CN108316144B - 一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统及其施工方法 - Google Patents

一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统及其施工方法，光纤测温系统包括分布式光纤测温仪、调压仪、控制系统和加热光纤，首先在索塔上搭建一个工作平台；将斜拉索爬升机器人安装在桥梁斜拉索底部，在索塔的工作平台上将加热光纤的接头沿着索塔放下，将接头依次穿过光纤导向装置和光纤捆扎装置后，绑扎在桥梁斜拉索的底部；斜拉索爬升机器人每攀爬一段距离，就利用光纤捆扎装置将加热光纤捆扎一次直至爬完整个斜拉索；之后将加热光纤与分布式光纤测温仪、调压仪相连即控制系统相连，通过控制系统调节加热光纤的功率使得斜拉索不结冰。本发明自动化程度高，分布式测温准确、耐腐蚀、操作方便、施工工艺简单，监测成本低。

Description

一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统及其施工方法
技术领域
本发明属于桥梁附属设施领域，涉及一种斜拉索除冰方法，具体涉及一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统及其施工方法。
背景技术
斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成。尤其在北方冬季，受到雨雪及低温影响，钢索表面很容易凝结冰凌，不但增加了斜拉索自重，而且会改变拉索的截面形状，使其受力形态发生改变。另一方面，很多地区，冬季昼夜温差大，形成的冰棱，在白天温度升高达到零度以上时，部分融化导致冰棱坠落，影响交通，如2018年1月8号湖北武汉地区的很多桥梁(二七长江大桥、天兴洲长江大桥等)相继出现冰棱坠落，多辆轿车被砸，交通受阻，给人身财产、出行安全带来了极大危险。
在桥梁除冰棱方面，传统方法是采用通电闭合电缆，达到产热除冰棱的目的；但是，在测量温度方面，采用点式布置信号采集系统于电缆上，进行远程操作。该方法在电缆上布置点式温度信号采集系统。当测温点布置密集时，导致费用过高；当信号采集系统稀疏布置时，收集的温度数据不全面；且信号采集系统的安装要求较高，不易安装；信号采集系统长期与外界接触，容易损坏。
发明内容
本发明的目的是针对桥梁斜拉索附结冰棱问题，提供一种自动化程度高，分布式、长距离光纤测温系统，是一种耐腐蚀、操作方便、施工工艺简单的能除去(抑制)桥梁斜拉索上形成冰棱的加热光纤测温循环系统，起到防灾减灾作用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统，其特征在于：包括分布式光纤测温仪、调压仪、控制系统和加热光纤，所述加热光纤附着安装在桥梁斜拉索上，分布式光纤测温仪与加热光纤相连用于测量桥梁斜拉索上温度，所述调压仪与加热光纤相连用于控制加热功率，所述控制系统通过分布式光纤测温仪测得桥梁斜拉索温度，然后通过调压仪调整加热光纤功率，实现闭合回路自动控制调节。
作为改进，所述加热光纤为分布式多模铠装光纤，所述调压仪与分布式多模铠装光纤的金属铠或电阻丝相连，其中调压仪对金属铠采用供交流电，对电阻丝供直流电。
作为改进，所述加热光纤采用螺旋式缠绕、U型回路式缠绕或单线式附着在桥梁斜拉索表面。
作为改进，加热光纤通过预制方式缠绕在桥梁斜拉索表面或者通过光纤安装装置安装在已建成的桥梁斜拉索上。
一种上述光纤测温系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、准备工作，首先在索塔上搭建一个工作平台，然后在斜拉索爬升机器人上设置光纤导向装置和光纤捆扎装置；
步骤二、将斜拉索爬升机器人安装在桥梁斜拉索底部，在索塔的工作平台上将加热光纤的接头沿着索塔放下，再将接头拉至桥梁斜拉索的底部，将加热光纤的接头依次穿过光纤导向装置和光纤捆扎装置后，绑扎在桥梁斜拉索的底部；
步骤三、启动斜拉索爬升机器人，向上攀爬，每攀爬一段距离，就利用光纤捆扎装置将加热光纤捆扎一次；
步骤四、当斜拉索爬升机器人爬到工作平台时，将加热光纤在桥梁斜拉索顶部进行绑扎，取下斜拉索爬升机器人，完成加热光纤安装；
步骤五、将加热光纤与分布式光纤测温仪、调压仪相连，将分布式光纤测温仪和调压仪与控制系统相连，进行调试，完成光纤测温系统安装。
作为改进，所述光纤导向装置为双滑轮组，双滑轮组之间设有供加热光纤通过的间隙，斜拉索爬升机器人上设有1-4个光纤导向装置。
作为改进，所述光纤捆扎装置包括弹簧固定架、切割装置、短支架、斜支架和多个环形弹簧扣，所述弹簧固定架两端分别通过短支架和斜支架固定安装在斜拉索爬升机器人上，所述弹簧固定架有两个，且位于桥梁斜拉索两侧，短支架上设有可在桥梁斜拉索上滚动的单滑轮，弹簧固定架上设有多个沿着桥梁斜拉索方向排列的固定绳索，多个环形弹簧扣预先扣合套装在桥梁斜拉索上，每个环形弹簧扣通过活动绳环与弹簧固定架上的一个固定绳索相连，使得环形弹簧扣与桥梁斜拉索不接触，切割装置通过直线驱动装置安装在弹簧固定架上，通过直线驱动装置驱动，切割装置在弹簧固定架上滑动并切割固定绳索释放相应的环形弹簧扣。
作为改进，所述直线驱动装置为气缸驱动装置、丝杆螺母机构和皮带驱动装置中的任意一种。
作为改进，所述斜拉索爬升机器人包括机器人本体和安装在其上的上轮及下轮，上轮和下轮将桥梁斜拉索夹持在中间，其中上轮或下轮通过电机驱动在桥梁斜拉索上完成攀爬动作。
本发明的有益效果是：
实施效果
相对于传统桥梁除去(抑制)冰棱方法，本发明自动化程度高，分布式、长距离测温、耐腐蚀、操作方便、施工工艺简单，监测成本低。
另外本发明还提供了一种将光纤缠绕在已有桥梁斜拉索上的可行方法，该方法安全性能好，工作效率高，解决了目前桥梁斜拉索因为过高过长而导致伴热设备安装困难的问题。
附图说明
图1为本发明光纤测温系统工作流程图。
图2为加热光纤热传导示意图。
图3为加热光纤热传导影响半径示意图。
图4为两种光纤细部构造图；
其中图4a为铠装光纤示意图，图4b为设有电阻丝的铠装光纤示意图。
图5为斜拉索爬升机器人和光纤捆扎装置安装加热光纤示意图。
图6为光纤捆扎装置主视图。
图7为弹簧固定架俯视图。
图8为弹簧固定架主视图。
图9为两种环形弹簧扣示意图；
其中图9a为两个光纤孔的环形弹簧扣，图9b为单个光纤孔的环形弹簧扣。
1-加热光纤，2-金属铠，3-电阻丝，4-桥梁斜拉索，5-斜拉索爬升机器人，6-光纤导向装置，7-光纤捆扎装置，8-环形弹簧扣，9-弹簧固定架，10-切割装置，11-斜支架，12-单滑轮，13-短支架，14-固定绳索，15-移动轨道，16-环形刀片，17-固定绳索连接绳扣，18-活动绳环，19-光纤孔，20-光纤跳线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方式和实施步骤进一步说明，
如图1所示，一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统，包括分布式光纤测温仪、调压仪、控制系统和加热光纤1，所述加热光纤1附着安装在桥梁斜拉索4上，分布式光纤测温仪与加热光纤1相连用于测量桥梁斜拉索4上温度，所述调压仪与加热光纤1相连用于控制加热功率，所述控制系统通过分布式光纤测温仪测得桥梁斜拉索4温度，然后通过调压仪调整加热光纤1功率，实现闭合回路自动控制调节。
所述加热光纤1为分布式多模铠装光纤，所述调压仪与分布式多模铠装光纤的金属铠2或电阻丝3相连，其中调压仪对金属铠2采用供交流电，对电阻丝3供直流电。
所述加热光纤1采用螺旋式缠绕、U型回路式缠绕或单线式附着在桥梁斜拉索4表面。
加热光纤1通过预制方式缠绕在桥梁斜拉索4表面或者通过光纤安装装置安装在已建成的桥梁斜拉索4上。
上述光纤测温系统的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、准备工作，首先在索塔上搭建一个工作平台，然后在斜拉索爬升机器人5上设置光纤导向装置6和光纤捆扎装置7；
步骤二、将斜拉索爬升机器人5安装在桥梁斜拉索4底部，在索塔的工作平台上将加热光纤1的接头沿着索塔放下，再将接头拉至桥梁斜拉索4的底部，将加热光纤1的接头依次穿过光纤导向装置6和光纤捆扎装置7后，绑扎在桥梁斜拉索4的底部；
步骤三、启动斜拉索爬升机器人5，向上攀爬，每攀爬一段距离，就利用光纤捆扎装置7将加热光纤1捆扎一次；
步骤四、当斜拉索爬升机器人5爬到工作平台时，将加热光纤1在桥梁斜拉索4顶部进行绑扎，取下斜拉索爬升机器人5，完成加热光纤1安装；
步骤五、将加热光纤1与分布式光纤测温仪、调压仪相连，将分布式光纤测温仪和调压仪与控制系统相连，进行调试，完成光纤测温系统安装。
所述光纤导向装置6为双滑轮组，双滑轮组之间设有供加热光纤1通过的间隙，斜拉索爬升机器人5上设有1-4个光纤导向装置6。
通过多个光纤导向装置6和多个带光纤孔19的环形弹簧扣8可以在桥梁斜拉索4表面布置多根加热光纤1，每个根加热光纤1对应一个光纤导向装置6即可，因此也可在桥梁斜拉索4表面布置U型回路加热光纤1，具体方法为在光纤的两端接头放在一起，从索塔的工作平台放下，然后通过斜拉索爬升机器人5加光纤捆扎在桥梁斜拉索4的两侧，再在单侧安装分布式光纤测温仪和调压仪即可。
所述光纤捆扎装置7包括弹簧固定架9、切割装置10、短支架13、斜支架11和多个环形弹簧扣8，所述弹簧固定架9两端分别通过短支架13和斜支架11固定安装在斜拉索爬升机器人5上，所述弹簧固定架9有两个，且位于桥梁斜拉索4两侧，短支架上13上设有可在桥梁斜拉索4上滚动的单滑轮12，弹簧固定架9安装在斜支架11底部，且弹簧固定架9上设有多个沿着桥梁斜拉索4方向排列的固定绳索14，多个环形弹簧扣8预先扣合套装在桥梁斜拉索4上，每个环形弹簧扣8通过活动绳环18与弹簧固定架9上的一个固定绳索14相连，斜拉索爬升机器人5在攀爬时，环形弹簧扣8通过活动绳环18的张拉与桥梁斜拉索4留有一定空隙，不会造成任何影响，切割装置10通过直线驱动装置安装在弹簧固定架9的移动轨道15上，通过直线驱动装置驱动，切割装置10在弹簧固定架9的移动轨道15上滑动并切割固定环形弹簧扣8的固定绳索14释放相应的环形弹簧扣8，所述直线驱动装置为气缸驱动装置、丝杆螺母机构和皮带驱动装置中的任意一种。
作为一种更优实施例，所述切割装置10包括环形刀片16，环形刀片16既可以是带旋转动力的旋转切割，也可以说是不带动力，通过切割装置10在移动轨道15上滑动的惯性力切割固定绳索14。
使用时，首先将上述光纤捆扎装置7安装在斜拉索爬升机器人5，然后将加热光纤1穿过双滑轮组和光纤捆扎装置7人工绑扎在桥梁斜拉索4底部，然后将环形弹簧扣8套装在桥梁斜拉索4上，环形弹簧扣8通过活动绳环18张拉在相应的固定绳索14上，这样就让环形弹簧扣8成排的安装在弹簧固定架9上了，且环形弹簧扣8与桥梁斜拉索4之间保持距离，之后斜拉索爬升机器人5向上攀爬，将加热光纤1在桥梁斜拉索4上拉直，当需要捆扎加热光纤1时，控制系统通过直线驱动装置运动，带动切割装置10移动到弹簧固定架9尾部的环形弹簧扣8处，通过切割装置10的环形刀片16将该处固定绳索14切断，由于固定绳索14和活动绳环18活接相连，固定绳索14切断后，活动绳环18脱落，环形弹簧扣8失去了张拉力，并在自身弹力的作用下缩小将加热光纤1绑扎在桥梁斜拉索4上，另外为了防止环形弹簧扣8的弹力过大将光纤损坏，可以在环形弹簧扣8上设有供光纤通过的光纤孔19。
所述斜拉索爬升机器人5包括机器人本体和安装在其上的上轮及下轮，上轮和下轮将桥梁斜拉索4夹持在中间，其中上轮或下轮通过电机驱动在桥梁斜拉索4上完成攀爬动作。
本发明工作原理和方法：
A、通过控制系统将分布式光纤测温仪器(DTS)与加热系统(调压仪)连接。控制系统的作用是通过分布式光纤测温仪器(DTS)测得初始温度T0(与环境温度一致)，调节加热系统(调压仪)的电压U，使分布式光纤测温仪器(DTS)与加热系统(调压仪)形成一个整体来控制斜拉索的温度保持在T1或以上。而T1的适宜温度分两种情况：
①在电压为零的情况下，分布式光纤测温仪(DTS)测的环境温度T0≥0时，通过控制系统断开加热系统(调压仪)的电源。
②在电压为零的情况下，分布式光纤测温仪器(DTS)测的环境温度T0<0时，根据公式：通过控制系统调节加热系统(调压仪)预加电压U，使T2温度略大于零。其中T0为环境温度，T1为光纤表面上的温度(DTS测试光纤沿线温度)，T2为垂直于光纤且与监测对象相交点离光纤的最大距离点的温度值(理想温度为零)，r1为光纤半径，r2为被测物温度为零的点到光纤轴心线垂直距离，U为光纤加热段两端电压；R为加热段光纤电阻，L为加热段长度，λ为导热系数。
B、分布式光纤测温仪器(DTS)与光纤跳线20相连，连接到DTS上。分布式光纤测温仪器(DTS)的作用是测量并控制加热过程中光纤沿线的温度。
C、加热系统(调压仪)与光纤两端的金属铠2或电阻丝3连接，与金属铠2连接时使用交流电，与电热丝连接采用直流电。加热系统(调压仪)的作用是加热光纤1中的金属铠2或电阻丝3，控制温度在冰点以上，从而使桥梁斜拉索4呈现无冰雪状态。
D、分布式铠装多模光纤(可加热的传感光纤)采用螺旋式或U型回路式或单线式附着在桥梁斜拉索4上。光纤在斜拉索上的布置主要分为两种类型：一种是对于斜拉索安装前光纤的施工，另一种是对于斜拉索安装后光纤的施工。对于斜拉索安装前采用传统施工方法进行布置，下面主要介绍斜拉索安装后光纤U型回路式和单线式布置施工工艺。

Claims (7)

1.一种用于桥梁斜拉索除冰凌的光纤测温系统的施工方法，其特征在于：光纤测温系统包括分布式光纤测温仪、调压仪、控制系统和加热光纤，所述加热光纤附着安装在桥梁斜拉索上，分布式光纤测温仪与加热光纤相连用于测量桥梁斜拉索上温度，所述调压仪与加热光纤相连用于控制加热功率，所述控制系统通过分布式光纤测温仪测得桥梁斜拉索温度，然后通过调压仪调整加热光纤功率，实现闭合回路自动控制调节；
施工方法包括以下步骤：
步骤一、准备工作，首先在索塔上搭建一个工作平台，然后在斜拉索爬升机器人上设置光纤导向装置和光纤捆扎装置；
步骤二、将斜拉索爬升机器人安装在桥梁斜拉索底部，在索塔的工作平台上将加热光纤的接头沿着索塔放下，再将接头拉至桥梁斜拉索的底部，将加热光纤的接头依次穿过光纤导向装置和光纤捆扎装置后，绑扎在桥梁斜拉索的底部；
步骤三、启动斜拉索爬升机器人，向上攀爬，每攀爬一段距离，就利用光纤捆扎装置将加热光纤捆扎一次；
步骤四、当斜拉索爬升机器人爬到工作平台时，将加热光纤在桥梁斜拉索顶部进行绑扎，取下斜拉索爬升机器人，完成加热光纤安装；
步骤五、将加热光纤与分布式光纤测温仪、调压仪相连，将分布式光纤测温仪和调压仪与控制系统相连，进行调试，完成光纤测温系统安装；
所述光纤捆扎装置包括弹簧固定架、切割装置、短支架、斜支架和多个环形弹簧扣，所述弹簧固定架两端分别通过短支架和斜支架固定安装在斜拉索爬升机器人上，所述弹簧固定架有两个，且位于桥梁斜拉索两侧，短支架上设有可在桥梁斜拉索上滚动的单滑轮，弹簧固定架上设有多个沿着桥梁斜拉索方向排列的固定绳索，多个环形弹簧扣预先扣合套装在桥梁斜拉索上，每个环形弹簧扣通过活动绳环与弹簧固定架上的一个固定绳索相连，使得环形弹簧扣与桥梁斜拉索不接触，切割装置通过直线驱动装置安装在弹簧固定架上，通过直线驱动装置驱动，切割装置在弹簧固定架上滑动并切割固定绳索释放相应的环形弹簧扣。
2.如权利要求1所述光纤测温系统的施工方法，其特征在于：所述加热光纤为分布式多模铠装光纤，所述调压仪与分布式多模铠装光纤的金属铠或电阻丝相连，其中调压仪对金属铠采用供交流电，对电阻丝供直流电。
3.如权利要求2所述光纤测温系统的施工方法，其特征在于：所述加热光纤采用螺旋式缠绕、U型回路式缠绕或单线式附着在桥梁斜拉索表面。
4.如权利要求2所述光纤测温系统的施工方法，其特征在于：加热光纤通过预制方式缠绕在桥梁斜拉索表面或者通过光纤安装装置安装在已建成的桥梁斜拉索上。
5.如权利要求1所述光纤测温系统的施工方法，其特征在于：所述光纤导向装置为双滑轮组，双滑轮组之间设有供加热光纤通过的间隙，斜拉索爬升机器人上设有1-4个光纤导向装置。
6.如权利要求1所述光纤测温系统的施工方法，其特征在于：所述直线驱动装置为气缸驱动装置、丝杆螺母机构和皮带驱动装置中的任意一种。
7.如权利要求1所述光纤测温系统的施工方法，其特征在于：所述斜拉索爬升机器人包括机器人本体和安装在其上的上轮及下轮，上轮和下轮将桥梁斜拉索夹持在中间，其中上轮或下轮通过电机驱动在桥梁斜拉索上完成攀爬动作。
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