CN107740424B - 钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统 - Google Patents

钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及为防止钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统，特别是隧道或深基坑支护体系中以钢管柱作为支撑结构体系的主要构件时，针对我国北方冬季低温钢管柱内部含泥土因冻胀而开裂的情况所研发的钢管内部压力控制、温度控制自动报警系统。在钢管柱沿其长度方向上放置一组能够感应钢管内部压力和温度大小的开关，达到一定限值时立即自动发出警示声音，并配以彩色灯光显示的报警系统，实现了自动即时报警功能。由此采取相应的预案措施，从而避免因内部压力骤变引起的钢管柱冻裂导致的工程事故发生。

Description

钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统
技术领域
本发明涉及为防止钢管柱涨裂失去承载力而研发的自动报警系统，特别是隧道或深基坑支护体系中以钢管柱作为支撑结构体系的主要构件时，针对我国北方冬季低温钢管柱内部含泥土因冻胀而开裂的情况研发了钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统。
背景技术
钢管柱是城市明挖或半盖挖施工隧道和大型桥墩或高层建筑深基坑一种常见的支护结构体系的重要组成部分。这种支撑结构体系的构成通常包括：基坑开挖前通过钻孔施工浇筑的围护排桩、提供竖向支撑力的钢管柱(或称格构柱)、横向钢管水平支撑，将围护桩顶部固结一体共同受力的冠梁、提供施工操作面的栈桥板、供钢支撑两端支撑受力的钢围檩、钢管柱下部桩基础、供钢支撑就位平行于系梁方向的支架、平行于冠梁方向的混凝土系梁。
这种深基坑支护体系整体稳定性好，在实际工程中应用十分广泛。在整个支护体系中，钢管柱的作用是上端为顶部水平横向的混凝土支撑提供支点，承受盖挖施工或半盖挖施工基坑顶部由混凝土支撑传递下来的竖向荷载。钢管柱下端植入地基，该部分与混凝土桩内部的钢筋笼焊接在一起。钢管柱安装时，采用的施工方法是在吊装前，将钢管柱与混凝土桩的钢筋笼焊接在一起植入事先钻挖好的桩孔中，再向底部混凝土桩钢筋笼内注入混凝土，直到浇筑到预定设计。这种施工方法，在灌注混凝土桩过程中势必会将桩孔中的水和泥浆顶入钢管柱内，使钢管柱内充满泥浆。在我国北方，当基坑开挖后，遇到进入冬季，钢管柱内的泥浆势必要引起冻涨，使钢管柱承受巨大的内部膨胀力，这种膨胀力足以使钢管柱涨裂，致使钢管柱承载力丧失，最终可导致支撑体系结构失稳。钢管柱涨裂失效的情况在北方基坑工程上时有发生。
针对这种情况，基坑冬季施工过程中，防止钢管柱冻裂采取的措施包括增加基坑保温措施，除了在钢管柱壁上打孔，将钢管柱内的水分尽量排出外，还要进行基坑内采暖，必要时对每根钢管柱进行加温。加温不及时会造成钢管柱冻裂，过度加温会提高施工成本，造成能源浪费。因此及时掌握钢管柱内部压力，在达到涨裂前实现自动报警，从而采取加温等保护措施，避免钢管柱涨裂导致的钢管柱承载力丧失，从而保证了支撑体系结构的稳定性。例如某城市南北快速干线在城市隧道冬季施工中，未及时排除钢管柱内部水分，且对钢管柱加温不及时，造成隧道内73根钢管柱不同程度的涨裂，24根钢管柱从顶到底钢管壁完全开裂，致使导致钢管柱承载力丧失，被迫在涨裂的每根钢管柱旁边增补一根钢管柱，并在200多根钢管柱10长的柱身上包裹电热毯进行24小时加温，确保钢管柱不再被冻裂，以确保隧道基坑内原有支撑体系的稳定。仅仅采取该项措施增加的施工成本高达1000余万元。
在以钢管柱作为主要竖向受力构件的隧道或深基坑支护体系中，针对钢管柱在冬季施工中出现冻裂危险不能及时发现的情况，采取在钢管柱不同部位放置一个能够实时监测钢管柱内部压力和温度变化，当钢管柱内部压力达到一定限值，或者温度达到设定温度时立即自动发出警示声音，并配以彩色灯光显示的报警装置，由此可以及时采取相应的预案措施，从而避免工程事故的发生。
发明内容
发明目的：
为了解决上述存在的技术问题，发明一种钢管柱内部压力和温度双控自动报警系统。采取在钢管柱内部不同位置放置一个能够实时监测到压力变化，当钢管柱内部压力达到一定限值，或者温度达到设定温度时立即自动发出警示声音，并配以彩色灯光显示的报警系统。
技术方案：
一种钢管柱涨裂失效内部压力多点控制自动报警系统，其特征在于：
包括钢管柱、压力温度双控开关及报警器三部分组成；
所述钢管柱上端为顶部水平横向的混凝土支撑提供支点，下端植入地基，与混凝土桩内部的钢筋笼焊接在一起；
所述报警器包括：
触片板以支撑柱为支点成杠杆结构；触片板的其中一端通过弹簧连接底座，另一端与底座之间有电磁铁，电磁铁与触片板之间有空隙；
所述电磁铁与压力温度双控开关和电磁铁回路电源组成闭合回路；
触片板上的触片与绿灯接线柱常闭并且使回路电源和绿灯组成回路；
在电磁铁通电吸附触片板的状态下，触片与红灯接线柱接触，使红灯、PLC 组、电铃及回路电源形成闭合回路；
所述压力温度双控开关由三个压力温度双控开关并联组成；其中，第一压力温度双控开关安装在钢管柱上部；第二压力温度双控开关安装在钢管柱中部；第三压力温度双控开关安装在钢管柱下部。
所述的各压力温度双控开关，由一组压力控制开关和温度控制开关并联组成。
所述的钢管柱涨裂失效内部压力多点控制自动报警系统，其特征在于：所述各压力控制开关的结构为两片承压板之间通过承压弹簧隔开，两片承压板内侧相对设置有触点和压力开关接线柱。
钢管柱涨裂失效内部压力多点控制自动报警系统，其特征在于：所述PLC 组由三组PLC组成；其中PLC1与第一压力温度双控开关连接；其中PLC2与第二压力温度双控开关连接；其中PLC3与第三压力温度双控开关连接；在所述的三组PLC中设置不同的报警模式。
所述的钢管柱涨裂失效内部压力多点控制自动报警系统，其特征在于：所述三个压力温度双控开关在钢管柱上的安装位置为：
当钢管柱长度L小于9m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝L/3，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝3L/5；第三压力温度双控开关距柱顶距离 L3＝4/5L；
当钢管柱长度L＝9m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝2.5m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝5.5m；第三压力温度双控开关距柱顶距离 L3＝7.5m；
当钢管柱长度L＝9～12m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝2.5～3.5m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝5.5～7.0m；第三压力温度双控开关距柱顶距离L3＝7.5～10m；
当钢管柱长度L＝12m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝3.5m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝7m；第三压力温度双控开关距柱顶距离 L3＝10m；
当钢管柱长度L＝12～16m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝3.5～6.0m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝7.0～9.5m；第三压力温度双控开关距柱顶距离L3＝10.0～12.5m；
当钢管柱长度L＝16m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝6m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝9.5m；第三压力温度双控开关距柱顶距离 L3＝12.5m；
当钢管柱长度L＝16～20m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝6.0～6.5m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝9.5～11.5m；第三压力温度双控开关距柱顶距离L3＝12.5～15.5m；
当钢管柱长度L＝20m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝6.5m，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝11.5m；第三压力温度双控开关距柱顶距离 L3＝15.5m。
当钢管柱长度L大于20m，第一压力温度双控开关距柱顶距离L1＝L/3，第二压力温度双控开关距柱顶距离L2＝3L/5；第三压力温度双控开关距柱顶距离 L3＝4/5L。
优点及效果：
本发明的效果和优点是实现了为防止钢管柱涨裂失去承载力而自动报警系统，自动精准，无需人工值守。
1)在钢管柱内部压力数值、温度数值上可根据钢管柱材料和设计尺寸，来设计压力开关的量程范围，确定报警压力值的上限和下限限值。
2)同一个报警系统可以实现对钢管柱多点的压力保护，节约成本，提高效益；
3)实现了自动无人值守而且具有即时性报警功能。
由此及时采取相应的预案措施，避免了因钢管柱的涨裂，从而导致的工程事故的发生。
附图说明：
图1报警器示意图；
图2为压力控制开关结构示意图；
图3为基坑支护结构及钢管柱示意图；
所述标注为：1.第一压力温度双控开关、2.第二压力温度双控开关、3.第三压力温度双控开关、4.触片板、5.电磁铁、6.触片、7.绿灯接线柱、8.红灯接线柱、9.绿灯、10.红灯、11.电铃、12.回路电源、13.电磁铁回路电源、14.承压弹簧、15.承压板、16.压力开关接线柱、17.围护桩、18.冠梁、19.混凝土支撑、20. 钢管柱、21.钢支撑、22.钢围檩、23.地板、24.地基；
a1,a2,a3为压力控制开关；
b1,b2,b3为温度控制开关。
具体实施方式
本系统包括三部分，即深基坑支护体系中的钢管柱、报警装置及安装在钢管柱上的压力温度双控开关三部分组成。
如图3所示：
钢管柱20上端为顶部水平横向的混凝土支撑19提供支点，下端植入地基 24，与混凝土桩内部的钢筋笼焊接在一起。
钢管柱的上、中、下分别安装有压力温度双控开关，各开关的位置首先要考虑钢管柱长度和横向钢支撑布置的位置，根据横向钢支撑布置的原则并参考工程经验，钢管柱长度及传感器安装位置参见下表：
表1本报警系统压力温度双控开关安装位置
Figure GDA0002236670260000061
Figure GDA0002236670260000071
上述的开关与报警器连接在一起，报警器的结构如图1所示：
触片板4以支撑柱为支点成杠杆结构；触片板4的其中一端通过弹簧连接底座，另一端与底座之间有电磁铁5，电磁铁5与触片板4之间有空隙；
所述电磁铁5与压力开关和电磁铁回路电源13组成闭合回路；
触片板4上的触片6与绿灯接线柱7常闭并且使回路电源12和绿灯9组成回路；
在电磁铁5通电吸附触片板4的状态下，触片6与红灯接线柱8接触，使红灯10、PLC组、电铃11及回路电源12形成闭合回路；
所述压力温度双控开关有三个，并且是并联的；
每个压力温度双控开关由一组压力控制开关和温度控制开关并联组成。
所述各压力控制开关的结构为两片承压板15之间通过承压弹簧14隔开，两片承压板15内侧相对设置有触点和压力开关接线柱16；
该报警器中设置有PLC组，由三个PLC组成；其中PLC1与第一压力温度双控开关1连接；其中PLC2与第二压力温度双控开关2连接；其中PLC3与第三压力温度双控开关3连接；在所述的PLC组中设置不同的报警模式，具体如下表：
表2警示灯及警铃报警模式设置
为了更好地区分钢管柱内部上、中、下不同位置压力达到报警值，在警示灯和警铃线路上配置3组程序控制器(PLC)，配套设置三组不同的报警指示红灯和警铃，以利于能够准确区分危险点位置和报警原因。当钢管柱上部压力或温度达到报警值时，第1组程序控制器PLC1工作，设置的第一组报警指示红灯和警铃启动报警；类似的，当钢管柱中部部压力或温度达到报警值时，第2组程序控制器PLC1工作，设置的第2组报警指示红灯和警铃启动报警；类似的，当钢管柱下部压力或温度达到报警值时，第3组程序控制器PLC1工作，设置的第3组报警指示红灯和警铃启动报警。
当基坑施工时钢管柱内部上、中、下三处压力或温度均处于正常范围时，系统处于由绿灯接线柱7、正常工作绿灯9和回路电源12形成闭合回路，此时钢支撑处于正常工作状态，绿灯亮起。当基坑内温度降到一定程度，钢管柱内部上、中、下三处内压力或温度任何一处达到设定数值时，其所在的压力感应装置通过信号线传递给报警装置主体，图1中对应的开关立即闭合，电磁铁5 工作产生磁力，将触片接头6与绿灯接线柱7分离，并红灯接线柱8连接，使系统处于由红灯接线柱8、报警指示红灯9、电铃11和回路电源12形成闭合回路，红灯亮起同时电铃响起，发出报警信号。并且根据PLC的作用，使得不同位置的开关报警时，发出不同的声光信号。
实际使用中，根据钢管柱的钢材强度不同，对压力开关设置不同的报警值。例如某城市南北快速干线隧道设计的钢管柱的规格为钢管Ф609×16，钢材强度设计为315N/mm2，由此计算并参考工程经验，得到工程上通用的规格为Ф609×16的钢管柱的强度报警值及温度报警值为分别见下表：
表3本报警系统压力传感器报警值
Figure GDA0002236670260000091
表4本报警系统温度传感器报警值
温度报警设计值 昼夜温差突降值 同一时刻温度变化值 构件温度
温度(℃) ≥10℃ ≥10℃ 低于-15℃
通过本发明的实施，实现了为防止钢管柱涨裂失去承载力而自动报警系统，自动精准，无需人工值守。

Claims (4)

1.一种钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统，其特征在于：
包括钢管柱(20)、压力温度双控开关及报警器三部分组成；
所述钢管柱上端为顶部水平横向的混凝土支撑(19)提供支点，下端植入地基(24)，与混凝土桩内部的钢筋笼焊接在一起；
所述报警器包括：
触片板(4)以支撑柱为支点成杠杆结构；触片板(4)的其中一端通过弹簧连接底座，另一端与底座之间有电磁铁(5)，电磁铁(5)与触片板(4)之间有空隙；
所述电磁铁(5)与压力温度双控开关和电磁铁回路电源(13)组成闭合回路；
触片板(4)上的触片(6)与绿灯接线柱(7)常闭并且使回路电源(12)和绿灯(9)组成回路；
在电磁铁(5)通电吸附触片板(4)的状态下，触片(6)与红灯接线柱(8)接触，使红灯(10)、PLC组、电铃(11)及回路电源(12)形成闭合回路；
所述压力温度双控开关有三个，并且是并联的；其中，第一压力温度双控开关(1)安装在钢管柱上部；第二压力温度双控开关(2)安装在钢管柱中部；第三压力温度双控开关(3)安装在钢管柱下部；
所述的各压力温度双控开关，由一组压力控制开关和温度控制开关并联组成。
2.根据权利要求1所述的钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统，其特征在于：所述各压力控制开关的结构为两片承压板(15)之间通过承压弹簧(14)隔开，两片承压板(15)内侧相对设置有触点和压力开关接线柱(16)。
3.根据权利要求1所述的钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统，其特征在于：所述PLC组由三个PLC组成；其中PLC1与第一压力温度双控开关(1)连接；其中PLC2与第二压力温度双控开关(2)连接；其中PLC3与第三压力温度双控开关(3)连接；在所述的PLC组中设置不同的报警模式。
4.根据权利要求1所述的钢管柱涨裂失效内部压力和温度多点控制自动报警系统，其特征在于：所述三个压力温度双控开关在钢管柱上的安装位置为：
当钢管柱长度L小于9m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝L/3，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝3L/5；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝4/5L；
当钢管柱长度L＝9m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝2.5m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝5.5m；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝7.5m；
当钢管柱长度L＝9～12m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝2.5～3.5m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝5.5～7.0m；第三压力温度双控开关距(3)柱顶距离L3＝7.5～10m；
当钢管柱长度L＝12m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝3.5m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝7m；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝10m；
当钢管柱长度L＝12～16m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝3.5～6.0m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝7.0～9.5m；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝10.0～12.5m；
当钢管柱长度L＝16m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝6m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝9.5m；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝12.5m；
当钢管柱长度L＝16～20m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝6.0～6.5m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝9.5～11.5m；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝12.5～15.5m；
当钢管柱长度L＝20m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝6.5m，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝11.5m；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝15.5m；
当钢管柱长度L大于20m，第一压力温度双控开关(1)距柱顶距离L1＝L/3，第二压力温度双控开关(2)距柱顶距离L2＝3L/5；第三压力温度双控开关(3)距柱顶距离L3＝4/5L。
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