桩基深度z处的轴向平均应变变化量δε所产生的内力n(z)：
[0077]
n(z)＝q(z)
‑
qs
(
z)。
[0078]
在单桩竖向静荷载试验时，千斤顶施加荷载位置位于桩顶圆心，不存在偏心现象，因此桩身在竖向荷载作用下只产生轴向应变，不发生弯曲应变。
[0079]
其中，现场检测端控制模块计算桥梁桩基的应变δε和温度变化δt所带来的峰值反射率波长λ
b
和反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
，包括以下步骤：
[0080]
s1：构建峰值反射率波长λ
b
计算模型：
[0081]
n
eff
为光纤芯在自由空间中心波长处的有效折射率，为应变变化量δε所带来的光栅周期，输入光的剩余光谱部分穿过fbg传感器，没有任何明显的干扰
[0082]
s2：构建反射光峰值波长变化值(δλ
b
)/λ
b
计算模型：
[0083][0084]
其中，p
e
是应变光学系数，α
s
和α
f
分别是基底结构材料和光纤本身的热膨胀系数，ξ是热光系数。
[0085]
光纤布拉格光栅传感器包括1个光源、1个光电探测器和1个光耦合器。光源为宽带光源或激光光源，光电探测器为扫描探测器或宽带探测器。可以根据精度、分辨率、采集速率、波长能力和光源功率相关的要求，以及可用的预算决定了要选择的设备类型。
[0086]
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
[0087]
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0088]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0089]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0090]
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0091]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0092]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
[0093]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。