CN211113793U

CN211113793U - 桥梁桩基冲刷监测系统

Info

Publication number: CN211113793U
Application number: CN201921361057.9U
Authority: CN
Inventors: 郭健; 蒋兵; 吴继熠
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-08-21

Abstract

桥梁桩基冲刷监测系统，包括水下爬壁机器人单元、桥墩单元及设置在海上调查船上的数据处理系统；水下爬壁机器人单元的水下爬壁机器人装有履带和密封舱，履带上装有永磁体，密封舱内装有伸缩触探杆及其操控装置、电池组、第一电源管理模块、第一CPU、超声波发射器，以密封舱面向水沙交界面一侧为前，密封舱前端装有超声波探头，伸缩触探杆伸出密封舱前端，伸缩触探杆前端安装不锈钢底板，不锈钢底板上安装传感器组件；传感器组件、超声波探头、超声波发射器、操控装置、水下爬壁机器人的运动控制系统、第一存储模块均连接第一CPU；桥墩单元包括防水密封舱的超声波应答器、第二存储模块、无线传输模块、第二电源管理模块均连接第二CPU。

Description

桥梁桩基冲刷监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种桥梁桩基冲刷监测系统。

背景技术

桥墩局部冲刷是造成跨海桥梁损毁的重要原因之一。近年来发生了不少因冲刷而导致桥梁毁坏的事件，造成了巨大的人员伤亡和财产的损失。

桥梁基础冲刷现场监测能够简单直观呈现出冲刷深度情况，为桥梁管理者适时开展桥梁基础冲刷防护措施提供合理建议。水下作业仍是既有桥梁基础冲刷检测或监测的主要手段，除了潜水员肉眼观测以外，各种水下监测设备也很常见，包括声呐、雷达、时域反射技术(TDR)、滑动磁环等，但尚存在监测精度不同、适用条件各异、水下安装操作难、经济性差等缺点。

水下爬壁机器人是一个复杂的无人系统，可在高度危险海域环境代替人工在水下长时间作业。近年来，随着计算机、光电子技术以及数据处理技术的发展，水下爬壁机器人系统在动力推进、整体控制、导航通信等多项技术上取得了重大突破。水下爬壁机器人可以作为新兴的辅助测量工具在桥梁桩基冲刷监测中得到应用。

发明内容

本实用新型要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于水下爬壁机器人的桥梁桩基冲刷监测系统。

桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于：包括水下爬壁机器人单元、桥墩单元及设置在海上调查船上的数据处理系统；

水下爬壁机器人单元包括水下爬壁机器人2，水下爬壁机器人2装有履带10和密封舱8，履带10上装有永磁体11，密封舱8内装有伸缩触探杆4及其操控装置12、电池组9、第一电源管理模块、第一CPU、超声波发射器7，以密封舱8面向水沙交界面一侧为前，密封舱8前端装有超声波探头3，伸缩触探杆4伸出密封舱8前端，伸缩触探杆4前端安装不锈钢底板5，不锈钢底板5上安装传感器组件6；传感器组件6、超声波探头3、超声波发射器7、操控装置12、水下爬壁机器人2的运动控制系统均连接第一CPU，第一CPU连接第一存储模块；

桥墩单元安装于桥墩水面以下部位，包括防水密封舱，超声波应答器、第二存储模块、无线传输模块、第二电源管理模块均连接第二CPU，超声波应答器与水下爬壁机器人2上的超声波发射器7配合。

超声波应答器接收超声波发射器7的信号，在第二CPU中进行预处理，并将信号存储在第二存储模块，再通过无线传输模块将超声波数据传输到数据处理系统中，确定水下爬壁机器人2在海下距离桥墩超声波应答器的绝对深度。

数据处理系统安装在海上调查船上，读取完成任务后返回的水下爬壁机器人第一存储模块中的传感器模块的数据，并通过无线传输模块接收桥墩单元预处理的超声波应答器中的数据。

优选地，传感器组件6包括压力传感器和渗压传感器。

优选地，水下爬壁机器人2的运动控制系统是一个电动汽车控制系统，包括驱动履带10的伺服电机、转向控制装置。

优选地，伸缩触探杆4的操控装置12包括一个伺服电机，伺服电机连接螺母和螺杆运动副，伺服电机驱动螺母旋转，螺杆连接伸缩触探杆4。

本实用新型采用水下爬壁机器人在复杂多变的海洋环境下对桥梁桩基冲刷情况定时开展监测工作，如一个月进行一次或者在高潮流期间进行桥梁桩基冲刷情况监测。水下爬壁机器人携带传感器、超声波探头、伸缩触探杆等执行装置。采用水声定位系统，在水下爬壁机器人上安装超声波发射器，低潮位时在桥墩水面以下安装超声波接收器进行定位，得出水下爬壁机器人距离桥墩表面超声波应答器的绝对深度。伸缩触探杆底部焊接不锈钢底板，在底板表面安装压力传感器，渗压传感器，根据压力传感器和渗压传感器的压力差来监测桥梁桩基土层冲刷厚度。本监测系统和监测方法可以不受复杂的海域条件影响，利用水下爬壁机器人将执行装置到达复杂的海底环境，伸缩触探杆底部焊接不锈钢底板，底板表面装有压力及渗压传感器。当伸缩触探杆能够到达海床持力层上时，根据压力及渗压传感器的差计算得到土层厚度；当伸缩触探杆不能够到达海床持力层上时，根据两次不同时间水下爬壁机器人距离桥墩单元绝对位置的变化来判断冲刷情况。本实用新型可以广泛应用于既有桥梁桩基的安全监测，对桥梁运营过程无影响。

本实用新型的优点是：对桥梁运营无影响，操作简单、测量精度高、测量方便。

附图说明

附图1是本实用新型的结构示意图图；

附图2是本实用新型的履带结构示意图；

附图3是本实用新型的伸缩触探杆结构示意图；

附图4是本实用新型的电路原理图；

附图5是本实用新型的使用方法流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步描述。

如图1-5所示，图中各部件是：桥梁桩基1、水下爬壁机器人2、超声波探头3、伸缩触探杆4、不锈钢底板5、传感器6、超声波发射器7，密封舱8，电池组9，履带10，永磁体11，操控装置12。

桥梁桩基冲刷监测系统，包括水下爬壁机器人单元、桥墩单元及设置在海上调查船上的数据处理系统。水下爬壁机器人单元包括水下爬壁机器人2、超声波探头3、伸缩触探杆4、传感器6、超声波发射器7。第一电源管理模块将电池组9的输出电源分级处理后供给各个部分，同时提供水下爬壁机器人2的驱动电源。水下爬壁机器人2的履带式移动系统由履带10和永磁体单元11组成，永磁体单元11能够吸附在钢管桩基1的表面，水下爬壁机器人2通过表面嵌有永磁体单元11的履带链条10在钢管桩基1表面运动。超声波探头3，安装于水下爬壁机器人2前进方向的前端，将数据信号通过第一CPU进行处理，确定水下爬壁机器人2在水沙交界面上30cm处位置；伸缩触探杆4与其操控装置12相连接，操控装置12固定于水下爬壁机器人的密封舱8中，为伸缩触探杆4提供推力，当水下爬壁机器人到达测点时，第一CPU向操控装置12发送指令，使伸缩触探杆4能够向底部伸缩，底部焊接不锈钢底板5，不锈钢底板5表面安装压力传感器和渗压传感器，负责采集压力数据，将采集的数据传给第一CPU，并储存在第一存储模块，水下爬壁机器人结束任务返回海上调查船时，数据处理系统读取第一存储模块中存储的传感器数据，用来监测土层厚度变化。

桥墩单元在低潮位时安装于桥墩水面以下，包括超声波应答器、第二CPU、第二存储模块、无线传输模块、第二电源管理模块，外部做防水密封舱。第二电源管理模块为各个模块提供电源，超声波应答器与水下爬壁机器人2上的超声波发射器7配合使用。桥墩单元中超声波应答器能够接收超声波发射器7的信号，在第二CPU中进行预处理，并将信号存储在第二存储模块，通过无线传输模块将超声波数据传输到数据处理系统中，用来确定水下爬壁机器人2在海下距离桥墩超声波应答器的绝对深度。

数据处理系统安装在海上调查船上，能够读取完成任务后水下爬壁机器人第一存储模块中的传感器模块的数据，并通过无线传输模块接收桥墩单元预处理的超声波应答器中的数据。

本实用新型桥梁桩基冲刷监测装置的使用方法，包括如下步骤：

1)海上调查船携带水下爬壁机器人到达目标桥墩海域附近，将水下爬壁机器人沿着桥墩表面安全下放；

2)水下爬壁机器人通过传感器及超声波探头采集信号，超声波探头采集信号通过第一CPU进行处理，控制水下爬壁机器人行进指令，使水下爬壁机器人到达水沙交界面上30cm位置处。传感器采集的数据信号通过第一CPU存储在第一存储模块中；

3)桥墩单元中的超声波应答器与水下爬壁机器人上的超声波发射器配合使用，接收超声波发射器的信号，在第二CPU中进行预处理，将信号存储在第二存储模块，通过无线传输模块将超声波数据传输到数据处理系统中，用来确定水下爬壁机器人在海下距离桥墩单元的绝对深度。

4)当超声波监测到距离水沙交界面30cm时，水下爬壁机器人停止下潜，得出水下爬壁机器人距离桥墩标准面的绝对深度，下放带有传感器的伸缩触探杆，当伸缩触探杆能够到达海床持力层时，根据传感器的读数可以计算出土层厚度，当伸缩触探杆不能达到海床持力层时，根据水下爬壁机器人第二次下潜距离桥墩表面超声波应答器绝对深度的变化监测出冲刷界面变化来反映冲刷情况；

伸缩触探杆能够到达海床持力层时，由于海床持力层以上土层往往不是由单一土层组成，各土层的压缩性能不一样，底板在伸缩触探杆推力的作用下，根据压缩土层产生的附加应力分布沿深度方向变化进行各土层的厚度计算。假设海床持力层以上有两层土层，水下爬壁机器人爬行到距离第一层土层上的30cm高度，顶端带有压力及渗压传感器的伸缩触探杆进入第一层土层时，压力传感器和渗压传感器的压力差斜率小，当顶端带有压力及渗压传感器的伸缩触探杆即将进入第二层土层时，压力差斜率会突然变大，通过单向压缩分层总和法得出计算深度之和求解第一层土的厚度范围。同理可以求解出第二层土的厚度范围。当压力传感器和渗压传感器的压力差增大一段时间后保持为常数，且一分钟内基本保持不变化，此时认为伸缩触探杆的底部已经到达海床持力层上。

取伸缩触探杆即将进入第二层土层时的点，即传感器压力差斜率发生明显变化处，计算第一层土层的厚度范围。此时通过此点的压力差和第一层土的有效重度即可求得h₁，通过单向压缩分层总和法确定压缩土层的计算深度z_n，即可以求出第一层土层的厚度h₂范围。按应力比法确定计算深度，因为土层为高压缩性土，计算σ_z＝0.1σ_c深度处。

计算深度z_n按下式得出：

计算分层厚度，从底板开始h_i≤0.4a，即按照0.4a来分层。

假设计算深度全为第一层土层，土层的自重应力

z₀＝0,σ_c0＝h₁γ₁′

z_i＝z_i-1+0.4a,σ_ci＝σ_c(i-1)+0.4aγ₁′

假设计算深度全为第二层土层，土层的自重应力中将γ₁′换为γ₂′

计算底板底部附加应力：

计算底板中点附加应力，利用角点法计算，过基底中点将荷载面4等分，计算边长0.5a×0.5a，

σ_z＝4α_ap₀

z₀＝0，

α_ai根据m_i查表可知，即可以求出对应的σ_zi

根据σ_z＝0.1σ_c原则，当

时，即可以求出两种假设最终计算深度z_n1和z_n2

第一层土层的厚度范围为

h₁+z_n1＜h₂＜h₁+z_n2

取平均值

同理可以得出第二层土层的厚度h₃范围。

式中，a(m)：正方形底板的边长；

F(KN)：伸缩触探杆推力；

z_i(m)：分层厚度的累加值；

p₀(Pa)：底板的附加应力；

σ_c(Pa)：土的自重应力；

σ_z(Pa)：底板中点的附加应力；

α_ai：均布的矩形荷载角点下的平均竖向附加应力系数；

γ₁′(N/m³)：第一层土层有效重度，取γ₁′＝βγ₁-γ_w。

γ₂′(N/m³)：第二层土层有效重度，取γ₂′＝βγ₂-γ_w。

5)监测完成后，回收水下爬壁机器人，在海上调查船数据处理系统中读取第一存储模块中的传感器数据。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于：包括水下爬壁机器人单元、桥墩单元及设置在海上调查船上的数据处理系统；

水下爬壁机器人单元包括水下爬壁机器人(2)，水下爬壁机器人(2)装有履带(10)和密封舱(8)，履带(10)上装有永磁体(11)，密封舱(8)内装有伸缩触探杆(4)及其操控装置(12)、电池组(9)、第一电源管理模块、第一CPU、超声波发射器(7)，以密封舱(8)面向水沙交界面一侧为前，密封舱(8)前端装有超声波探头(3)，伸缩触探杆(4)伸出密封舱(8)前端，伸缩触探杆(4)前端安装不锈钢底板(5)，不锈钢底板(5)上安装传感器组件(6)；传感器组件(6)、超声波探头(3)、超声波发射器(7)、操控装置(12)、水下爬壁机器人(2)的运动控制系统均连接第一CPU，第一CPU连接第一存储模块；

桥墩单元安装于桥墩水面以下部位，包括防水密封舱，超声波应答器、第二存储模块、无线传输模块、第二电源管理模块均连接第二CPU，超声波应答器与水下爬壁机器人(2)上的超声波发射器(7)配合。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：传感器组件(6)包括压力传感器和渗压传感器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：水下爬壁机器人(2)的运动控制系统是一个电动汽车控制系统，包括驱动履带(10)的伺服电机、转向控制装置。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：伸缩触探杆(4)的操控装置(12)包括一个伺服电机，伺服电机连接螺母和螺杆运动副，伺服电机驱动螺母旋转，螺杆连接伸缩触探杆(4)。