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

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种桥梁基础冲刷监测传感器及其监测数据分析方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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、再冲刷的全本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。/n

【技术特征摘要】
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)。


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：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。


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：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。


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：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。


5.根据权利要求4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。


6.根据权利要求1、2、3、4或5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。


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：所述钢缆(32-3)为不锈钢钢缆。


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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东昱，倪莉，
申请(专利权)人：张东昱，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23