一种寒区水域静冰压力测量装置及安装方法与流程

1.本发明涉及水利工程监测技术领域，具体涉及一种寒区水域静冰压力测量装置及安装方法。


背景技术：

2.在冬季，寒冷地区的河流、水库、湖泊、海洋等水域水面会结冰，并形成较厚冰层，此时水域内部和周边的桥梁、水塔、坝体、水闸、边坡等结构物和冰层固结在一起。在气温、风、水位变化等因素影响下，冰层会发生较大变形，进而对与其接触的结构物产生巨大的静冰压力，造成结构物发生较大位移或产生损伤甚至破坏，使其无法正常使用，危及结构物安全。寒区水域结构物的抗冰设计所采用的静冰压力是否准确决定着结构的安全性、经济性以及正常运营，因此，开展寒区水域结构物所受静冰压力研究是非常必要的。
3.为获得准确的静冰压力，需要对现场结构物所受静冰压力进行长期监测，目前现场采用的静冰压力测量装置存在以下问题：(1)只能测量冰层整个厚度范围的总压力或某一局部压力，不能测量冰层压力随厚度的分布情况；(2)采用振弦式土压力计作为传感器时，误差较大，不能准确测量冰层长期静冰压力的变化；(3)监测设备安装固定到结构物上，需要在水中操作，安装工作复杂，难度大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种寒区水域静冰压力测量装置及安装方法，其沿纵向设置了多个压力传感器，能够测量结构物所受静冰压力沿冰层厚度方向的分布情况，并可以对冰层形成的全过程进行测量。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种寒区水域静冰压力测量装置，包括固定在结构物上的支架，所述支架上安装有吊索，所述吊索下方悬挂有压力测量装置，该压力测量装置通过信号采集仪与信号读取设备相连。
6.进一步的，所述压力测量装置包括座板、压力传感器、承压板；所述座板纵向设有多组呈圆周分布且带有螺纹的座板螺栓孔，每个压力传感器上设有无螺纹的传感器通孔和有螺纹的传感器螺栓孔，呈圆周分布的传感器螺栓孔位于呈圆周分布的传感器通孔内，座板螺栓穿过所述传感器通孔将压力传感器固定于座板表面上；每个承压板上设有呈圆周分布的不带螺纹的承压板通孔，承压板螺栓穿过所述承压板通孔将承压板固定于压力传感器上，所述压力传感器与信号采集仪相连；在座板与承压板之间填充有密封胶将压力传感器密封，与外界大气隔绝。
7.进一步的，所述座板顶部焊接有吊耳，所述吊耳上设有用于连接吊索的圆孔。
8.进一步的，所述座板的纵向长度大于冰层的厚度；宽度大于压力传感器直径，且满足密封胶能够可靠地将压力传感器包裹密封需要。
9.进一步的，所述座板沿纵向方向等间距布置多个相同的压力传感器，每个压力传感器上固定一个尺寸相同的承压板。压力传感器的数量根据测量需要确定，数量愈多，传感
器尺寸越小，所测得的冰层压力沿厚度方向的分布越准确。
10.更进一步的，相邻两个承压板之间留有缝隙，所述缝隙中填充密封胶。
11.更进一步的，所述支架包括底板、耳板和锚栓；所述底板四周设有锚栓孔，锚栓通过所述锚栓孔将底板固定在结构物上，所述底板侧面垂直焊接有耳板，在耳板上开有一圆孔。
12.作为更进一步的，所述吊索包括缆绳和弹簧，所述缆绳上端固定于支架上，缆绳下端与所述弹簧上端连接，弹簧下端连接在吊耳上；所述弹簧的最大允许伸长值大于水位降低造成的冰层下降高度。
13.作为更进一步的，所述信号采集仪为多通道采集仪，通道数量不小于压力传感器数量，多通道采集仪所采集的信号发送至信号读取设备进行存储，并利用所述信号读取设备得到压力传感器测量的压力值。
14.本发明还提供一种寒区水域静冰压力测量装置的安装方法，包括：支架提前固定在结构物上；在水面结冰前，利用吊索将压力测量装置悬挂在结构物的侧面，使最上面的承压板的上缘略高于水面；在压力测量装置的自重作用下，座板贴合在结构物表面；水面结冰后，承压板与冰层接触，直接承受冰层施加的压力。
15.本发明的有益效果：(1)压力测量装置沿纵向设置了多个压力传感器，能够测量结构物所受静冰压力沿冰层厚度方向的分布情况，并可以对冰层形成的全过程进行测量；(2)压力测量装置厚度较小，能够减小冰的蠕变效应造成的测量误差，提高测量精度；(3)压力测量装置利用弹性模量很小的密封胶充满装置内部空隙，既能避免装置进水结冰影响测量精度，又可以防水保护压力传感器；(4)吊索的弹簧具有良好的变形能力，满足压力测量装置可以随冰层升降的需要；(5)压力测量装置在结冰前安装，在冰层融化后拆除，可重复利用；(6)压力测量装置安装在结构物侧面与冰层之间，依靠支架和吊索悬挂于结构物上，不需要水下安装，降低安装和拆除难度。(7)安装方法步骤简单，易于现场实施。
附图说明
16.图1为一种寒区水域静冰压力测量装置及安装方法示意图；
17.图2为压力测量装置的示意图；
18.图3为压力测量装置的底板示意图；
19.图4为压力传感器三维示意图；
20.图5为支架结构示意图。
21.图中，1支架、11底板、12耳板、13锚栓、2吊索、21缆绳、22、弹簧、3压力测量装置、31座板、311座板螺纹孔、32压力传感器、321传感器通孔、322传感器螺栓孔、33座板螺栓、34承压板、341承压板通孔、35承压板螺栓、36导线、37密封胶、38吊耳、4信号采集仪、5信号读取设备、6数据线、7结构物、8冰层。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例，对本发明技术方案的具体实施方式作详细的描述。
23.实施例1：
24.如图1-5所示，一种寒区水域静冰压力测量装置，包括固定在结构物7上的支架1，
安装在支架1上的吊索2，吊索2下方悬挂的压力测量装置3，与压力测量装置3连接的信号采集仪4，连接信号采集仪4和信号读取设备5的数据线6。
25.所述压力测量装置3包括座板31、压力传感器32、座板螺栓33、承压板34、承压板螺栓35、导线36、密封胶37、吊耳38；所述座板31为一矩形不锈钢板，其中一侧设若干具有一定深度的座板螺纹孔311；每个压力传感器32设有一圈无螺纹的传感器通孔321和有螺纹的传感器螺栓孔322，利用座板螺栓33穿过传感器通孔321将压力传感器32固定于座板31表面上；所述承压板34为一矩形不锈钢板，上面设有一圈不带螺纹的承压板通孔341，承压板螺栓35穿过承压板通孔341将承压板34固定于压力传感器32上；导线35将压力传感器32和信号采集仪4连接在一起；密封胶37填充在座板31和承压板32之间的空隙内，并将压力传感器32密封起来，与外界大气隔绝；吊耳38为不锈钢板，焊接在座板31顶部，吊耳上设有用于连接吊索2的圆孔。
26.所述压力传感器32可以为扁平圆柱形，厚度应尽量小，以提高测量精度；压力传感器32属于压力测试元件，技术比较成熟，具体构造不在本专利发明范围内，可根据测量压力量程和尺寸需要选择合适的成品，或由厂家定制。
27.所述座板31的横向宽度大于压力传感器32直径，满足密封胶37将压力传感器32包裹密封需要；座板31沿纵向方向设置多个相同的压力传感器32，传感器之间设有间距；每个压力传感器32上固定一个矩形承压板34，相邻两个承压板34之间可以留有1mm左右的缝隙，在缝隙中填充密封胶37。
28.所述支架1包括底板11、耳板12、锚栓13，底板11为矩形钢板，四周设有锚栓孔；耳板12为钢板，中间设有一个圆孔，垂直焊接在底板11上；锚栓13穿过锚栓孔将底板11固定在结构物7上。
29.所述吊索2包括缆绳21和弹簧22，缆绳21的下端与弹簧22的上端连接，缆绳21的上端固定在支架1上，弹簧22的下端连接在吊耳38上。
30.所述密封胶37材料的弹性模量应远远小于钢材的弹性模量，凝固前具有良好的流动性，以提高装置的测量精度和防水性能。密封胶可以采用硅胶，其弹性模量小。
31.所述信号采集仪4选择多通道采集仪，与传感器数量匹配，能够通过导线36采集压力传感器32的电信号。
32.所述信号读取设备5可以为一台笔记本电脑，安装有测量信号处理软件，可以接收和存储通过数据线6传输的由信号采集仪4所采集的信号，并能够利用采集的信号得到每个压力传感器32测量的压力值。
33.上述装置的安装方法为：所述支架1应提前固定在结构物7上的合适位置；在水面结冰前，利用吊索2将压力测量装置3悬挂在结构物7的侧面，使最上面的承压板34的上缘略高于水面；在压力测量装置3的自重作用下，座板31贴合在结构物7表面；水面结冰后，承压板34与冰层8接触，直接承受冰层8施加的压力。
34.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。