CN103017675B - 一种基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，包括壁面上设有通孔的套筒、位于套筒外侧的传感器数据收集器和位于套筒内腔中的监测单元；每个监测单元包括按钮、FBG传感器、连接板和底板，底板固定连接在套筒的内壁上，连接板固定连接在底板的顶面，按钮一端固定连接在连接板上，按钮另一端穿过套筒壁面上的通孔，FBG传感器固定连接在连接板上；套筒呈密封状态；所述的监测单元至少为两个，监测单元沿套筒的轴向布置，且每个监测单元的FBG传感器通过同一根光纤线串联，并连接到传感器数据收集器的信号输入端。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，使用寿命长。

Description

一种基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置

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（布拉格光栅的英文全称：fiberBragggrating,文中简称：FBG）传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，该监测装置尤其适用于对洪水多发地区的长期实时监测、全过程冲刷回填记录以及较好耐久性能的监测。

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按钮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，使用寿命长。

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按钮式桥墩冲刷监测装置，该监测装置包括壁面上设有通孔的套筒、位于套筒外侧的传感器数据收集器和位于套筒内腔中的监测单元；每个监测单元包括按钮、FBG传感器、连接板和底板，底板固定连接在套筒的内壁上，连接板固定连接在底板的顶面，按钮一端固定连接在连接板上，按钮另一端穿过套筒壁面上的通孔，FBG传感器固定连接在连接板上；套筒呈密封状态；所述的监测单元至少为两个，监测单元沿套筒的轴向布置，且每个监测单元的FBG传感器通过同一根光纤线串联，并连接到传感器数据收集器的信号输入端。

进一步，所述的每个监测单元还包括防护构件，该防护构件包括弹簧和挡板，弹簧一端固定连接在套筒的内壁上，弹簧另一端与挡板固定连接，挡板与连接板的上部相对。

进一步，所述的基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，还包括隔挡板，隔挡板固定连接在套筒的外壁上，且套筒的通孔位于隔挡板中。

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：

（1）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按钮，以及按钮被水流按下而产生读数的FBG传感器位置，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FBG传感器串联连接，利用FBG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。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。

（2）监测不受外部环境影响。本发明的监测装置包括套管和按钮，套筒的顶端开口采用密封结构，例如用混凝土浇筑密封，防止水或杂物进入套筒。按钮的外侧设有密封橡胶套。密封橡胶套可以防止水或杂物从套筒和按钮之间进入套筒。也就是说，密封橡胶套起到了密封套筒的作用。这样，安装在河床中的套管，呈密封状态，不易被外界因素，如水中杂物、石块、流冰等干扰。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；同时由于采集装置安装至桥墩以上并可采用无线数据传输技术，完全不需要人工水下手动采集数据。

（3）使用寿命长，监测周期长。监测装置采用FBG传感器以及光纤线为主要监测设备，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。

附图说明

图1是本发明安装在桥梁上的正视图。

图2是本发明安装在桥梁上的侧视图。

图3是本发明中的监测单元放大图。

图4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连接板。

图5是本发明在监测过程中的初始位置示意图。

图6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：按钮1、隔挡板2、套筒3、桥墩4、桥墩盖梁5、光纤线6、传感器数据收集器7、布拉格光栅传感器8、连接板9、防护构件10、支架11、混凝土12、河床13、弹簧14、挡板15、塑料泡沫块16、密封橡胶套17、水流18、底板19。

具体实施方式

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按钮式桥墩冲刷监测装置，包括壁面上设有通孔的套筒3、位于套筒3外侧的传感器数据收集器7和位于套筒3内腔中的监测单元。每个监测单元包括按钮1、布拉格光栅传感器8、连接板9和底板19。连接板9优选由钢材料制成。当然，连接板9可以由其他常用的具有一定弹性的材料制成，例如具有优秀防腐性能的碳纤维板。底板19固定连接在套筒3的内壁上。连接板9固定连接在底板19的顶面。按钮1一端固定连接在连接板9上，按钮1另一端穿过套筒3壁面上的通孔。布拉格光栅传感器8固定连接在连接板9上。套筒3呈密封状态。套筒3顶部的开口可用混凝土12密封开口，防止杂物、水等从套筒3顶部进入套筒3内部。套筒3的通孔和按钮1之间采用密封连接，防止水从套筒3的通孔和按钮1之间的空隙中进入套筒3中。监测单元至少为两个，监测单元沿套筒3的轴向布置，且每个监测单元的布拉格光栅传感器8通过同一根光纤线6串联，并连接到传感器数据收集器7的信号输入端。

上述结构的监测装置的工作过程是：在套筒3内沿轴向设置多个监测单元，利用水流18冲击监测单元中的按钮1表面形成的水流18冲击力，连接按钮1的连接板9发生弯曲变形，从而触发连接在连接板9上的FBG传感器8产生读数，该读数对应于FBG传感器8在水流18冲击力作用下的波长变化。多个FBG传感器8由单根光纤6串联并连接至FBG传感器数据收集器7。随桥墩4冲刷深度不断发展，埋入河床13的按钮1以及每一个按钮1对应的FBG传感器8会不断露出河床13。举例来说，如图5和图6所示，图5是本发明在监测过程中的初始位置示意图，图6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5和图6可以看出：随着水流18冲刷，原来埋在河床13内的按钮1，渐渐露出河床13表面。根据水流18冲击力按下的按钮1而触发产生读数的FBG传感器8的位置，来准确判断监测位置的桥墩4冲刷深度，从而进行桥墩4冲刷深度监测。

上述结构的监测装置的制备过程是：首先制备套筒3：根据冲刷深度，确定套筒3的制备长度，一般为8米左右，在该套筒3的一个侧壁上，沿轴向开通孔，保持一定间距，通常为20cm左右；然后制备监测单元：在连接板9的上安装按钮1，并且在连接板9的底部粘结一个FBG传感器8，连接板9固定连接在底板19上；随后安装监测单元：将监测单元从套筒3的顶端置入套筒3中，再将底板19连接在套筒3内壁上，按钮1嵌在套筒3的通孔上，在套筒3内壁上安装防护构件10，沿着套筒3轴向依次安装多个监测单元，并将所有FBG传感器8用一根光纤线6串联连接；最后安装套筒3：将带有监测单元的套筒3置入河床13中，并通过支架11固定在桥墩4上，并对套筒3的顶部开口通过混凝土12密封，并将光纤线6连接到FBG传感器数据收集器7上。桥墩盖梁5位于桥墩4的顶部。桥墩盖梁5可以用于安放FBG传感器数据收集器7。

进一步，所述的每个监测单元还包括防护构件10，该防护构件10包括弹簧14和挡板15，弹簧14一端固定连接在套筒3的内壁上，弹簧14另一端与挡板15固定连接，挡板15与连接板9的上部相对。设置防护构件10，可以防止水流18冲击力对连接板9上部不断冲击而过度变形，保持连接板9良好的弹性。这有利于保证监测数据采集的准确性。

进一步，所述的基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，还包括隔挡板2，隔挡板2固定连接在套筒3的外壁上，且套筒3的通孔位于隔挡板2中。设置隔挡板2，可抵挡石块、流冰等杂物直接撞击按钮1，从而保护按钮1。所述的隔挡板2呈L型。当然，隔挡板2也可以是其他形状，例如环形。

进一步，所述的按钮1包括塑料泡沫块16和密封橡胶皮套17，密封橡胶套17包裹在塑料泡沫块16的表面，且密封橡胶套17位于套筒3外侧。设置密封橡胶套17可以防止水通过套筒1的通孔和按钮1之间的空隙流入套筒1中。

本发明的监测装置中，FRB传感器8以及光纤线6材料本身具备有良好的耐久性能，同时装置密封设置，水流18无法进入监测装置内部，可实现长期实时监测桥墩4冲刷发展，包括冲刷后可能出现的河床13回填的整个全过程，并且由于其独特的监测原理，长期监测数据准确稳定，不易被外界因素干扰，极端天气状态下（如洪水期间）监测不受影响。

本发明利用单根光纤线6串联起多个FBG传感器8，并连接（或利用无线技术）至FBG传感器数据收集器7，进行数据传输。在实际实施过程中，随着桥墩4冲刷深度不断发展，埋入河床13面的套筒3上的按钮1会逐渐露出河床13表面以上，水流18作用“按下”按钮1，使套筒3内该按钮1所对应连接板9弯曲变形，从而FBG传感器8产生读数。通过传感器数据收集器7确定有读数FBG传感器8的位置，即可准确判断监测位置的桥墩4冲刷深度。

桥墩4冲刷深度一般可达5m以上，相应的冲刷监测装置的长度一般需要达到8m以上。本发明通过实验室或者工厂整体制备，运至现场后采用打桩的方式打入河床以下。在打入过程中可利用大直径钢管桩套住本发明一同打入，打入之后再拔出钢管桩的方式，降低打入过程中对监测装置的损坏概率。

Claims (6)

1.一种基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，该监测装置包括壁面上设有通孔的套筒(3)、位于套筒(3)外侧的传感器数据收集器(7)和位于套筒(3)内腔中的监测单元；每个监测单元包括按钮(1)、FBG传感器(8)、连接板(9)和底板(19)，底板(19)固定连接在套筒(3)的内壁上，连接板(9)固定连接在底板(19)的顶面，按钮(1)一端固定连接在连接板(9)的上部，按钮(1)另一端穿过套筒(3)壁面上的通孔，FBG传感器(8)固定连接在连接板(9)的底部；套筒(3)呈密封状态；

所述的监测单元至少为两个，监测单元沿套筒(3)的轴向布置，且每个监测单元的FBG传感器(8)通过同一根光纤线(6)串联，并连接到传感器数据收集器(7)的信号输入端。

2.按照权利要求1所述的基于布拉格光栅传感器的按钮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防护构件(10)，该防护构件(10)包括弹簧(14)和挡板(15)，弹簧(14)一端固定连接在套筒(3)的内壁上，弹簧(14)另一端与挡板(15)固定连接，挡板(15)与连接板(9)的上部相对。

3.按照权利要求1所述的基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，还包括隔挡板(2)，隔挡板(2)固定连接在套筒(3)的外壁上，且套筒(3)的通孔位于隔挡板(2)中。

4.按照权利要求3所述的基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，所述的隔挡板(2)呈L型，或者环形。

5.按照权利要求1至4中任何一项所述的基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，所述的按钮(1)包括塑料泡沫块(16)和密封橡胶套(17)，密封橡胶套(17)包裹在塑料泡沫块(16)的表面，且密封橡胶套(17)位于套筒(3)外侧。

6.按照权利要求5所述的基于布拉格光栅传感器的按钮式桥墩冲刷监测装置，其特征在于，所述的连接板(9)由钢材料制成。