专利名称：一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种桥墩冲刷监测装置，具体来说，涉及一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置。该监测装置是一种适用于洪水多发地区的具备长期实时监测、全过程冲刷回填记录以及较好耐久性能的新型桥墩冲刷监测装置。
背景技术：
桥梁基础结构的冲刷病害是当今桥梁结构功能失效、丧失其安全性能的最主要原因之一。以美国为例，从1966年至2005年，全美倒塌桥梁中(1502座)58%的破坏桥梁与桥梁基础结构的冲刷病害相关，美国交通部已将桥梁基础冲刷看作是高速公路桥梁结构功能及安全性能失效的最常见原因之一。据美国交通安全委员会统计，每年用于修复及弥补遭受基础冲刷病害桥梁的费用平均高达三千万美元。我国近期也频频出现因桥梁基础冲刷导致结构倒塌现象。例如，2010年四川省华阳市通济桥因洪水将桥墩基底掏空直接导致一个桥墩和相邻桥拱发生垮塌；2009年黑龙江省铁力市西大桥因3号墩基底局部被水冲刷脱空而发生桥体垮塌事故。事实上，中国内陆江河湖泊丰富而同时海岸线辽阔，存在大量跨江跨河桥梁以及海湾桥梁，在洪水或飓风期间均可能受到频繁的洪水作用而导致严重的基础冲刷病害，由于冲刷发生于水面以下，桥梁基础被冲刷破坏通常没有任何征兆，严重危及桥梁结构的安全性能以及交通公路网络的顺利运营。显然，对桥梁基础冲刷深度进行准确实地监测是避免桥梁基础冲刷灾难发生的重要途径。事实上，目前已开发出多种桥墩冲刷监测装置(例如基于雷达、声纳技术)，但均难以实现有效的长期实时监测，监控时期容易受到恶劣天气影响且监测装置本身耐久性不高，更无法观测到冲刷包括冲刷后河床回填的整个全过程，且容易被河流中杂物干扰，结果不稳定，另外在洪水期间也无法实施监测，故多用于临时性的冲刷监测使用，无法采集到长期监测数据对桥墩冲刷深度进行跟踪以及合理预判。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，该监测装置可以长期实时监测冲刷回填全过程，并且监测数据准确。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，该监测装置包括至少两个监测单元、光纤、传感器数据收集器，所述的每个监测单元包括中空套筒、底板、钢板、布拉格光栅传感器，中空套筒固定连接在底板的顶面，且中空套筒相对的两侧壁面设有相对的通槽，钢板位于中空套筒中，且钢板的底端固定连接在底板的顶面，布拉格光栅传感器通过树脂层粘结在钢板的表面，且树脂层覆盖在布拉格光栅传感器的外表面，布拉格光栅传感器朝向中空套筒的通槽；监测单元沿中空套筒的轴向布置，且相邻的监测单元之间通过底板连接；布拉格光栅传感器通过一根光纤串接，并连接到传感器数据收集器。进一步，所述的每个监测单元还包括一对护板，护板的底端固定连接在钢板上，树脂层位于该对护板之间，且护板的高度大于树脂层的高度。进一步，所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，还包括钢筋条，该钢筋条固定连接在中空套筒通槽的两侧。进一步，所述的每个监测单元包括至少两个布拉格光栅传感器，且相邻布拉格光栅传感器之间的距离为10 — 35厘米。有益效果与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果(I)可以长期实时监测冲刷回填全过程，并且监测数据准确。本发明的监测装置，通过不断露出河床的布拉格光栅传感器的位置，来实时监测桥墩冲刷深度的目的。这样可实现长期监测冲刷，包括河床回填的整个全过程。同时，本发明的监测装置利用单根光纤线将所有布拉格光栅传感器串联连接，利用布拉格光栅传感器来获取和传递信息，可以提高数据的准确性和稳定性。(2)使用寿命长，监测周期长，且监测不受外部环境影响。本发明的监测装置包括护板，护板固定连接在钢板上，树脂层位于该对护板之间，且护板的高度大于树脂层的高度。设置护板，可以避免水中的杂物对树脂层的破坏，进而保护布拉格光栅传感器和光纤，确保监测的正常进行。另外，使用树脂层粘结剂包裹光纤和布拉格光栅传感器，以保护其不被损坏。同时，在中空套筒的通槽上设置数根钢筋条，可直接防止大的杂物、石块、流冰等进入中空套筒内部，影响钢板弯曲变形以致布拉格光栅传感器读数错误。这样就保证了本发明的监测装置在极端天气状态下(如洪水期间)监测不受影响。通过本监测装置获取的大量长期监测数据，可以被用来进行桥墩冲刷深度发展趋势预测。监测装置采用布拉格光栅传感器以及光纤为主要监测设备，材料本身不存在耐久性问题，具有使用寿命长，监测周期长的优点，并且具备长距离、多点串联、防电磁干扰的技术优势。(3)装置结构巧妙。本发明可采用分段制备，现场连接的安装形式。根据实际需要，连接多个监测单元，相邻的监测单元之间通过底板连接，并且共用一根光纤。每个监测单元中有完整的监测子系统，即独立的固定在底板上的钢板，然后通过光纤接长技术，将多个中空套筒连接，即将多个监测子系统连接成完整的监测系统，最后形成整体。在现场也可分节段将中空套筒打入河床以下，中空套筒打入与光纤连接技术同时进行，大大降低打入过程中，对监测装置的损坏概率。
图1是本发明的俯视图。图2是图1中的A-A剖视图。图3是本发明的左视图。图4是本发明中监测单元的局部放大图。图5是本发明的工作形态示意图，其中，虚线表示受水流作用弯曲变形的钢板。图6是本发明在监测过程中的初始位置示意图。图7是本发明在监测过程中经历一段冲刷时间后的位置示意图。图中有中空套筒1、钢板2、护板3、布拉格光栅传感器4、光纤5、底板6、树脂层7、河床8、传感器数据收集器9。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。如图1至图4所示，本发明的一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，包括至少两个监测单元、光纤5和传感器数据收集器9。每个监测单元包括中空套筒1、底板6、钢板2、布拉格光栅传感器4。钢板2的厚度以所测量流域水流速度以及水深决定，以保证一定水流作用下钢板2产生明显弯曲变形。中空套筒I固定连接在底板6的顶面，且中空套筒I相对的两侧壁面设有相对的通槽。该中空套筒I相对的两侧开通槽，可以保证水流顺利通过该中空套筒I。钢板2位于中空套筒I中，且钢板2的底端固定连接在底板6的顶面。布拉格光栅传感器4通过树脂层7粘结在钢板2的表面，且树脂层7覆盖在布拉格光栅传感器4的外表面。布拉格光栅传感器4朝向中空套筒I的通槽。监测单兀沿中空套筒I的轴向布置。即监测单元从上向下依次排布。相邻的监测单元之间通过底板6连接。也就是说，位于下方的监测单元的顶端固定连接在位于上方的监测单元的底板6上。布拉格光栅传感器4通过一根光纤5串接，并连接到传感器数据收集器9。光纤5位于树脂层7内。进一步，所述的每个监测单元还包括一对护板3，护板3的底端固定连接在钢板2上，树脂层7位于该对护板3之间，且护板3的高度大于树脂层7的高度。设置护板3，可以避免水中的杂物对树脂层7的破坏，进而保护布拉格光栅传感器4和光纤5，确保监测的正常进行。进一步，所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，还包括钢筋条，钢筋条固定连接在中空套筒I通槽的两侧。该钢筋条至少为两条，且横向水平均匀设置。设置钢筋条，一方面可以防止大的杂物、石块、流冰等进入中空套筒I内，影响钢板2弯曲变形，以致布拉格光栅传感器4读数错误，另一方面可以用来保护布拉格光栅传感器4和光纤5不被水流杂物损坏。进一步，所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，还包括还包括橡胶护套，该橡胶护套套装在光纤5的外表面。设置橡胶护套可以保护光纤5，防止光纤5损坏。进一步，所述的每个监测单元包括至少两个布拉格光栅传感器4，且相邻布拉格光栅传感器4之间的距离为10 — 35厘米，例如可以是10厘米、14厘米、20厘米、28厘米，或者35厘米。每个监测单元中设置多个布拉格光栅传感器4，可以提高测量的准确性。上述悬臂式桥墩冲刷监测装置中利用光纤5将布拉格光栅传感器4串联，并使用树脂层7将其粘结至钢板2上。钢板2以悬臂梁形式固定连接在底板6上。钢板2上设置护板3，以及中空套筒I中设置钢筋条，用于保护布拉格光栅传感器4以及光纤5不被水流杂物损坏。上述悬臂式桥墩冲刷监测装置的工作原理是随桥墩冲刷深度不断发展，埋入河床8的钢板2会在水流作用下发生相应弯曲变形，如图5中虚线绘制的钢板2，粘结在钢板2上的布拉格光栅传感器4会不断露出河床8表面，而被水流力或水流冲击力激励产生读数。举例来说，如图6和图7所示，图6是本发明在监测过程中的初始位置示意图，图7是本发明在监测过程中经历一段冲刷时间后的位置示意图。从图6和图7可以看出随着水流冲刷，原来埋在河床8内的布拉格光栅传感器4,渐渐露出河床8表面。本发明以一种外部激励的形式作用于布拉格光栅传感器4，使其产生响应(光波波长发生变化)，最后利用传感器数据收集器9读取布拉格光栅传感器的数据。通过确定有读数的布拉格光栅传感器4的位置，以及多个布拉格光栅传感器4之间读数大小关系，准确判断监测位置的桥墩的冲刷深度。上述悬臂式桥墩冲刷监测装置的安装过程是首先，制备监测单元将连接有光纤5的布拉格光栅传感器4通过树脂层7粘结在钢板2的表面，将护板3连接在钢板2上，并且护板3位于树脂层7的两侧，再将钢板2和中空套筒I依次固定连接在底板6上；然后，在实施现场，按需要长度，将多个监测单元通过底板6连接成一整体，并将光纤5连接至传感器数据收集器9上，该传感器数据收集器9可采用无线传输技术；最后，将呈整体式的监测单元打入需要监测冲刷位置的桥墩附近的河床8中。
权利要求
1.一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，该监测装置包括至少两个监测单元、光纤(5)、传感器数据收集器(7)，所述的每个监测单元包括中空套筒(I)、底板(6)、钢板(2)、布拉格光栅传感器(4)，中空套筒(I)固定连接在底板(6)的顶面，且中空套筒(I)相对的两侧壁面设有相对的通槽，钢板(2)位于中空套筒(I)中，且钢板(2 )的底端固定连接在底板(6 )的顶面，布拉格光栅传感器(4 )通过树脂层(7 )粘结在钢板(2)的表面，且树脂层(7)覆盖在布拉格光栅传感器(4)的外表面，布拉格光栅传感器(4)朝向中空套筒(I)的通槽； 监测单元沿中空套筒(I)的轴向布置，且相邻的监测单元之间通过底板(6)连接；布拉格光栅传感器(4 )通过一根光纤(5 )串接，并连接到传感器数据收集器(7 )。
2.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，所述的每个监测单元还包括一对护板(3)，护板(3)的底端固定连接在钢板(2)上，树脂层(7 )位于该对护板(3 )之间，且护板(3 )的高度大于树脂层(7 )的高度。
3.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，还包括钢筋条，该钢筋条固定连接在中空套筒(I)通槽的两侧。
4.根据权利要求3所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，所述的钢筋条至少为两条，且横向水平均匀设置。
5.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，还包括橡胶护套，该橡胶护套套装在光纤(5)的外表面。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，所述的每个监测单元包括至少两个布拉格光栅传感器(4)，且相邻布拉格光栅传感器(4)之间的距离为10 — 35厘米。
全文摘要
本发明公开了一种基于布拉格光栅传感器的悬臂式桥墩冲刷监测装置，包括至少两个监测单元、光纤、传感器数据收集器，所述的每个监测单元包括中空套筒、底板、钢板、布拉格光栅传感器，中空套筒固定连接在底板的顶面，且中空套筒相对的两侧壁面设有相对的通槽，钢板位于中空套筒中，且钢板的底端固定连接在底板的顶面，布拉格光栅传感器通过树脂层粘结在钢板的表面，且树脂层覆盖在布拉格光栅传感器的外表面，布拉格光栅传感器朝向中空套筒的通槽；监测单元沿中空套筒的轴向布置，且相邻的监测单元之间通过底板连接；布拉格光栅传感器通过一根光纤串接，并连接到传感器数据收集器。该监测装置可长期实时监测冲刷回填全过程，且监测数据准确。
文档编号G01B11/22GK103017674SQ20121056623
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者熊文, 叶见曙 申请人:东南大学