CN108593168A - 一种桥墩船舶撞击监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种桥墩船舶撞击监测系统，属于桥梁监测与防护领域。一种桥墩船舶撞击监测系统，所述系统包括安装于桥墩上的若干自感知橡胶护舷和监测主机箱；所述自感知橡胶护舷由橡胶和与其相固定的橡胶基碰撞传感器组成，其中，所述橡胶基碰撞传感器的主体为电极组件，所述电极组件由上电极、下电极及其间橡胶基量子隧道效应复合材料组成。本发明通过自感知橡胶护舷在桥墩四周的分区布置，分析事故发生时传感器电信号异于正常值的区域，可以对船桥碰撞进行精确定位，判断桥墩损伤状况，为事故后续工作展开提供方便。本发明工作时自感知橡胶护舷对船桥碰撞进行缓冲消能，保护桥墩结构安全。本发明未工作时处于开路状态，因而具有节能的优点。

Description

一种桥墩船舶撞击监测系统
技术领域
本发明涉及一种桥墩船舶撞击监测系统，属于桥梁监测与防护领域。
背景技术
随着我国交通航运的迅速发展，大跨度桥梁和大吨位船舶日益增多，桥墩船舶撞击事故频发，对社会经济和人民生命财产安全构成巨大隐患。解决这一问题，需要从两个方面下手：一是在桥墩周围安装防护装置，如橡胶护舷、人工岛、群桩等。其中橡胶护舷因其对船舶撞击优异的缓冲消能作用，和成本低廉，施工维修简便等优势得到广泛使用，但这些传统的桥墩防护装置无法对撞击进行有效的定位和损伤评估。另一方面则是对桥墩进行结构健康监测(SHM)，具体指通过分析布置在桥梁上的传感器阵列的响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，对桥梁结构实施损伤监测和识别，并判断是否有能力继续实现设计功能。目前，桥墩结构健康监测相关专利中最常见的是使用微波雷达、红外线、GPRS定位等探测手段对桥墩附近区域进行实时监控，或使用触碰式传感器对船桥碰撞事故发出及时警报。这些传感设备在往往能耗较大，价格较贵，维修费用较高而且恶劣环境(雨、雪、雾)下的工作性能较差。另外，布置这些传感设备需要占据部分航道，却无法对撞击缓冲消能以防护桥墩结构安全，且无法对撞击进行损伤评估。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种成本低廉、监测精确、装卸维修简便，可以实现船桥碰撞事故定位和损伤预估，同时对撞击进行缓冲消能、保护桥墩结构的桥墩船舶撞击监测系统。
一种桥墩船舶撞击监测系统，所述系统包括安装于桥墩上的若干自感知橡胶护舷和监测主机箱；
所述自感知橡胶护舷由橡胶和与其相固定的橡胶基碰撞传感器组成，其中，其中，
所述橡胶基碰撞传感器的主体为电极组件，所述电极组件由上电极、下电极及固定于上电极和下电极之间的橡胶基量子隧道效应复合材料组成，整个电极组件外层包覆密封材料；
所述橡胶基量子隧道效应复合材料按下述方法制得：将刺球状镍粉掺入液态硅橡胶，搅拌5～20min后压制成型并硫化，切割成所需形，所述的刺球状镍粉和硅橡胶的质量比为3:1～5:1。
进一步地，所述监测主机箱与所述自感知橡胶护舷通过有线或无线方式连接；监测主机箱用于采集、分析自感知橡胶护舷传来的电信号，在发生船桥碰撞时可监测碰撞荷载大小、碰撞面积大小，并与桥墩抵御撞击力的设计值相比较，给出该次撞击造成的损伤预估，并对碰撞位置进行定位；监测主机箱将上述碰撞信息发送到相关终端。
进一步地，所述橡胶基碰撞传感器以埋入、粘贴、包裹方式与橡胶相固定中。
进一步地，所述上电极、下电极用强力胶粘贴在橡胶基量子隧道效应复合材料的上下表面，然后喷涂一层防护密封材料；所述上电极、下电极分别与导线连接。
优选地，本发明所述上电极、下电极的材料为铜或铝。
优选地，本发明所述强力胶为商业可购得的胶黏材料，如商品名为AB胶、502等的强力胶。
优选地，本发明所述防护密封材料优选为密封胶等橡胶基密封材料
进一步地，所述自感知橡胶护舷以悬浮、粘固或锚定方式分别安装在桥墩四周。
所述橡胶基碰撞传感器的工作原理是：橡胶基量子隧道效应复合材料由刺球状镍粉与硅橡胶制成，由于硅橡胶的包覆，镍粉间未形成导电通路，在未受压时，可近似认为是绝缘体。当复合材料受压变形时，由于镍粉粒子间的间距减小，电子由于量子隧道效应穿透表面势垒逸出形成场致电子发射，复合材料的电阻迅速减小，变成良好的导体。本发明利用橡胶基量子隧道效应复合材料的这种特性，当船舶撞击桥墩时，传感器发生变形，表现出电阻急剧下降或传感器两端电压瞬间减小，从而监测到船桥碰撞事故的发生；且船舶与桥墩之间的撞击力越大，传感器的形变越大，传感器电阻和两端电压的下降值也会越大，从而可以反推出撞击力的大小，与桥墩抵御撞击力的设计值相比较，给出该次撞击造成的损伤预估。
本发明通过自感知橡胶护舷在桥墩四周的分区布置，分析事故发生时传感器电压、电阻异于正常值的区域，可以对船桥碰撞进行精确定位，为事故后续工作展开提供方便。本发明在工作自感知橡胶护舷对船桥碰撞进行缓冲消能，保护桥墩结构安全。
本发明的有益效果为：
1、本发明将桥墩的安全监测与现在的桥墩防护体系结合，在对船桥碰撞缓冲消能、保护桥墩的同时实现对桥墩安全的监测，且不会额外占据航道，不需要过多的、复杂的设备。
2、本发明由于传感器采用橡胶基材料，与橡胶护舷协调性好，且具有廉价易得、高柔性、耐久性好、制备方法简便等优势；制成的自感知橡胶护舷具有对结构简单、造价低、安装维护方便、受环境影响小、可适应各类桥墩形状等特点。
3、本发明在工作状态，由于橡胶基量子隧道效应复合材料的特点，其在未受压时处于绝缘状态，这样如果没有船舶碰撞时，整个传感器是处于断路状态，所以本发明具有节能的优点。
4、本发明在应用时通过自感知橡胶护舷分区布置，可以准确判断船桥碰撞的具体位置，并监测到冲击力的大小，给出损伤预测，为事故后续工作展开提供依据。
附图说明
图1是自感知橡胶护舷的结构示意图。
图2是本发明在桥墩上采用分区布置的示意图。
图3是本发明传感器电阻与撞击力的典型变化关系曲线图。
图4是本发明的工作流程图。
图中：1、自感知橡胶护舷，2、橡胶基碰撞传感器，3、橡胶，4、橡胶基量子隧道效应复合材料，5、上电极，6、下电极，7、导线，8、桥墩，9、监测主机箱，10、桥梁主梁。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中所述橡胶基量子隧道效应复合材料按下述方法制得：将刺球状镍粉(加拿大Inco Ltd.)掺入液态硅橡胶(美国Dow Corning)，搅拌10min后压制成型并硫化，切割成长方形，所述的刺球状镍粉和硅橡胶的质量比为4:1。
实施例1
如图1所示，为自感知橡胶护舷1的结构图，其中橡胶基碰撞传感器2粘贴在橡胶3的表面，将橡胶基碰撞传感器1用强力胶粘贴在橡胶3上，其中橡胶基碰撞传感器2包括橡胶基量子隧道效应复合材料4、上电极5、下电极6，所述的上电极5和下电极6分别通过强力胶粘贴在橡胶基量子隧道效应复合材料4的上下表面，然后喷涂一层密封胶；所述的上电极4和下电极5分别与导线7连接。
如图2所示，自感知橡胶护舷1通过悬浮、粘固、锚定方式安装在桥墩四周。本实施例以粘固方式为例，将自感知橡胶护舷1粘贴在桥墩8周围。自感知橡胶护舷1和监测主机箱9通过导线7相连，监测主机箱9放置于桥梁主梁10上。当发生船桥碰撞事故时，橡胶基碰撞传感器2连同橡胶3通过自身的形变、位移对撞击缓冲和消耗能量，保护桥墩安全；同时监测主机箱9通过甄别发出异常电信号的自感知橡胶护舷1，对碰撞进行精确定位。
如图3所示，其为本实施例传感器撞击力与电阻的典型变化关系曲线图，该变化关系曲线图通过在实验室中测试传感器在不同预设撞击力下的电阻值而得到，可以看出两者变化关系是规律且一一对应的，具体如下式所示
y＝21803*exp(-x/13.4)-1033 (1)
图中横坐标FC、FD分别为最小撞击力警报值和桥墩撞击承载力设计值，依工程实际设计概况而定，纵坐标UC、UD分别为FC、FD对应的传感器电阻值。FC、FD将撞击力大小划分为三个区间，碎石、飞鸟等的撞击不会影响桥墩的正常使用，应置于最小撞击力警报值FC以下，此时不发出警报；当船舶等撞击桥墩时，产生的撞击力大于FC，对桥墩将造成结构性危害，应发出二级警告，并给出撞击力大小；当船舶撞击桥墩产生的撞击力大于桥墩撞击承载力设计值FD时，桥墩存在倒塌危险，桥梁不能正常工作，此时应发出一级警报，给出撞击力大小，提醒采取必要措施，如封锁桥梁、航道等。撞击力和传感器两端电压值也有类似变化规律。因而在实际应用中可通过测试传感器电压、电阻等电信号反推得出撞击力大小。
如图4所示，为本发明的工作流程图。当碰撞发生时，橡胶基碰撞传感器2连同橡胶3通过自身的形变、位移对撞击缓冲消耗，保护桥墩安全。同时，监测主机箱9采集各个橡胶基碰撞传感器2的电信号，可以得到撞击力、撞击位置、撞击面积等碰撞信息，判断桥墩的受损情况。下面，结合一个具体工程算例说明本发明如何在船桥碰撞中得到这些碰撞信息。如图2所示，尺寸为300×1000mm(外侧)的自感知橡胶护舷1以无缝粘固型式布满桥墩表面，桥墩最小撞击力警报值FC为15MPa，撞击承载力设计值FD为25MPa。当发生船桥碰撞时，监测主机箱9首先获得发出异常电信号自感知橡胶护舷1的编号，从而可以得知是哪根桥墩、哪个区域发生了碰撞，实现对碰撞的定位；又显然地，实际船桥碰撞面积必远大于单个自感知橡胶护舷1的尺寸面积(A＝0.3m2)，则可以把发出异常电信号的自感知橡胶护舷1数量与其尺寸面积相乘，作为碰撞区域面积大小；而将电信号具体值带入图3所示关系式(1)可以求得撞击力大小，与FC、FD比较，可以确定桥墩处于何种工作状态，是否应发出警报，应发出何种级别的警报。最后，监测主机箱9可在第一时间将这些碰撞信息以网络信息、手机短信等形式发送到相关人员处，为人员抢救和制定应急措施提供第一手资料，为事故后续工作和桥墩桥梁维修方案提供依据。

Claims (5)

1.一种桥墩船舶撞击监测系统，其特征在于：所述系统包括安装于桥墩上的若干自感知橡胶护舷和监测主机箱；
所述自感知橡胶护舷由橡胶和与其相固定的橡胶基碰撞传感器组成，其中，
所述橡胶基碰撞传感器的主体为电极组件，所述电极组件由上电极、下电极及固定于上电极和下电极之间的橡胶基量子隧道效应复合材料组成，整个电极组件外层包覆密封材料；
所述橡胶基量子隧道效应复合材料按下述方法制得：将刺球状镍粉掺入液态硅橡胶，搅拌5～20min后压制成型并硫化，切割成所需形，所述的刺球状镍粉和硅橡胶的质量比为3:1～5:1。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述监测主机箱与所述自感知橡胶护舷通过有线或无线方式连接；监测主机箱用于采集、分析自感知橡胶护舷传来的电信号，在发生船桥碰撞时监测碰撞荷载大小、碰撞面积大小，并与桥墩抵御撞击力的设计值相比较，给出该次撞击造成的损伤预估，并对碰撞位置进行定位；监测主机箱将上述碰撞信息发送到相关终端。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述橡胶基碰撞传感器以埋入、粘贴、包裹方式与橡胶相固定。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述上电极、下电极用强力胶粘贴在橡胶基量子隧道效应复合材料的上下表面，然后喷涂一层防护密封材料；所述上电极、下电极分别与导线连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述自感知橡胶护舷以悬浮、粘固或锚定方式分别安装在桥墩四周。
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