CN117347151B - 一种绞吸船钢桩应力监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绞吸船钢桩应力监测系统及方法，该监测系统基于角度测量装置实现，角度测量装置包括支撑板、测杆、测环和角度传感器，支撑板一端与台车固定连接；测杆位于支撑板的底面与钢桩之间，测杆一端与支撑板铰接，另一端始终抵接在钢桩外壁面上；测环呈圆弧状，测环一端与测杆固定连接，另一端与角度传感器固定连接，使钢桩产生变形过程中，推动测杆绕其铰接点转动，进而带动测环绕测杆铰接点转动；该监测系统包括岩土参数模块、钢桩信息模块、海况参数模块、实时疏挖模块、结构仿真模块、角度测量模块、钢桩应力分布模块和预警模块。本发明可实时测量钢桩变形，实现钢桩最大应力及位置识别，提高绞吸船在恶劣海况下的安全性能。

Description

一种绞吸船钢桩应力监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种钢桩应力监测系统，特别是涉及一种绞吸船钢桩应力监测系统及方法。
背景技术
全球疏浚业务不断由近岸向深远海推进，作为疏浚工程中重要的工程船舶，绞吸船将遇到更多大风大浪的复杂、恶劣作业环境。绞吸船通常依靠插入海底的钢桩进行定位，以钢桩为轴进行左右往复式摆动施工作业。钢桩重量达几十吨甚至几百吨，桩长达几十米，例如“天鲲号”绞吸船的钢桩长度接近70米，重量接近200吨，下部桩尖能够插入岩土层数米。在施工时，钢桩承担了大部分风浪流作用力，随着船体的升沉，钢桩受力位置上下变动，随着船体左右摆动，钢桩的受力位置在圆周上也不断变动。
断桩事故是绞吸船的严重事故之一，当钢桩超出设计要求的载荷发生断裂时，绞吸挖泥船将处于自由状态，船体易被水中的钢桩断截刺穿，造成难以估量的损失。钢桩应力监测相当于给钢桩“号脉”，由于钢桩尺寸大，受力位置不断变化，监测十分困难。中国专利公开号CN110685300A公开了一种针对钢桩应力分布实时监测的结构及其安装方法，其采用直接在桩体外侧黏贴应变片的方式，但是不适合绞吸船钢桩，例如图1所示的结构。其主要原因为：其一钢桩监测范围大，最大变形位置在竖向上时刻变动，在圆周上也时刻变动，应力大小时刻变化；其二钢桩监测动作大，钢桩并非固定不动，相反地，钢桩动作包括提桩、落桩、倒桩等，直接测量法造成诸多不便；其三钢桩监测成本大，由于钢桩不能开孔，如果在钢桩内部布点，则数据线需要从桩顶通过，线体长度达数十米，信号传输和供电难度极大，后期维护成本太大。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有结构设计合理、使用方便、效果显著和适用范围广等特点的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，通过实时测量钢桩变形实现钢桩最大应力位置的识别，提高绞吸船在恶劣海况下的安全性能，辅助现场进行智能决策、提质增效。
本发明是这样实现的，一种绞吸船钢桩应力监测系统，所述钢桩位于台车中，所述台车位于绞吸船的船艏或船艉、并与船体滑动连接；
绞吸船钢桩应力监测系统基于角度测量装置实现，所述角度测量装置包括支撑板、测杆、测环和角度传感器，所述支撑板一端与台车固定连接；测杆位于支撑板的底面与钢桩之间，测杆一端与支撑板铰接，另一端始终抵接在钢桩外壁面上；测环呈圆弧状，测环一端与测杆固定连接，另一端与角度传感器固定连接，使钢桩产生变形的过程中，推动测杆绕其铰接点转动，进而带动测环绕测杆铰接点转动。
绞吸船钢桩应力监测系统，包括：
岩土参数模块，用于获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，包括岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度等。
钢桩信息模块，用于获取钢桩结构信息，包括钢桩材料性质、钢桩外径、钢桩总体长度、钢桩各分段长度、钢桩各分段壁面厚度、钢桩焊缝位置、桩尖尺寸等。
海况参数模块，用于获取绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据。
实时疏挖模块，用于获取横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向等。
结构仿真模块，包括几何建模子模块、材料子模块、网格划分子模块、接触子模块、边界条件子模块和计算子模块，用于建立钢桩在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆变化角度，形成可查询的数据库。
角度测量模块，用于实时获取疏挖时角度传感器数值。
钢桩应力分布模块，包括处理模块和信息显示模块，所述处理模块用于根据所述角度测量模块获取的疏挖时角度数值处理得到测杆角度变化值，根据测杆角度变化值查找结构仿真模块中关联的钢桩应力分布信息，并传输至信息显示模块，在信息显示模块显示，同时标注最大应力点位置及其对应的最大应力值。
预警模块，用于当钢桩最大应力值、钢桩变形角度值、或测杆角度变化值中的任一值超过对应预警值时，向控制中枢系统发送报警信息。
优选地，在测杆与支撑板铰接处，所述支撑板上具有安装槽，安装槽内安装有销轴，测杆具有销孔，测杆通过销孔与销轴铰接；所述销轴与所述销孔之间设置有扭簧，使测杆一端始终抵接在钢桩上。
优选地，所述测杆抵接在钢桩一端的端部呈半球状。
优选地，所述支撑板水平放置，支撑板的底面与台车的底面平齐。
优选地，所述支撑板上设置有通槽，通槽与测杆铰接点之间的距离为W1，测环和测杆的固定连接点与测杆铰接点之间的距离为W2，W1= W2；所述测环穿过通槽，在钢桩变形的过程中，测环绕着销轴转动。
优选地，所述钢桩包括桩尖、桩顶和桩身，桩身由不同壁厚的分段筒体组成，各分段筒体的外直径相同，相邻分段筒体之间焊接固定。
优选地，所述岩土参数模块通过地质勘察报告获取相关岩土参数，当土体为黏性土时，岩土参数包括内摩擦角、黏聚力、黏附力、含水量；当土体为砂土时，岩土参数包括标准贯入击数、土体孔隙率；当土体为岩石时，岩土参数包括单轴抗压强度、屈服强度。
优选地，所述结构仿真模块中，网格划分子模块的网格单元采用面单元，并赋予相应的厚度，此厚度为所述钢桩信息模块中各分段筒体的壁面厚度；或，所述网格划分子模块的网格单元采用实体单元；网格单元在钢桩分段连接处的网格密度大于钢桩其它位置的密度。
优选地，所述绞吸船钢桩应力监测系统与终端设备进行数据交互，此数据包括土质信息、海况信息、钢桩信息以及钢桩变形角度、位移、应力分布，所述终端设备包括移动端和电脑端，所述终端设备具有显示器。
一种绞吸船钢桩应力监测方法，基于上述绞吸船钢桩应力监测系统实现，包括如下步骤：
S1：获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，获得岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度等；
获取钢桩结构信息，获得钢桩材料性质、钢桩外径、钢桩总体长度、钢桩各分段长度、钢桩各分段壁面厚度、钢桩焊缝位置、桩尖尺寸等；
获取海况参数，获得绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据；
S2：获取实时疏挖信息，获得横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向等；
S3：进行结构仿真，建立钢桩在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆变化角度，形成可查询的数据库；
S4：进行角度测量，实时获取疏挖时角度传感器数值；
S5：获取钢桩应力分布，根据步骤S4获取的疏挖时角度数值处理得到测杆角度变化值，根据测杆角度变化值从步骤S3中查找关联的钢桩应力分布信息，进行信息显示，并标注最大应力点位置及其对应的最大应力值；
S6：进行预警，当钢桩最大应力值、钢桩变形角度值、或测杆角度变化值中的任一值超过对应预警值，向控制中枢系统发送报警信息。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，不需要在桩体内部布点设线，也不需要在钢桩上开孔、开槽，钢桩应力监测系统布置方便，数据线可采用无线或有线方式传输，便于推广。
2、本发明的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，采用角度测量和结构仿真相结合，建立了钢桩变形和应力之间的关系，提高了系统精度，确定了最大应力点的位置，钢桩应力分布实时显示，为钢桩的健康诊断实时“号脉”。
3、本发明的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，考虑了施工参数、海况参数、土质参数等，及时提出钢桩应力预警，为现场施工提供辅助决策，极大地提高了绞吸船施工的安全性。
附图说明
图1是传统桩体内布点设线的钢桩应力监测系统示意图；
图2本发明绞吸船钢桩应力监测系统的流程图；
图3本发明绞吸船钢桩应力监测系统的结构示意图；
图4本发明绞吸船钢桩应力监测系统钢桩变形时的结构示意图一；
图5本发明绞吸船钢桩应力监测系统钢桩变形时的结构示意图二；
图6本发明绞吸船钢桩应力监测系统钢桩变形时的结构示意图三；
图7本发明绞吸船钢桩应力监测系统角度测量装置的结构示意图一；
图8本发明绞吸船钢桩应力监测系统角度测量装置的结构示意图二；
图9本发明绞吸船钢桩应力监测系统角度测量装置的结构示意图三。
图中，1、船体；11、钢桩；110、桩尖；111、桩顶；112、桩身；12、台车；13、桩筒；21、应变片；22、导线；23、信号采集装置；3、角度测量装置；30、支撑板；31、测杆；32、测环；33、角度传感器；34、安装槽；35、销轴；36、通槽；37、扭簧。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。例如，所述内侧是指更接近于黏土材料的一侧，同理，所述外侧是指远离黏土材料的一侧。除非另有说明，这些相对术语应当结合附图所示的组件的取向加以理解。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
绞吸挖泥船简称绞吸船，如图3所示，钢桩11位于绞吸船的船艏或船艉。具体地，钢桩11位于台车12中，所述台车12位于绞吸船的船艏或船艉并与绞吸船的船体1滑动连接。在绞吸船施工时，钢桩11的桩尖110嵌入水下的岩土层中，钢桩11垂直于船体1的水线。所述水线为绞吸船船体1的水上和水下结构的分界线，水线为环绕船体1的封闭的线条。
船体1受到复杂的环境作用力，包括来自于施工现场的风场、水流和波浪作用力，还包括来自于水下岩土的钢桩11约束、切削部件约束、横向锚缆约束等，随着绞吸船的水平摆动施工，上述作用力的方向和大小不断变化。钢桩11是绞吸船施工的中心，整个船体1绕着钢桩11转动，初始时刻，钢桩11处于铅直状态，在受到船体1的作用力之后，钢桩11发生变形，当变形超过钢桩11的极限变形后，钢桩11将会产生不可逆转的塑性变形，直至断桩破坏。
钢桩11包括桩尖110、桩顶111和桩身112，桩身112由不同壁厚的分段筒体组成，各分段筒体的外直径相同，相邻分段筒体之间焊接连接。
绞吸船钢桩应力监测系统基于角度测量装置3实现，如图5和图6所示，所述角度测量装置3包括支撑板30、测杆31、测环32和角度传感器33，所述支撑板30一端与台车12固定连接，支撑板30水平放置，支撑板30的底面与台车12的底面平齐；测杆31呈杆状，测杆31位于支撑板30的底面与钢桩11之间，测杆31一端与支撑板30铰接，测杆31另一端始终抵接在钢桩11外壁面上；测环32呈圆弧状，测环32一端与测杆31固定连接，测环32另一端与角度传感器33固定连接，使钢桩11产生变形的过程中，推动测杆31绕其铰接点转动，进而带动测环32绕测杆31铰接点转动。
具体的，在测杆31与支撑板30铰接处，支撑板30上具有安装槽34，安装槽34内安装有销轴35，测杆31具有销孔，测杆31通过销孔与销轴35铰接；所述销轴35与所述销孔之间设置有扭簧37，使测杆31一端始终抵接在钢桩11外壁面上。测杆31抵接在钢桩11一端的端部呈半球状。
支撑板30上设置有通槽36，通槽36与测杆31铰接点之间的距离为W1，测环32和测杆31的固定连接点与测杆31铰接点之间的距离为W2，W1= W2。测环32穿过通槽36，在钢桩11变形的过程中，测环32绕着销轴35转动。
绞吸船钢桩应力监测系统，包括：
岩土参数模块，用于获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，包括岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度等。
钢桩信息模块，用于获取钢桩结构信息，包括钢桩材料性质、钢桩外径、钢桩总体长度、钢桩各分段长度、钢桩各分段壁面厚度、钢桩焊缝位置、桩尖尺寸等。
海况参数模块，用于获取绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据。
实时疏挖模块，用于获取横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向等。
结构仿真模块，包括几何建模子模块、材料子模块、网格划分子模块、接触子模块、边界条件子模块和计算子模块，用于建立钢桩在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆31变化角度，形成可查询的数据库。
角度测量模块，用于实时获取疏挖时角度传感器数值。
钢桩应力分布模块，包括处理模块和信息显示模块，所述处理模块用于根据所述角度测量模块获取的疏挖时角度数值处理得到测杆31角度变化值，根据测杆31角度变化值查找结构仿真模块中关联的钢桩应力分布信息，并传输至信息显示模块，在信息显示模块显示，同时标注最大应力点位置及其对应的最大应力值。
预警模块，用于当钢桩11最大应力值、钢桩11变形角度值、或测杆31角度变化值中的任一值超过对应预警值时，向控制中枢系统发送报警信息。
绞吸船钢桩应力监测方法，基于上述绞吸船钢桩应力监测系统实现，包括如下步骤：
S1：获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，获得岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度等；
获取钢桩结构信息，获得钢桩材料性质、钢桩外径、钢桩总体长度、钢桩各分段长度、钢桩各分段壁面厚度、钢桩焊缝位置、桩尖尺寸等；
获取海况参数，获得绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据；
S2：获取实时疏挖信息，获得横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向等；
S3：进行结构仿真，建立钢桩在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆31变化角度，形成可查询的数据库；
S4：进行角度测量，实时获取疏挖时角度传感器数值；
S5：获取钢桩应力分布，根据步骤S4获取的疏挖时角度数值处理得到测杆31角度变化值，根据测杆31角度变化值从步骤S3中查找关联的钢桩应力分布信息，进行信息显示，并标注最大应力点位置及其对应的最大应力值；
S6：进行预警，当钢桩11最大应力值、钢桩11变形角度值、或测杆31角度变化值中的任一值超过对应预警值，向控制中枢系统发送报警信息。
如图2所示，绞吸船钢桩应力监测系统通过岩土参数模块、钢桩信息模块和海况参数模块获取到钢桩11的基础数据，该基础数据直接影响到后续的实时疏挖模块、结构仿真模块和角度测量模块，通过实时疏挖模块、结构仿真模块和角度测量模块即能确定钢桩11在任一时刻的应力分布信息，并在钢桩应力分布模块进行显示，同时将钢桩应力信息发送到预警模块，当钢桩11变形达到预警值时，通过预警模块进行及时报警。
下面对本发明做进一步详细阐述，具体如下。
岩土参数模块，需要获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，获得岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度等。水下岩土涵盖了复杂多样的土质，可能是岩石，也可能是砂土，甚至是黏性土或淤泥。一般而言，表层土体可能是淤泥、薄层砂土，此时钢桩11可以轻松嵌入土层中，需要插入更大的深度才能保持钢桩11的稳定性。当岩土层为岩石时，钢桩11虽然入岩稍难，但是岩石的变形模量较大，只需插入更少的深度就能保持钢桩11的稳定性。
岩土参数对钢桩11的约束作用十分复杂，固接、铰接或处于固结和铰接之间，最理想的情况为固结或铰接，但是实际的岩土对钢桩11的作用处于固结和铰接之间，不同的岩土层具有不同的桩土作用机理，同样会影响钢桩11的应力分布。
所述岩土参数模块通过地质勘察报告获取相关岩土参数，当土体为黏性土时，岩土参数包括内摩擦角、黏聚力、黏附力、含水量；当土体为砂土时，岩土参数包括标准贯入击数、土体孔隙率；当土体为岩石时，岩土参数包括单轴抗压强度、屈服强度。
钢桩信息模块，需要获取钢桩11结构信息。钢桩11常用低合金高强度结构钢，包括Q345、Q390、Q690等八种牌号，热处理工艺包括热轧、正火、回火等。以钢桩11的材料为Q690为例，表示此钢桩11的屈服强度为690MPa。钢桩11的外直径为定值，但是在不同位置处的壁厚并不相同。钢桩11总体长度是指从桩顶上缘到桩尖下缘的距离，包括多个短截，短截之间焊接固定，各短截长度对钢桩应力影响显著，同时各短截的壁面厚度也影响着钢桩的应力。桩尖整体呈锥形，桩尖下缘的尺寸显著小于桩尖上缘的尺寸。
钢桩11的桩身112由一段段分段筒体组成，各分段筒体之间通过焊接固定，各分段筒体的壁厚可能不同，则在筒体壁厚不同处的连接位置存在壁厚差距，也会存在应力差距。在钢桩11任一分段筒体连接处的截面，壁面厚度越大，该截面的抗弯模量越大，截面处的应力越小，同理，壁面厚度越小，该截面的抗弯模量越小，截面处的应力越大。
海况参数模块是绞吸船钢桩应力监测系统的重要组成部分，需要获取绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据。计算绞吸船所承受的风载荷，需要获取绞吸船的纵向有效迎风面积和横向有效迎风面积，所述有效迎风面积为实测迎风面积乘以权重系数，并且只考虑水线以上部分的面积；同理，水下部分考虑水流作用力和波浪作用力。计算绞吸船所承受的流载荷，需要获取绞吸船的纵向有效迎流面积和横向有效迎流面积，所述有效迎流面积为实测迎流面积乘以权重系数。
此外，计算风载荷还要考虑风向角度，计算流载荷要考虑流向角度。波浪对绞吸船的影响更大，可采用有限元模型进行求解，在优选的实例中，波浪载荷需要建立波浪场，计算船体水线以下各区域面积的波浪压力，进行积分求解出不同波浪高度、波浪周期和波浪方向的波浪载荷。
实时疏挖模块主要为绞吸船钢桩应力监测系统提供实时的挖掘情况，需要获得横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向、横移拉力大小等。所述横移速度是指绞刀的横移速度，横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度影响绞刀的受力，这些载荷也会部分传递到钢桩11上，另外一部分传递到横移锚上，表现为横移拉力。在优选的实例中，绞刀载荷可达100吨，钢桩11能够明显受到绞刀挖掘的影响。船体的朝向不同，在相同的横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度的工况下，绞刀传递到钢桩11的载荷也将不同，实际施工中还需要考虑这些影响。
结构仿真模块，包括几何建模子模块、材料子模块、网格划分子模块、接触子模块、边界条件子模块和计算子模块，需要建立钢桩11在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆31变化角度，形成可查询的数据库。
所述几何建模子模块用于建立钢桩11的几何模型，同时与材料子模块和网格划分子模块协同，保证钢桩11在几何模型中钢桩11各分段筒体的材料和壁面厚度与实际相符。
在网格划分时，各分段筒体的网格单元均采用四边形面单元或三角形面单元，并赋予相应的厚度，所述厚度为所述钢桩信息模块中钢桩各分段筒体的壁面厚度。相邻两段筒体连接处的网格采用四边形面单元或三角形面单元进行加密，换言之，两段筒体连接处的网格采用更小尺寸，更便于计算。由于钢桩各分段筒体的壁面厚度可能不同，因此也可以在壁厚不同筒体连接处进行渐变式过渡赋予厚度，实际钢桩在不等壁厚连接处也采用消斜过渡。网格单元也可以采用六面体实体单元或四面体实体单元，采用实体单元时，需要在壁面厚度范围内划分3层网格，网格的尺寸等于壁面厚度的三分之一。值得注意的是，实体单元建立的模型单元数量远大于面单元建立的模型单元数量。因此在优选的实例中，钢桩11采用面单元建立有限元模型。
接触子模块用于建立台车12的有限元模型，台车12具有尺寸大于钢桩11外直径的空心结构桩筒13，钢桩11插入到该桩筒中。当钢桩11变形时，钢桩11与该桩筒交错接触，所述交错接触为钢桩11分别与桩筒的顶部和底部接触，换言之，钢桩11在受力变形的初始阶段呈现整体倾斜，进而弯曲变形，整体倾斜也会影响钢桩11的应力分布。边界条件子模块用于钢桩11的边界条件限定，所述边界条件包括海底岩土对桩尖的约束，台车对钢桩的变形角度以及台车底部相对于钢桩的位置，本实例中，桩顶111为自由端。计算子模块主要用于求解钢桩变形后内部应力和外部边界条件相等时钢桩的应力分布，钢桩11的有限元模型由节点和单元组成，每一个单元都包括数个节点，在不同的边界条件下，各节点需要达到平衡，最终得到各节点的受力和应力。
由于进行结构仿真时，考虑的是钢桩11的变形角度，因此还需要计算出钢桩不同变形角度所对应的测杆31的变化角度，具体过程为：
在有限元模型中建立锚点，所述锚点对应于测杆31与支撑板30铰接的中心点，记为测杆31的基点，记测杆31长度为L；当钢桩11的变形角度为θ t时，提取钢桩11上不同位置（N1，N2，N3，…，NM）钢桩11的应力值，计算所提取位置（N1，N2，N3，…，NM）到锚点的距离（S1，S2，S3，…，SM），当距离满足：
（1）
则表示此时测杆31在与钢桩抵接端的端头位于对应位置Na和Nb之间。建立直角坐标系，坐标系原点为测杆31的基点，X轴正方向沿着水平面指向台车12的桩筒方向，Y轴正方向竖直向下，见图6和图7。记此时测杆31的端头坐标为（Xc，Yc），位置Na对应的坐标为（Xa，Ya），位置Nb对应的坐标为（Xb，Yb），Xb≤Xc≤Xa，计算此时测杆31的角度值，具体如下。
以测杆31的基点为圆心，（Xc，Yc）所在圆的方程如下：
（2）
（Xa，Ya）和（Xb，Yb）两点直线方程的斜率K和截距d，分别如下：
（3）
（4）
（Xc，Yc）为（Xa，Ya）和（Xb，Yb）两点所在直线上的一点，将（Xc，Yc）所在圆的方程和所在直线的方程联立，求得Xc如下：
（5）
则此时测杆31的角度为：
（6）
记初始状态测杆31的基点距离钢桩外壁的最短距离为D，则初始状态测杆31的角度为：
（7）
则测杆31的变化角度为；
（8）
则进行结构仿真时，对于钢桩11的变形角度为θ t，即可求得与之对应的测杆31的变化角度，实际疏挖应用时即可根据角度传感器33的数值实时反应钢桩11的变形角度。
计算不同边界条件下钢桩11的变形，可以形成钢桩11受力变形的数据库。在弹性变形范围内，钢桩11受力、变形和应力互相关联，获取到钢桩11的变形就能得到钢桩11的应力分布，进而获取最大应力点位置及其对应的最大应力值。
角度测量模块为绞吸船钢桩应力监测系统的核心模块，如图6所示，可实时获取角度传感器33的数值。实时疏挖时，通过角度传感器33获取初始时刻测杆31的角度和任一时刻测杆31的角度/>，即可求得任一时刻测杆31的角度变化值/>。
钢桩11的桩身112为主要产生变形的部位，测杆31和测环32的刚度很大，则角度传感器33直接反映了测杆31的变形角度。值得注意的是，由于测杆31的基点距离台车12的桩筒保持固定的间距，角度传感器33的变化值与钢桩11的变形并不一致，但呈正相关联系。
如图7、图8和图9所示，钢桩11的桩身112产生变形以后，测杆31在扭簧37的作用下始终与桩身112的外壁面贴合，能够实时反应钢桩11的变形角度，根据结构仿真模块求解的大量钢桩11变形的数据库，即可得到钢桩11的应力分布情况。
钢桩应力分布模块包括处理模块和信息显示模块，所述处理模块根据所述角度测量模块获取的疏挖时角度数值处理得到测杆31的角度变化值，根据测杆31角度变化值查询在结构仿真模块中建立的大量数值模拟结果的数据库，并将对应信息传输至信息显示模块，在信息显示模块显示，同时记录下最大应力值、最大应力点位置以及应力路径上所有点的应力值，将各点应力值进行绘图显示。并可根据屈服应力获得钢桩施工的安全系数。
预警模块，当钢桩11最大应力值、钢桩11变形角度值、或测杆31角度变化值中的任一值超过对应预警值，向控制中枢系统发送报警信息。提醒施工人员，钢桩11处于危险阶段，需要采取紧急措施减少钢桩11应力，例如调整船舶方向，减少摆动幅度等，并且需要提桩检查桩身情况。
绞吸船钢桩应力监测系统与终端设备进行数据交互，此数据包括土质信息、海况信息、钢桩11信息以及钢桩11变形角度、位移、应力分布，所述终端设备包括移动端和电脑端，所述终端设备具有显示器。此处的信息包括文字，图像或动画等。
本发明可实现事前主动控制。众所周知，钢材在持续的反复的载荷作用下，其应力虽然达不到强度极限，甚至达不到屈服极限，也可能发生破坏，即疲劳破坏。绞吸船在施工时承受来自风浪流和海底岩土的持续作用力，导致钢桩11也会有疲劳风险。
钢桩11疲劳破坏的最根本原因是产生裂纹，其屈服强度会逐渐降低。钢材自身也会在铸造、热处理过程中自带微裂纹，当重复持续载荷作用到钢桩11上时，存在微裂纹部位的钢桩11截面上应力分布不均，在裂纹尖部产生应力集中现象，导致裂纹扩展。当钢桩11应力较大时，裂纹扩展区域较大，当钢桩11应力较小时，裂纹扩展区域较小。裂纹扩展尽管十分缓慢，但当裂纹贯通，微裂纹形成宏观裂纹，将显著减小钢桩11的有效面积，同时降低截面抗弯模量，使其承受能力下降。
本发明的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，不需要在桩体内部布点设线，也不需要在钢桩上开孔、开槽，保证了钢桩11在施工时的安全性能。本发明的绞吸船钢桩应力监测系统布置方便，数据线可采用无线或有线方式传输，便于推广。
本发明的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，采用了角度测量和结构仿真相结合的手段，建立了钢桩变形和钢桩应力之间的关系，提高了系统整体精度，确定了最大应力点的位置，钢桩应力分布实时显示，为钢桩的健康诊断实时“号脉”。
本发明的绞吸船钢桩应力监测系统及方法，考虑了施工参数、海况参数、土质参数等，及时提出钢桩应力预警，为绞吸船现场施工提供准确的辅助决策，极大地提高了绞吸船施工的安全性，为绞吸船的高效施工保驾护航。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种绞吸船钢桩应力监测系统，钢桩位于台车中，所述台车位于绞吸船的船艏或船艉、并与船体滑动连接；其特征在于：
绞吸船钢桩应力监测系统基于角度测量装置实现，所述角度测量装置包括支撑板、测杆、测环和角度传感器，所述支撑板一端与台车固定连接；测杆位于支撑板的底面与钢桩之间，测杆一端与支撑板铰接，另一端始终抵接在钢桩外壁面上；测环呈圆弧状，测环一端与测杆固定连接，另一端与角度传感器固定连接，使钢桩产生变形的过程中，推动测杆绕其铰接点转动，进而带动测环绕测杆铰接点转动；
绞吸船钢桩应力监测系统，包括：
岩土参数模块，用于获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，包括岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度；
钢桩信息模块，用于获取钢桩结构信息，包括钢桩材料性质、钢桩外径、钢桩总体长度、钢桩各分段长度、钢桩各分段壁面厚度、钢桩焊缝位置、桩尖尺寸；
海况参数模块，用于获取绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据；
实时疏挖模块，用于获取横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向；
结构仿真模块，包括几何建模子模块、材料子模块、网格划分子模块、接触子模块、边界条件子模块和计算子模块，用于建立钢桩在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆变化角度，形成可查询的数据库；
角度测量模块，用于实时获取疏挖时角度传感器数值；
钢桩应力分布模块，包括处理模块和信息显示模块，所述处理模块用于根据所述角度测量模块获取的疏挖时角度数值处理得到测杆的角度变化值，根据测杆角度变化值查找结构仿真模块中关联的钢桩应力分布信息，并传输至信息显示模块，在信息显示模块显示，同时标注最大应力点位置及其对应的最大应力值；
预警模块，用于当钢桩最大应力值、钢桩变形角度值、或测杆角度变化值中的任一值超过对应预警值时，向控制中枢系统发送报警信息。
2.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，在测杆与支撑板铰接处，所述支撑板上具有安装槽，安装槽内安装有销轴，测杆具有销孔，测杆通过销孔与销轴铰接；所述销轴与所述销孔之间设置有扭簧，使测杆一端始终抵接在钢桩上。
3.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述测杆抵接在钢桩一端的端部呈半球状。
4.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述支撑板水平放置，支撑板的底面与台车的底面平齐。
5.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述支撑板上设置有通槽，通槽与测杆铰接点之间的距离为W1，测环和测杆的固定连接点与测杆铰接点之间的距离为W2，W1= W2；所述测环穿过通槽，在钢桩变形的过程中，测环绕着销轴转动。
6.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述钢桩包括桩尖、桩顶和桩身，桩身由不同壁厚的分段筒体组成，各分段筒体的外直径相同，相邻分段筒体之间焊接固定。
7.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述岩土参数模块通过地质勘察报告获取相关岩土参数，当土体为黏性土时，岩土参数包括内摩擦角、黏聚力、黏附力、含水量；当土体为砂土时，岩土参数包括标准贯入击数、土体孔隙率；当土体为岩石时，岩土参数包括单轴抗压强度、屈服强度。
8.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述结构仿真模块中，网格划分子模块的网格单元采用面单元，并赋予相应的厚度，此厚度为所述钢桩信息模块中各分段筒体的壁面厚度；或，所述网格划分子模块的网格单元采用实体单元；网格单元在钢桩分段连接处的网格密度大于钢桩其它位置的密度。
9.根据权利要求1所述的绞吸船钢桩应力监测系统，其特征在于，所述绞吸船钢桩应力监测系统与终端设备进行数据交互，此数据包括土质信息、海况信息、钢桩信息以及钢桩变形角度、位移、应力分布，所述终端设备包括移动端和电脑端，所述终端设备具有显示器。
10.一种绞吸船钢桩应力监测方法，其特征在于，所述监测方法基于权利要求1-9中任一项所述的绞吸船钢桩应力监测系统实现，包括如下步骤：
S1：获取绞吸船施工区域岩土的相关参数，获得岩土疏浚深度、岩土总厚度、分层土体名称、分层土体厚度；
获取钢桩结构信息，获得钢桩材料性质、钢桩外径、钢桩总体长度、钢桩各分段长度、钢桩各分段壁面厚度、钢桩焊缝位置、桩尖尺寸；
获取海况参数，获得绞吸船施工区风场的风速风向数据、水流的流速流向数据、波浪的周期、浪高、浪向数据；
S2：获取实时疏挖信息，获得横移速度、绞刀转速、步进长度、挖掘厚度、船体朝向；
S3：进行结构仿真，建立钢桩在不同水深、不同入土深度、不同船体吃水、不同变形角度的受力仿真模型，分析并得到钢桩在边界条件下的应力分布，同时计算出钢桩不同变形角度对应的测杆变化角度，形成可查询的数据库；
S4：进行角度测量，实时获取疏挖时角度传感器数值；
S5：获取钢桩应力分布，根据步骤S4获取的疏挖时角度数值处理得到测杆角度变化值，根据测杆角度变化值从步骤S3中查找关联的钢桩应力分布信息，进行信息显示，并标注最大应力点位置及其对应的最大应力值；
S6：进行预警，当钢桩最大应力值、钢桩变形角度值、或测杆角度变化值中的任一值超过对应预警值，向控制中枢系统发送报警信息。
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