CN114775575B - 局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法 - Google Patents

局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法，能够对局部冻胀进行精准加热，并大大缩减用电量。本发明提供的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于，包括：壳体，包括多个沿着横向和纵向排列的安装格；和位移感知温控部，安装在壳体中，包括多个监控单元；每个监控单元安装在一个安装格中，包括：设置在安装格一侧边部中、监测位移变化的位移感知件，围绕且位于安装格其余边部中、在位移变化达到局部冻胀发生条件时进行加热的发热线；在行、列上相邻的任意两个监控单元均间隔至少一个安装格。

Description

局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法
技术领域
本发明属于局部冻胀防护技术领域，具体涉及一种局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法。
背景技术
合成材料作为一种良好的建筑材料被应用于岩土工程，其最初始的作用便是作为加筋材料应用于公路、铁路、机场的路基增强和路面增强，也适用于铁路公路的边坡防护。其施工方便、经济实惠的特点受到土木工程领域的一片青睐。但随着土木工程领域的发展，所需的合成材料要求也是越来越严格。
在冻土地区，例如，我国的华北地区、新疆和藏南部地区及东北南部地区，累年最冷月平均温度均在0℃以下。在这种寒冷地域，由于温度较低，经常遇到土体冻胀致使构筑物(公路、铁路、埋地涵洞等)寿命受到严重的威胁及相关冻害影响，此种冻害影响中，最为显著的就是局部冻胀，对于此类情况，目前一般通过大面积加热来进行对应，但施加整片地带的发热会造成大面积的电力资源浪费。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法，能够对局部冻胀进行精准加热，并大大缩减用电量，节约能耗。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<结构>
本发明提供一种局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于，包括：壳体，包括多个沿着横向和纵向排列的安装格；和位移感知温控部，安装在壳体中，包括多个监控单元；每个监控单元安装在一个安装格中，包括：设置在安装格一侧边部中、监测位移变化的位移感知件，围绕且位于安装格其余边部中、在位移变化达到局部冻胀发生条件时进行加热的发热线；在行、列上相邻的任意两个监控单元均间隔至少一个安装格。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：每个安装格均为矩形框状结构，中部区域镂空，发热线呈C型围绕安装格的三侧边设置，位移感知件设置在第四个边中。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：在壳体对应局部冻胀的主体区域上：每行每列都对应安装有多个监控单元，行、列上相邻的任意两个监控单元均间隔一个安装格，将监控单元中位移感知件所在的一侧记为开口侧，则在相邻列和行上，监控单元的开口侧相对向。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：相邻安装格可拆卸相连。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：壳体还包括形成在主体区域上的多个导线通道，将相邻安装格相交处记为节点，各个导线通道的一端与安装格上开口侧对应的一个节点相连通，另一端向上延伸，使监控单元中发热线和位移感知件的两端的导线都能从中引出；相邻开口侧共有一个节点，共用一个导线通道。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：安装格的边长尺寸根据冻土环境确定，寒季平均低温在0～-5℃边长设置为12cm，寒季平均低温在-5～-10℃凹槽间距设置为10cm，寒季平均低温在-10～-20℃凹槽间距设置为8cm。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有包括：控制部，与位移感知温控部通信相连，控制各个监控单元的运行；其中，控制部获取每个监控单元中位移感知件监测的位移量信息，并在位移量超过第一阈值时，将该监控单元及周围距离该监控单元最近的N个监控单元作为局部冻胀判断对象，确定这N+1个监控单元中最大和最小位移量，并计算两者差值，然后将差值与第二阈值进行比较：若比较结果为差值不超过第二阈值，判断为发生了整体冻胀，不需要进行加热；若比较结果为差值超过第二阈值，判断为对应最大位移量的监控单元处发生了局部冻胀，启动该监控单元的发热线进行加热，在加热一定时间后进一步将该监控单元当前的位移量与第一阈值进行比较，若当前的位移量未超过第一阈值，则停止加热，若当前的位移量仍超过第一阈值，则以该监控单元为加热中心，控制周围距离该监控单元最近的N个监控单元中的发热线启动，进行协同加热；N为不小于2的正整数。这样对局部冻胀防控效果更好。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：控制部根据用户设定的不同监控级别区域，按照相应级别区域的第一阈值、第二阈值和加热时间对各个区域进行相应的监控，每个级别区域的第一阈值、第二阈值和加热时间不完全相同。这样可以有针对性的对特定区域进行更为严格的监控和防护。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：发热线能够进行两档加热，在控制部判断为发生局部冻胀的情况下，控制发热线进行第二档加热，在加热一定时间后，若当前的位移量仍超过第一阈值，则以该监控单元为加热中心，控制周围距离该监控单元最近的N个监控单元中的发热线进行第一档加热；第一档加热的发热量小于第二档加热的发热量。这样协同加热，能够更快消除局部冻胀，并有效预防周围区域局部冻胀扩展。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：N＝安装格的边数。
优选地，本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构，还可以具有这样的特征：位移感知件和发热件与控制部通信相连，控制部将各个监控单元进行编号，并将各个监控单元与其所对应的冻土位置进行对应，能够将监控情况在冻土模型图上进行对应显示。
<方法>
进一步，本发明还提供了前述<结构>的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制做模具：底模包括平台平面和在平台上挖出的纵横交错的凹槽，凹槽横向以及纵向间隔排列布置，形成相连凹槽之间围成格子状，顶模以同等方式挖出凹槽，且在部分凹槽交叉结点处钻出竖向贯通孔道，该贯通孔道贯穿顶模；
步骤二、设置监控单元：将位移感知件和发热线对应参照底模凹槽中的格子形状和尺寸摆放，使位移感知件对应围成格子的一边凹槽，发热线对应围成格子的其余各边凹槽，并将位移感知件和发热线的正负极分别连接导线，形成一个监控单元；重复前述过程，形成多个监控单元；
步骤三、向底模中倒入环氧树脂胶，使环氧树脂均匀流入凹槽，等待环氧树脂胶由液态进入可塑性形态时将步骤二中摆放好的监控单元放入凹槽中；等待环氧树脂胶进入固态后盖上顶模，且导线由贯通孔道穿过顶模，从贯通孔道注入环氧树脂胶，待其固化好后拆模形成环氧树脂胶壳体包裹住的位移感知温控部；
步骤四、将发热线用导线连接到控制终端，将位移感知件连接到静态应变测试系统，且静态应变测试系统连接到数据采集终端。
发明的作用与效果
本发明所提供的局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法，由于具有以上特征，监控单元独立、间隔布设，且通过位移感知件能够监测所其安装位置土体的位移变化，发热线配合位移感知件围绕安装格的边设置，形成加热圈，在通过位移变化确定发生了局部冻胀时即可以采用发热线对局部冻胀区域进行精准加热，对不会破坏整体结构的整体冻胀不加热，大大节约能源并且使用年限更久。非常适用于涵洞，边坡以及公路等构筑物局部冻胀的防护。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的局部冻胀位移感知温控结构的结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的监控单元的结构示意图；
图3是本发明实施例涉及的局部冻胀位移感知温控结构的平面简示图；
图4是本发明实施例涉及的另一局部冻胀位移感知温控结构的平面简示图；
图5是本发明实施例涉及的底模的结构示意图；
图6是本发明实施例涉及的顶模的结构示意图；
图7是本发明实施例涉及的顶模的剖视图。
图中：10-局部冻胀位移感知温控结构；20-壳体；21-安装格；22-导线通道；30-位移感知温控部；31-监控单元；31a-位移感知件；31b-发热件；31c-导线；40-模具；41-底模；42-顶模；43-凹槽；10’-另一种局部冻胀位移感知温控结构。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法作详细阐述。
<实施例>
如图1～3所示，本实施例所提供的局部冻胀位移感知温控结构10包括壳体20、位移感知温控部30和控制部(图中未显示)。
壳体20包括多个安装格21和多个导线通道22。如图1和3所示，本实施例中，安装格21共有三十六个，导线通道22共有十个。
各安装格21在平面上沿着横向和纵向依次排列，形成框网结构。安装格21的边长尺寸根据冻土环境确定，寒季平均低温在0～-5℃边长设置为12cm，寒季平均低温在-5～-10℃凹槽间距设置为10cm，寒季平均低温在-10～-20℃凹槽间距设置为8cm。将相邻安装格21相交处记为节点，框网结构位于最外圈(最外一圈安装格21)以内的主体部分作为安装区域。
十个导线通道22分成两列间隔形成在安装区域的节点上(按从左至右、从上至下顺序看，安装在框网结构第三列和第五列中第二至六行的十个节点上)，相邻列之间间隔一列节点(间隔第四列节点)。导线通道22的下端与节点相连通，上端向上延伸，使监控单元导线能从中引出。
位移感知温控部30安装在壳体20中，它包括多个监控单元31。每个监控单元31安装在一个安装格21中。在壳体20对应局部冻胀的主体区域上，每行每列都对应安装有多个监控单元31，行、列上相邻的任意两个监控单元31均间隔一个安装格21。本实施例中，监控单元31共有八个。
如图2所示，监控单元31包括位移感知件31a和发热件31b。位移感知件31a设置在安装格21一侧边部中，用于监测位移变化；本实施例中，位移感知件31a为应变片。发热件31b围绕且位于安装格21其余边部中，在位移变化达到局部冻胀发生条件时进行加热；本实施例中，发热件31b为碳纤维发热线，且能够进行两档加热，第一档加热的发热量小于第二档加热的发热量。
如图1～2所示，本实施例中，每个安装格21均为正方形框状结构，中部区域镂空，发热件31b呈C型围绕安装格21的三侧边设置，位移感知件31a设置在第四个边中。将监控单元31中位移感知件31a所在的一侧记为开口侧，则在相邻行、列安装格21上，监控单元31的开口侧相对向。相邻开口侧共有一个节点，共用一个导线通道22。各位移感知件31a和发热件31b的两端分别与导线31c连接，并由导线通道22引出，但位移感知件31a与发热件31b不互连，各位移感知件31a并联，各发热件31b并联。
控制部与位移感知温控部30通信相连，控制各个监控单元31的运行。具体地，控制部获取每个监控单元31中位移感知件31a监测的位移量信息，并在位移量超过第一阈值时，将该监控单元31及周围距离该监控单元31最近的N个监控单元31作为局部冻胀判断对象，确定这N+1个监控单元31中最大和最小位移量，并计算两者差值，然后将差值与第二阈值进行比较：若比较结果为差值不超过第二阈值，判断为发生了整体冻胀，不需要进行加热；若比较结果为差值超过第二阈值，判断为对应最大位移量的监控单元31处发生了局部冻胀，启动该监控单元31的发热件31b进行第二加热，在加热一定时间后进一步将该监控单元31当前的位移量与第一阈值进行比较，若当前的位移量未超过第一阈值，则停止加热，若当前的位移量仍超过第一阈值，则以该监控单元31为加热中心，控制周围距离该监控单元31最近的N个监控单元31中的发热件31b启动第一档加热，进行协同加热。N＝安装格21的边数＝4。例如，当土体局部冻胀位移达到B时，公路就能造成开裂损害，可将第一阈值设置为B/4，第二阈值设置为B/6。
如图3所示，将发热件31b以两条斜线所示的尖角表示，尖角的开口侧对应监控单元31的开口侧，得到对应于图1所示局部冻胀位移感知温控结构10三维结构的平面简示图。在控制部判断为发生局部冻胀的情况下，例如A3-3安装格(第3行-第3列的安装格)发生局部冻胀，控制其对应的发热件31b进行第二档加热，对应图中内圈所示的A3-3安装格区域被加热，在加热一定时间后，若当前的位移量仍超过第一阈值，则以该监控单元31为加热中心，控制周围距离该监控单元31最近的N个监控单元31(对应图中A2-2、A2-4、A4-2、A4-4四个安装格)的发热件31b进行第一档加热，内外圈协同工作。
进一步，为了对结构进行性能测试，将上述结构进一步扩展成图4所示结构，各部分形状、结构、设置方式均与前述局部冻胀位移感知温控结构10一致，仅数量增多，形成局部冻胀位移感知温控结构10’。
取间距为10cm且平面布置1.44平方米(仅作试例)，则横向以及纵向均有十二格，则总计共五十个独立的发热件31b，一个发热件31b有30cm长的碳纤维发热线。假设电阻为“1”，设一档通入电流为“1”二档通入电流为“2”，通电时间均为1h。根据焦耳定律：Q＝I2RT,Q为总功，I为电流，R为电阻，T为时间。在碳纤维发热线规格、发热量相同的情况下，进行比较：
一般碳纤维发热格栅，设均为一档发热，通入电流为“1”(考虑最节能情况)：Q＝50*I2RT＝50*12*1*1＝50J。
本发明针对局部冻胀，中心位置为2挡发热，通入电流为“2”，四周通入电流为“1”，一个局部冻胀范围为0.09m2。
产生一个局部冻胀(例如图4中A3-3)：
Figure BDA0003639723420000071
Figure BDA0003639723420000072
采用本发明方案节能约84％。
产生两个局部冻胀(例如图4中A3-3和A10-8安装格)：Q2＝2Q1＝16J，采用本发明方案节能约68％。
且内外圈协同发热效果比全部均等发热针对冻胀部分更好。
进一步，如图5～7所示，本实施例还提供了以上局部冻胀位移感知温控结构10的制备方法：
步骤一、制做模具40：底模41包括木质平台平面和在平台上挖出的纵横交错的凹槽43，凹槽43横向以及纵向间隔排列布置，形成相连凹槽43之间围成格子状，凹槽43横向以及纵向等间距列阵排列布置，凹槽43截面为半圆形，且每排以及每列凹槽43间距相等，从节点处所钻通的竖向贯通孔道44半径与结点半径相等。且在部分凹槽43交叉结点处钻出竖向贯通孔道44，该贯通孔道44贯穿顶模42；顶模42以同等方式挖出凹槽43；为了方便脱模，在凹槽43内薄刷一层JC7028环氧树脂脱模剂。模具中每排以及每列间距根据碳纤维发热线边长进行调整，应变片短边长度与凹槽43直径的比例关系控制为1：2～3，应变片长边长度与相邻平行凹槽43间距的比例关系控制为1：2～2：3。模具线条粗细根据碳纤维发热线规格和应变片尺寸的变化进行调整。本实施例中，碳纤维边长为10cm，直径0.6cm，凹槽43直径为1cm。
步骤二、设置监控单元31：将位移感知件31a和发热件31b对应参照底模41凹槽43中的格子形状和尺寸摆放，使位移感知件31a对应围成格子的一边凹槽43，发热件31b对应围成格子的其余各边凹槽43，并将位移感知件31a和发热件31b的正负极分别连接导线31c，形成一个监控单元31；重复前述过程，形成多个监控单元31；本实施例中，C型碳纤维发热线三边长相等，且三边首尾相连为一个整体，碳纤维发热线与应变片不连接；碳纤维发热线和应变片以正方形规格摆放，且三相邻边为碳纤维发热线，其形状为C型，其余一边为应变片，将碳纤维发热线和应变片正负极分别连接导线31c。
步骤三、向底模41中倒入环氧树脂胶，使环氧树脂均匀流入凹槽43，等待环氧树脂胶由液态进入可塑性形态时将步骤二中摆放好的监控单元31放入凹槽43中；等待环氧树脂胶进入固态后盖上顶模42，且导线31c由贯通孔道穿过顶模42，从贯通孔道注入环氧树脂胶，待其固化好后拆模形成环氧树脂胶壳体20包裹住的位移感知温控部30。
本实施例中，环氧树脂胶由两部分组成，分别是基于双酚二缩水甘油醚的水性环氧树脂乳液(A胶)和基于氨基酰胺的固化剂(B胶)。且按照配比A胶：B胶2：1～4：1混合制成。
监控单元31摆放方式为：在底模41最外圈方格不放置，横向上从第二排第二个方格开始放置，开口侧朝右，每隔一个方格放置一个监控单元31。第二排摆放完后隔一排再从第四排开始摆放，后面依此方式类推摆放；纵向上从第三列第三个方格开始摆放，开口侧朝左，每隔一个方格放置一个监控单元31。第三列摆放完后隔一列再从第五列开始摆放，后面以此方式类推摆放。监控单元31位于包裹的环氧树脂胶正中心。
步骤四、将发热件31b用导线31c连接到控制终端，将位移感知件31a连接到静态应变测试系统，且静态应变测试系统连接到数据采集终端。静态应变测试系统为YSV8360静态应变测试系统。控制终端和静态应变测试系统组成控制部。
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的局部冻胀位移感知温控结构及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于，包括：
壳体，包括多个沿着横向和纵向排列的安装格；
位移感知温控部，安装在所述壳体中，包括多个监控单元；每个所述监控单元安装在一个所述安装格中，包括：设置在所述安装格一侧边部中、监测位移变化的位移感知件，围绕且位于所述安装格其余边部中、在位移变化达到局部冻胀发生条件时进行加热的发热件；在行、列上相邻的任意两个所述监控单元均间隔至少一个所述安装格；和
控制部，与所述位移感知温控部通信相连，控制各个所述监控单元的运行；
其中，所述控制部获取每个所述监控单元中所述位移感知件监测的位移量信息，并在位移量超过第一阈值时，将该监控单元及周围距离该监控单元最近的N个监控单元作为局部冻胀判断对象，确定这N+1个监控单元中最大和最小位移量，并计算两者差值，然后将差值与第二阈值进行比较：若比较结果为差值不超过第二阈值，判断为发生了整体冻胀，不需要进行加热；若比较结果为差值超过第二阈值，判断为对应最大位移量的监控单元处发生了局部冻胀，启动该监控单元的发热件进行加热，在加热一定时间后进一步将该监控单元当前的位移量与第一阈值进行比较，若当前的位移量未超过第一阈值，则停止加热，若当前的位移量仍超过第一阈值，则以该监控单元为加热中心，控制周围距离该监控单元最近的N个监控单元中的发热件启动，进行协同加热；N为不小于2的正整数；
当土体局部冻胀位移达到B时，将第一阈值设置为B/4，第二阈值设置为B/6。
2.根据权利要求1所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，每个所述安装格均为矩形框状结构，中部区域镂空，所述发热件呈C型围绕所述安装格的三侧边设置，所述位移感知件设置在第四个边中。
3.根据权利要求1所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，在所述壳体对应局部冻胀的主体区域上：每行每列都对应安装有多个所述监控单元，行、列上相邻的任意两个所述监控单元均间隔一个所述安装格，将所述监控单元中所述位移感知件所在的一侧记为开口侧，则在相邻列和行上，所述监控单元的所述开口侧相对向。
4.根据权利要求3所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，所述壳体还包括形成在所述主体区域上的多个导线通道，将相邻所述安装格相交处记为节点，
各个所述导线通道的一端与所述安装格上所述开口侧对应的一个所述节点相连通，另一端向上延伸，使所述监控单元中所述发热件和所述位移感知件的两端的导线都能从中引出；相邻所述开口侧共有一个所述节点，共用一个所述导线通道。
5.根据权利要求1所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，所述安装格的边长尺寸根据冻土环境确定，寒季平均低温在0~-5℃边长设置为12cm，寒季平均低温在-5~-10℃边长设置为10cm，寒季平均低温在-10~-20℃边长设置为8cm。
6.根据权利要求1所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，所述控制部根据用户设定的不同监控级别区域，按照相应级别区域的第一阈值、第二阈值和加热时间对各个区域进行相应的监控，每个级别区域的第一阈值、第二阈值和加热时间不完全相同。
7.根据权利要求1所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，所述发热件能够进行两档加热，在所述控制部判断为发生局部冻胀的情况下，控制所述发热件进行第二档加热，在加热一定时间后，若当前的位移量仍超过第一阈值，则以该监控单元为加热中心，控制周围距离该监控单元最近的N个监控单元中的发热件进行第一档加热；所述第一档加热的发热量小于第二档加热的发热量。
8.根据权利要求1所述的局部冻胀位移感知温控结构，其特征在于：
其中，N=所述安装格的边数。
9.权利要求1至8中任意一项所述的局部冻胀位移感知温控结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制做模具：底模包括平台平面和在平台上挖出的纵横交错的凹槽，凹槽横向以及纵向间隔排列布置，形成相连凹槽之间围成格子状，顶模以同等方式挖出凹槽，且在部分凹槽交叉结点处钻出竖向贯通孔道，该贯通孔道贯穿顶模；
步骤二、设置监控单元：将位移感知件和发热件对应参照底模凹槽中的格子形状和尺寸摆放，使所述位移感知件对应围成格子的一边凹槽，所述发热件对应围成格子的其余各边凹槽，并将所述位移感知件和所述发热件的正负极分别连接导线，形成一个监控单元；重复前述过程，形成多个所述监控单元；
步骤三、向底模中倒入环氧树脂胶，使环氧树脂均匀流入所述凹槽，等待环氧树脂胶由液态进入可塑性形态时将步骤二中摆放好的所述监控单元放入凹槽中；等待环氧树脂胶进入固态后盖上所述顶模，且导线由所述贯通孔道穿过所述顶模，从所述贯通孔道注入环氧树脂胶，待其固化好后拆模形成环氧树脂胶壳体包裹住的位移感知温控部；
步骤四、将发热件用导线连接到控制终端，将位移感知件连接到静态应变测试系统，且静态应变测试系统连接到数据采集终端。
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