CN112146587B - 一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法 - Google Patents

一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法 Download PDF

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Abstract

一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法，属于桥梁工程技术领域。本发明解决了现有的桥梁基础冲刷监测技术无法实现可靠、高效、高精度的桥梁基础冲刷深度监测的问题。它包括盖板、下部嵌固单元及固设在盖板与下部嵌固单元之间的冲刷深度监测标准单元，其中所述冲刷深度监测标准单元包括支撑框架及设置在支撑框架内的光纤振弦，光纤振弦的上下两端均与支撑框架固接，且光纤振弦上由上到下均布有若干多面体质量块，光纤振弦的上部设置有光栅。通过本申请的桥梁基础冲刷监测传感器实现对桥梁基础水流冲刷深度长时间的实时监测，与现有技术相比，监测效率及可靠性更高。

Description

一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法，属于桥梁工程技术领域。
背景技术
桥梁是交通运输网络中的重要节点，其结构安全对于保障交通运输网络畅通具有重要的意义。桥梁基础冲刷是造成桥梁毁坏的主要原因之一。据美国统计的1989-2000年期间结构失效的503座桥梁中，超过50％桥梁结构损伤或者失效由桥梁基础冲刷引起。此外，由于桥梁基础冲刷是发生在水面之下，人们难以直接观测到；因此，桥梁基础冲刷所导致桥梁失效甚至倒塌往往具有突发性和灾难性的特点。由此可见，研发能够准确监测桥梁基础冲刷深度的监测技术，具有极为重要的现实意义。
国内外众多学者提出了许多基于不同监测原理的桥梁基础冲刷监测技术。主要包括：浮力驱动式冲刷监测技术、重力驱动式冲刷监测技术、基于电导率测量的冲刷监测技术、基于声呐的冲刷监测技术、基于雷达的冲刷监测技术、基于光纤布拉格光栅(FBG)的冲刷监测技术。浮力驱动式和重力驱动式冲刷监测技术为一次性监测方法，无法对监测桥梁基础的冲刷、回冲、再冲刷的复杂过程进行有效监控。基于电导率测量的冲刷监测技术，需要监测装置紧贴桥墩安装，且测量精度受水流和水中杂质影响。基于声呐和雷达的冲刷监测技术，其监测信号分析技术复杂，且冲刷深度监测精度易受水流温度、流速、水中杂质等多种因素影响，特别是在桥梁冲刷极易发生的洪水暴发阶段难以对桥梁基础冲刷进行有效监测。基于光纤布拉格光栅(FBG)的冲刷监测技术是将布拉格光栅贴于一根插入河床底的悬臂杆上；当河流冲刷致使悬臂杆嵌固深度发生改变，布拉格光栅通过测量悬臂杆应变反映河床冲刷情况；这种方法的冲刷深度监测精度由布拉格光栅分布空间距离决定，难以实现冲刷深度的高精度测量。由上述分析可见，国内外至今尚无可靠、高效、高精度的桥梁基础冲刷深度监测技术。
发明内容
本发明是为了解决现有的桥梁基础冲刷监测技术无法实现可靠、高效、高精度的桥梁基础冲刷深度监测的问题，进而提供了一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种桥梁基础冲刷监测传感器，它包括盖板、下部嵌固单元及固设在盖板与下部嵌固单元之间的冲刷深度监测标准单元，其中所述冲刷深度监测标准单元包括支撑框架及设置在支撑框架内的光纤振弦，光纤振弦的上下两端均与支撑框架固接，且光纤振弦上由上到下均布有若干多面体质量块，光纤振弦的上部设置有光栅。
进一步地，所述冲刷深度监测标准单元的数量为若干个，若干冲刷深度监测标准单元由上到下依次首尾固接且相互之间串联连接。
进一步地，冲刷深度监测标准单元的数量与其高度的乘积大于或等于冲刷最大监测深度。
进一步地，每个冲刷深度监测标准单元中的多面体质量块的数量加一后所得数值，与冲刷深度监测精度的乘积，大于冲刷深度监测标准单元的高度。
进一步地，所述下部嵌固单元包括由上到下依次固接的圆柱段及圆锥段，圆锥段的大端与圆柱段的底端一体固接。
进一步地，所述光纤振弦包括钢缆、光纤及高分子外部保护套，所述钢缆与所述光纤粘接，所述高分子外部保护套套装在钢缆与光纤外部。
进一步地，所述钢缆为不锈钢钢缆。
进一步地，所述支撑框架包括上下布置的两个隔板以及固设在两个隔板之间的若干立柱，光纤振弦位于若干立柱合围区域内。
进一步地，立柱的数量为三个，且沿圆周方向均布在两个隔板之间。
一种桥梁基础冲刷监测传感器的监测数据分析方法，它包括如下步骤：
步骤一、将冲刷监测传感器以打桩方式安放于桥梁基础冲刷监测位置，并将冲刷监测传感器通过铠装光缆与安置在桥墩或者桥梁上的光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪通过对光谱分析，获得冲刷监测传感器中光栅测量得到的光纤振弦应变响应；
步骤二、在假设淤泥对其所掩埋光纤振弦起到嵌固作用的条件下，根据冲刷深度达到冲刷深度监测标准单元中每一个多面体质量块的对应位置，建立不同冲刷深度情况下考虑淤泥嵌固作用的光纤振弦动力学模型；
步骤三、针对步骤二中所建立的光纤振弦动力学模型，计算不同冲刷深度情况下的光纤振弦自振频率；
步骤四、根据步骤三的结果，绘制淤泥嵌固深度与光纤振弦自振频率的关系曲线，从而建立不同桥梁基础冲刷深度与光纤振弦自振频率的对应关系模型；
步骤五、采用光纤振弦上的光栅测量光纤振弦应变时程响应，采用滑动窗口对连续监测的应变时程响应进行分段分析，当光栅测量的应变中动应变响应很小时，判断为桥梁基础冲刷未发展到对应的冲刷深度监测标准单元埋深深度；
步骤六、当光栅测量的应变中存在明显的动应变响时，对动应变响应进行傅里叶变化，提取傅里叶响应峰值，识别光纤振弦自振频率；
步骤七、结合步骤六中识别的光纤振弦自振频率结果与步骤三中建立的不同冲刷深度与光纤振弦自振频率的对应关系模型，确定桥梁基础冲刷深度。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
通过本申请的桥梁基础冲刷监测传感器实现对桥梁基础水流冲刷深度长时间的实时监测，与现有技术相比，监测效率及可靠性更高。
本申请中光纤振弦的自振频率会随着桥梁基础冲刷深度增加而逐渐下降，因此冲刷深度监测标准单元对桥梁基础冲刷深度有较高的识别精度。
光纤振弦下半部分在淤泥中的嵌固力主要是由多面体质量块提供，因此改变多面体质量块的间隔距离可以调整冲刷深度监测标准单元的冲刷深度监测精度。
附图说明
图1为基于本申请的桥梁基础冲刷监测传感器的监测系统构成示意图；
图2为本申请的桥梁基础冲刷监测传感器的立体结构示意图；
图3为冲刷深度监测标准单元的立体结构示意图；
图4为光纤振弦横截面示意图；
图5为冲刷深度监测标准单元监测原理示意图；
图6为冲刷深度监测标准单元动力学模型示意图；
图7中(a)、(b)、(c)、(d)为冲刷深度监测标准单元在不同冲刷深度的情况下动力学模型图，其中图7(a)中冲刷深度L为25cm，图7(b)中冲刷深度L为50cm，图7(c)中冲刷深度L为75cm，图7(d)中冲刷深度L为100cm，；
图8为冲刷深度与光纤振弦自振频率的对应关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～6说明本实施方式，一种桥梁基础冲刷监测传感器，它包括盖板1、下部嵌固单元2及固设在盖板1与下部嵌固单元2之间的冲刷深度监测标准单元3，其中所述冲刷深度监测标准单元3包括支撑框架31及设置在支撑框架31内的光纤振弦32，光纤振弦32的上下两端均与支撑框架31固接，且光纤振弦32上由上到下均布有若干多面体质量块33，光纤振弦32的上部设置有光栅34。
冲刷深度监测标准单元3为本申请传感器的核心部件。基于冲刷深度监测标准单元3形成一个智能光纤振弦系统，实现对于桥梁基础冲刷深度的有效监测。
本申请采用打桩方式，将传感器直接埋设于桥梁基础附近的河床4内进行桥梁基础冲刷深度监测。下部嵌固单元2将传感器固定在河床4淤泥内，保证发生冲刷时传感器不会被水流冲倒，因此该传感器可以用于桥梁基础冲刷、回冲、再冲刷的全过程监测。冲刷深度监测标准单元3用于测量河床4淤泥冲刷深度。盖板1用于承担上部打桩作用力。
通过支撑框架31固定光纤振弦32。
通过本申请的桥梁基础冲刷监测传感器实现对桥梁基础水流冲刷深度长时间的实时监测。
工作原理：
当桥梁基础冲刷未发展到冲刷深度监测标准单元3的埋深深度时，光纤振弦32受河床4淤泥约束无法产生振动，光栅34也就无法监测到光纤振弦32振动所产生的动应变信号。当桥梁基础冲刷发展到冲刷深度监测标准单元3的埋深深度时，光纤振弦32的上半部分32-1的淤泥开始被流水冲刷走，而未冲走的淤泥对于光纤振弦32的下半部分32-2仍然产生约束作用；光纤振弦32的上半部分32-1上布设的多面体质量块33在与流水相互作用下，使光纤振弦32的上半部分32-1产生振动，该振动所产生光纤振弦32动应变由光栅34进行测量，并通过分析光栅34测量的动应变数据获得在光纤振弦32的下半部分32-2受淤泥约束条件下的光纤振弦32自振频率。当桥梁基础冲刷深度逐渐发展后，光纤振弦32的下半部分32-2受淤泥约束部分长度逐渐减小，光纤振弦32的上半部分32-1长度逐渐增加而导致光纤振弦32自振频率逐渐下降。因此，通过由光栅34测量动应变数据分析得到的光纤振弦32自振频率，可以求得光纤振弦32的下半部分32-2受淤泥约束部分长度，从而获得桥梁基础冲刷深度。
本申请中光纤振弦32的自振频率会随着桥梁基础冲刷深度增加而逐渐下降，因此冲刷深度监测标准单元3对桥梁基础冲刷深度有较高的识别精度。
光纤振弦32下半部分32-2在淤泥中的嵌固力主要是由多面体质量块33提供，因此改变多面体质量块33的间隔距离可以调整冲刷深度监测标准单元3的冲刷深度监测精度。
通过设置若干多面体质量块33，使其能够起到如下作用：
一、当桥梁基础冲刷发展到冲刷深度监测标准单元3的埋深深度时，多面体质量块33能够增加未受淤泥约束的光纤振弦32的上半部分32-1与水流的相互作用，增加光纤振弦32振动幅度，以便于光栅34更为准确地测量光纤振弦32应变响应；
二、增加光纤振弦32的下半部分32-2在淤泥中的嵌固力，从而使光纤振弦32自振频率变化具有明显的阶跃性，便于通过分析能光纤振弦32自振频率，识别桥梁基础冲刷深度；
三、对多面体质量块33的质量分布可以进行优化设计，提升光纤振弦32自振频率变化对桥梁基础刷深度变化(即淤泥埋深深度变化)的灵敏度，从而提升桥梁基础刷深度监测的准确性。
所述冲刷深度监测标准单元3的数量为若干个，若干冲刷深度监测标准单元3由上到下依次首尾固接且相互之间串联连接。若干冲刷深度监测标准单元3串联连接，在不影响到冲刷深度监测精度的条件下，扩大冲刷监测传感器的桥梁基础冲刷深度监测范围。避免了因单个冲刷深度监测标准单元3高度较长，导致的光纤振弦32受水流冲击力过大而容易产生破坏的问题。
冲刷深度监测标准单元3的数量与其高度的乘积大于或等于冲刷最大监测深度。即冲刷深度监测标准单元的数量由冲刷监测最大深度与冲刷深度监测标准单元高度共同决定。
每个冲刷深度监测标准单元3中的多面体质量块33的数量加一后所得数值，与冲刷深度监测精度的乘积，大于冲刷深度监测标准单元的高度。即每个冲刷深度监测标准单元3中的多面体质量块33的数量，由冲刷深度监测标准单元的高度与冲刷深度监测精度共同决定。
所述下部嵌固单元2包括由上到下依次固接的圆柱段及圆锥段，圆锥段的大端与圆柱段的底端一体固接。便于打桩。
所述光纤振弦32包括钢缆32-3、光纤32-4及高分子外部保护套32-5，所述钢缆32-3与所述光纤32-4粘接，所述高分子外部保护套32-5套装在钢缆32-3与光纤32-4外部，钢缆32-3与光纤32-4之间通过化学试剂进行粘接。高分子外部保护套32-5对钢缆32-3及光纤32-4进行保护，避免受到流水侵蚀。通过改变钢缆32-3拉力可以调整光纤振弦32自振频率。
所述钢缆32-3为不锈钢钢缆。
所述支撑框架31包括上下布置的两个隔板31-1以及固设在两个隔板31-1之间的若干立柱31-2，光纤振弦32位于若干立柱31-2合围区域内。所述隔板31-1为刚性隔板。
立柱31-2的数量为三个，且沿圆周方向均布在两个隔板31-1之间。
一种桥梁基础冲刷监测传感器的监测数据分析方法，它包括如下步骤：
步骤一、将冲刷监测传感器以打桩方式(或者其它方式)安放于桥梁基础冲刷监测位置，并将冲刷监测传感器通过铠装光缆5与安置在桥墩6或者桥梁上的光纤光栅解调仪7相连，光纤光栅解调仪7通过对光谱分析，获得冲刷监测传感器中光栅34测量得到的光纤振弦32应变响应；
步骤二、在假设淤泥对其所掩埋光纤振弦(32-2)起到嵌固作用的条件下，根据冲刷深度达到冲刷深度监测标准单元中每一个多面体质量块的对应位置，建立不同冲刷深度情况下考虑淤泥嵌固作用的光纤振弦(32)动力学模型；
步骤三、针对步骤二中所建立的光纤振弦32动力学模型，(采用伽辽金方法或者其它方法)计算不同冲刷深度情况下的光纤振弦32自振频率；该光纤振弦32自振频率考虑淤泥嵌固作用；
步骤四、根据步骤三的结果，绘制淤泥嵌固深度(即桥梁基础冲刷深度)与光纤振弦32自振频率的关系曲线，从而建立不同桥梁基础冲刷深度与光纤振弦32自振频率的对应关系模型；
步骤五、采用光纤振弦32上的光栅34测量光纤振弦32应变时程响应，采用滑动窗口对连续监测的应变时程响应进行分段分析，当光栅34测量的应变中动应变响应很小时，判断为桥梁基础冲刷未发展到对应的冲刷深度监测标准单元3埋深深度；
步骤六、当光栅34测量的应变中存在明显的动应变响时，对动应变响应进行傅里叶变化，提取傅里叶响应峰值，识别光纤振弦32自振频率；
步骤七、结合步骤六中识别的光纤振弦32自振频率结果与步骤三中建立的不同冲刷深度与光纤振弦32自振频率的对应关系模型，确定桥梁基础冲刷深度。
桥梁基础冲刷监测传感器的设计制作方法包括如下步骤：
步骤一、根据桥梁基础冲刷风险，确定桥梁基础冲刷监测传感器的布设位置、冲刷深度监测范围及冲刷深度监测精度，这些参数对于不同桥梁的要求是不一致的，其是冲刷传感器设计的输入变量；
步骤二、冲刷深度监测标准单元3高度选择，应考虑光纤振弦所承受水流冲击，避免光纤振弦因所受水流冲击力过大。因此，冲刷深度监测标准单元3的高度不宜过长。实际应用中，冲刷深度监测标准单元3高度可以选为1～1.5米。
步骤三、根据步骤一中确定的冲刷深度监测范围要求，确定冲刷深度监测标准单元3串联连接的数量；
步骤四、根据步骤一中确定的冲刷深度监测精度要求，确定光纤振弦32上的多面体质量块33的布设间距，进而确定单个冲刷深度监测标准单元上布置的多面体质量块的数量；(可对多面体质量块33质量分布进行优化设计；)
步骤五、当覆盖在所有冲刷深度监测标准单元3上的河底淤泥都被冲刷走的情况下，根据流体力学计算作用在冲刷深度监测标准单元3支撑框架上的最大水流冲击力，从而设计传感器下部嵌固单元2的长度。保证当桥梁基础冲刷发展到冲刷监测传感器所设计的最大监测深度时，传感器不会被水流冲倒。
具体实施方式二：结合图1～8说明本实施方式，
步骤一、根据桥梁基础冲刷风险分析报告，确定需要进行桥墩冲刷监测的位置，以及最大冲刷监测深度和冲刷深度监测精度。本实施方式中，设最大冲刷监测深度为2米，冲刷深度监测精度为0.25米。
步骤二、冲刷深度监测标准单元3高度选为1米。
步骤三、根据冲刷深度监测标准单元数量与其高度的乘积应大于或等于冲刷最大监测深度的要求，确定冲刷深度监测标准单元的串联数量。采用2个冲刷深度监测标准单元串联连接，可以满足2米的最大冲刷监测深度的要求。
步骤四、确定冲刷深度监测标准单元3中光纤振弦上多面体质量块数量。由于监测冲刷深度精度要求为0.25米，则相邻多面体质量块的距离应不大于0.25米，由此可知每个冲刷深度监测标准单元中光纤振弦上应至少设置3个多面体质量块，可以满足监测冲刷深度精度要求。在本实施例中，每个冲刷深度监测标准单元中光纤振弦上的多面体质量块数量为3个。
步骤五、根据冲刷传感器支撑框架构件截面的迎水面积，按照流体力学计算在当覆盖在所有冲刷深度监测标准单元上的河底淤泥都被流水冲刷走的条件下，冲刷传感器所承受的最大水流冲击力。根据该冲击力，并结合土力学单桩水平承载力设计方法，确定传感器下部嵌固单元2的长度。在本实施例中，传感器下部嵌固单元2的长度取为1米。
步骤六、建立冲刷深度监测标准单元3中光纤振弦频率与淤泥埋深之间的关系。对于安装3个多面体质量块的光纤振弦，考虑4种淤泥埋深情况，如图7所示。对于每一种埋深情况，在假设淤泥对质量块具有完全嵌固作用的条件下，建立光纤振弦动力模型。在本实施例中，冲刷深度监测标准单元3的参数选择如下：单元高度为1m，光纤振弦质量为0.4kg/m，多面体质量块的质量为0.1kg，光纤振弦拉力为10N。采用动力学方法计算每种淤泥埋深(冲刷深度)情况下对应的光纤振弦自振频率。根据计算结果，绘制冲刷深度与光纤振弦自振频率的对应关系图8。
步骤七、按照上述设计的冲刷传感器主要参数，进行传感器细部设计和制作。将冲刷传感器以打桩或者其它的方式，埋设至桥梁基础冲刷监测处。将冲刷传感器光纤通过铠装光缆与桥墩上的光纤光栅解调仪连接。
步骤八、采用光纤光栅解调仪测量冲刷深度监测标准单元3中光纤振弦的应变时程响应。当光栅测量的应变中动应变响应很小时，判断为桥梁基础冲刷未发展到对应的冲刷深度监测标准单元埋深深度。
步骤九、当光栅测量的应变中存在明显的动应变响时，对动应变响应进行傅里叶变化，提取傅里叶响应峰值，识别光纤振弦自振频率。
步骤十、结合步骤五中获得的光纤振弦自振频率与冲刷深度的对应关系模型，确定桥梁基础冲刷深度。

Claims (9)

1.一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：它包括盖板(1)、下部嵌固单元(2)及固设在盖板(1)与下部嵌固单元(2)之间的冲刷深度监测标准单元(3)，其中所述冲刷深度监测标准单元(3)包括支撑框架(31)及设置在支撑框架(31)内的光纤振弦(32)，光纤振弦(32)的上下两端均与支撑框架(31)固接，且光纤振弦(32)上由上到下均布有若干多面体质量块(33)，光纤振弦(32)的上部设置有光栅(34)；所述冲刷深度监测标准单元(3)的数量为若干个，若干冲刷深度监测标准单元(3)由上到下依次首尾固接且相互之间串联连接。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：冲刷深度监测标准单元(3)的数量与其高度的乘积大于或等于冲刷最大监测深度。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：每个冲刷深度监测标准单元(3)中的多面体质量块(33)的数量加一后所得数值，与冲刷深度监测精度的乘积，大于冲刷深度监测标准单元的高度。
4.根据权利要求3所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：所述下部嵌固单元(2)包括由上到下依次固接的圆柱段及圆锥段，圆锥段的大端与圆柱段的底端一体固接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：所述光纤振弦(32)包括钢缆(32-3)、光纤(32-4)及高分子外部保护套(32-5)，所述钢缆(32-3)与所述光纤(32-4)粘接，所述高分子外部保护套(32-5)套装在钢缆(32-3)与光纤(32-4)外部。
6.根据权利要求5所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：所述钢缆(32-3)为不锈钢钢缆。
7.根据权利要求6所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：所述支撑框架(31)包括上下布置的两个隔板(31-1)以及固设在两个隔板(31-1)之间的若干立柱(31-2)，光纤振弦(32)位于若干立柱(31-2)合围区域内。
8.根据权利要求7所述的一种桥梁基础冲刷监测传感器，其特征在于：立柱(31-2)的数量为三个，且沿圆周方向均布在两个隔板(31-1)之间。
9.一种采用上述权利要求1～8中任一权利要求所述桥梁基础冲刷监测传感器的监测数据分析方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、将冲刷监测传感器以打桩方式安放于桥梁基础冲刷监测位置，并将冲刷监测传感器通过铠装光缆(5)与安置在桥墩(6)或者桥梁上的光纤光栅解调仪(7)相连，光纤光栅解调仪(7)通过对光谱分析，获得冲刷监测传感器中光栅(34)测量得到的光纤振弦(32)应变响应；
步骤二、在假设淤泥对其所掩埋光纤振弦起到嵌固作用的条件下，根据冲刷深度达到冲刷深度监测标准单元中每一个多面体质量块的对应位置，建立不同冲刷深度情况下考虑淤泥嵌固作用的光纤振弦动力学模型；
步骤三、针对步骤二中所建立的光纤振弦(32)动力学模型，计算不同冲刷深度情况下的光纤振弦(32)自振频率；
步骤四、根据步骤三的结果，绘制淤泥嵌固深度与光纤振弦(32)自振频率的关系曲线，从而建立不同桥梁基础冲刷深度与光纤振弦(32)自振频率的对应关系模型；
步骤五、采用光纤振弦(32)上的光栅(34)测量光纤振弦(32)应变时程响应，采用滑动窗口对连续监测的应变时程响应进行分段分析，当光栅(34)测量的应变中动应变响应很小时，判断为桥梁基础冲刷未发展到对应的冲刷深度监测标准单元(3)埋深深度；
步骤六、当光栅(34)测量的应变中存在明显的动应变响时，对动应变响应进行傅里叶变化，提取傅里叶响应峰值，识别光纤振弦(32)自振频率；
步骤七、结合步骤六中识别的光纤振弦(32)自振频率结果与步骤三中建立的不同冲刷深度与光纤振弦(32)自振频率的对应关系模型，确定桥梁基础冲刷深度。
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