船閘結構應變、應力分布式光纖監(jiān)測方法及系統(tǒng)技術方案

本發(fā)明專利技術提出船閘結構應變、應力分布式光纖監(jiān)測方法及系統(tǒng)，包括分布式傳感光纜、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)處理與分析模塊；分布式傳感光纜以與主筋綁扎的方式敷設于船閘的閘首底板、輸水廊道、閘室底板、閘室墻鋼筋混凝土表層的頂、底或內(nèi)、外表面構成U字形回路；分布式傳感光纜以與主鋼筋綁扎的方式敷設于船閘的閘首底板、輸水廊道、閘室底板、閘室墻鋼筋混凝土表層混凝土澆筑完成之后，傳感光纜距離混凝土表面5-10cm；傳感光纜將隨鋼筋混凝土結構產(chǎn)生同步變形，光纖傳感器產(chǎn)生相應的應變；在閘首頂部建立數(shù)據(jù)采集站點，將所敷設的傳感光纜線路通過光纜連接數(shù)據(jù)采集站點。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
船閘結構應變、應力分布式光纖監(jiān)測方法及系統(tǒng)
本專利技術屬于水運工程監(jiān)測
，尤其涉及一種基于分布式光纖傳感技術的船閘主體結構應變、應力的監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
技術介紹
我國水運工程基礎設施正處于大規(guī)模建設時期，大型混凝土結構在船閘等水運工程中也得到了越來越廣泛的應用。由于船閘等水運工程結構復雜、施工難度較大，因此為了保證構筑物安全，需要在施工以及運行期間對重點部位的應變、應力狀態(tài)進行監(jiān)測。通過監(jiān)測，可以準確獲知其施工質(zhì)量控制參數(shù)，了解結構關鍵部位的受力特征，對優(yōu)化船閘工程結構的設計、施工和維護具有重要意義。目前，在水運工程監(jiān)測
，特別是與船閘工程施工期監(jiān)測相關的技術方法主要有沉降監(jiān)測技術、土體測斜技術、地表沉降監(jiān)測技術等，儀器設備多采用沉降儀、測斜儀、全站儀、水準儀等。這些技術方法均具有點式測量特點，測點稀疏，難以實現(xiàn)對被測對象的全方位監(jiān)控，又因為傳感器多為電阻式、壓阻式、電容式，易腐蝕，難以實現(xiàn)長期監(jiān)測。常規(guī)的監(jiān)測技術多數(shù)仍不能實現(xiàn)實時監(jiān)測，且傳感原理多種多樣，數(shù)據(jù)種類多，難以集成大規(guī)模實時監(jiān)測系統(tǒng)。因此，有必要研究開發(fā)適用于新型船閘混凝土結構的實時監(jiān)測方法和技術，以滿足日益增長的船閘工程施工期和運營期安全監(jiān)測的要求以及相關理論研究的需要。基于布里淵光時域分析(BrillouinOpticalTime-domainAnalysis，縮寫：BOTDA)和拉曼散射光時域反射（RamanOpticalTime-domainRefectometry，縮寫：ROTDR）的分布式傳感技術是近年來國際上在光電信息領域興起的尖端光纖傳感技術，除了具有一般光纖傳感技術耐腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)點，還具有分布式(超高密度連續(xù)測點)、實時在線測量、可直接測量光纖上任意點的應變和溫度信息等優(yōu)點；根據(jù)鋼筋混凝土變形的特點，還可以計算得到應力、位移等多項物理指標。BOTDA和ROTDR分布式光纖傳感技術已用于通訊、土木、能源、交通等領域，在樁基、隧道結構、邊坡、基坑等監(jiān)測方面也有大量工程應用。但由于船閘工程結構復雜、施工節(jié)點繁多，且分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計較為復雜，因此BOTDA技術還未在船閘工程中得到有效應用。
技術實現(xiàn)思路
針對船閘常規(guī)監(jiān)測方法和手段的不足，本專利技術旨在提出一種基于分布式光纖傳感的，能長期、精確、系統(tǒng)監(jiān)測船閘主體結構在施工期和運營期的應變、應力狀態(tài)的方法及系統(tǒng)。本專利技術實現(xiàn)其目的采取的技術方案是：基于分布式光纖傳感技術的船閘結構應變和溫度監(jiān)測裝置，包括分布式傳感光纜、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)處理與分析模塊；分布式傳感光纜以與主筋綁扎的方式敷設于船閘結構的閘首底板、輸水廊道、閘室底板、閘室墻鋼筋混凝土結構表層的頂、底或內(nèi)、外表面構成U字形回路；混凝土澆筑完成之后，傳感光纜距離混凝土表面5-10cm；傳感光纜將隨鋼筋混凝土結構產(chǎn)生同步變形，光纖傳感器產(chǎn)生相應的應變，將傳感光纜的應變分布進行溫度補償、做差計算后就得到對應工況作用下鋼筋混凝土結構的應變分布；在閘首頂部建立數(shù)據(jù)采集站點，將所敷設的傳感光纜線路通過光纜連接至數(shù)據(jù)采集站點。進一步，混凝土澆筑完成，待混凝土水化熱完全釋放、混凝土初凝之后，采集監(jiān)測初值；之后，在混凝土養(yǎng)護期以及各個施工階段，根據(jù)施工節(jié)點采集傳感光纜數(shù)據(jù)，利用ROTDR測得的溫度數(shù)據(jù)對應變傳感光纜進行溫度補償，進而得到船閘結構在施工期間的應變分布情況，為保證施工安全、指導后期施工提供依據(jù)；在船閘運營期間，定期采集數(shù)據(jù)，得到結構的應變和應力特征，為優(yōu)化工程設計，指導類似工程施工提供依據(jù)。分布式傳感線路由緊套單模傳感光纜和松套多模傳感光纜組成，兩根光纜并排沿主筋布置。緊套單模傳感光纜用于應變測量，松套多模傳感光纜用于溫度測量。數(shù)據(jù)采集設備包括布里淵光時域分析儀（BOTDA）和拉曼光時域反射儀（ROTDR）。BOTDA主要用于光纖應變分布的測量，ROTDR則用于光纖溫度分布的測量。其中BOTDA信號解調(diào)儀空間分辨率為0.05m、測量精度為20με、測量長度可達80km；ROTDR系統(tǒng)信號解調(diào)儀測量溫度范圍為-40-120℃、分辨率為±0.1℃、測量精度±0.5℃、空間分辨率1m、測量長度6km。分布式光纜信號解調(diào)儀的高空間分辨率和高精度有助于實現(xiàn)自動化遠程監(jiān)測和結構裂縫發(fā)育的超前監(jiān)測預報。數(shù)據(jù)處理與分析模塊可以提取光纖應變數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，對應變和溫度進行位置校準、降噪，可以實現(xiàn)應變數(shù)據(jù)的溫度補償，結構應變、應力的計算，具有對原始數(shù)據(jù)和計算結果的存貯、顯示，輸出為指定格式的功能。本專利技術具有以下有益效果：1、本專利技術的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，能夠系統(tǒng)、長期、高精度、全分布式的監(jiān)測船閘主體結構如閘首底板、輸水廊道、閘室底板、導航及閘室墻等混凝土結構的應變、溫度分布，通過進一步分析，可以得到結構的應力分布，全面的掌控船閘結構重點部位在施工期和運營期的受力特征；2、本專利技術所涉及到的監(jiān)測裝置安裝施工工藝簡單，對主體工程施工幾乎無干擾，且分布式傳感器具有抗腐蝕、抗電磁干擾、信息量大等優(yōu)點、可實現(xiàn)長期監(jiān)測；克服現(xiàn)有方法只是部件的監(jiān)控，本專利技術是全面全期監(jiān)控，對應力應變的發(fā)展尤其清楚了然，更有利于對結構的整體和安全、壽命上更全面科學的評估。3、本專利技術的監(jiān)測方法不僅能夠?qū)Y構關鍵部位進行監(jiān)測，還可以將傳感光纜按一定密度格網(wǎng)進行布置，監(jiān)測相應區(qū)域內(nèi)結構的應變和應力狀態(tài)；4、本專利技術所涉及的監(jiān)測系統(tǒng)可通過解調(diào)儀設置，進行無人值守自動化監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，同時，亦可通過網(wǎng)絡控制解調(diào)儀進行數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。附圖說明圖1是船閘閘首底板光纖線路敷設示意圖；圖2是船閘閘首輸水廊道光纖線路敷設示意圖；圖3是船閘閘室底板光纖線路敷設示意圖；圖4是船閘閘室閘室墻光纖線路敷設示意圖；圖5是船閘結構變形分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的技術方案進行詳細說明：如圖1-5所示，本專利技術所涉及的應用分布式光纖傳感技術對船閘工程主體結構，包括閘首底板、輸水廊道、閘室底板和閘室墻的監(jiān)測裝置由應變&溫度傳感光纜及光信號解調(diào)儀組成，其中1是閘首底板，3是輸水廊道，5是閘室底板，7是閘室墻，2、4、6、8是應變和溫度傳感光纜，9是各條光纜集成點。其中傳感光纜的安裝步驟為：（1）布設標示：在混凝土澆筑前，鋼筋網(wǎng)完成鋪設后，根據(jù)監(jiān)測方案的設計要求，在鋼筋網(wǎng)上標示傳感光纜的布設線路。標示過程中需要測量各段傳感光纜的鋪設長度并做好相應記錄，拐角位置需要考慮傳感光纜的最小曲率要求。（2）傳感器布放：沿著標示布放傳感光纜，用膠布或扎帶臨時固定。放纜時注意傳感光纜應保持在松弛狀態(tài)，集各條光纜線路沿結構鋼筋敷設至閘首頂部，并預留2-5m自由長度用于線路集成及熔接跳線。（3）澆筑前固定：在混凝土澆筑作業(yè)即將開始前對傳感光纜進行固定。固定方式為采用高強度PVC膠布逐點將光纜固定在鋼筋網(wǎng)上。固定點的疏密程度取決于能否控制傳感光纜的形態(tài)，固定過程中務必使傳感光纜沿標示線直線布放。（4）拐角控制及緩沖保護：對于拐角位置，應滿足傳感光纜的最小曲率半徑要求，在鋪設固定時務必加密固定點，以保證該位置不會隨著澆筑施工而產(chǎn)生移動。對于澆筑時易造成沖擊的位置，可采用纏繞泡沫海綿等緩沖材料，形成一層緩沖層，以保護傳感線路不受破壞。（5）節(jié)點熔接：待澆筑施工完成，具備熔接本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
船閘結構應變、應力分布式光纖監(jiān)測方法，其特征是包括分布式溫度和應變傳感光纜、布里淵光時域分析數(shù)據(jù)采集設備、拉曼散射光時域反射數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)處理與分析模塊；通過將溫度和應變傳感光纜敷設于船閘主體結構，包括閘首底板、輸水廊道、閘室底板、閘室墻鋼筋混凝土表層；當結構產(chǎn)生變形，傳感光纜將隨鋼筋混凝土結構產(chǎn)生同步變形，光纖傳感器產(chǎn)生相應的應變，將傳感光纜的應變分布進行溫度補償、做差計算后就得到對應工況作用下鋼筋混凝土結構的應變分布；船閘結構中各條光纜串聯(lián)，由BOTDA布里淵光時域分析技術和ROTDR拉曼光時域反射技術同步測量光纖的應變分布，構成分布式光纖監(jiān)測網(wǎng)，從而實現(xiàn)對船閘結構重點部位的實時、自動化、分布式監(jiān)測。

【技術特征摘要】
1.基于分布式光纖傳感技術的船閘主體結構應變、應力和溫度的監(jiān)測方法，其特征是包括分布式溫度和應變傳感光纜、布里淵光時域分析數(shù)據(jù)采集設備、拉曼散射光時域反射數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)處理與分析模塊；通過將分布式溫度和應變傳感光纜敷設于船閘主體結構，分布式的溫度和應變傳感光纜以與主筋綁扎的方式敷設于船閘主體結構的閘首底板、輸水廊道、閘室底板、閘室墻鋼筋混凝土表層的頂、底或內(nèi)、外表面構成U字形回路；所述分布式溫度和應變傳感光纜距離混凝土表面5-10cm；在閘首頂部建立數(shù)據(jù)采集站點，將所敷設的傳感光纜線路通過光纜連接數(shù)據(jù)采集站點；分布式溫度和應變傳感光纜由緊套單模傳感光纜和松套多模傳感光纜組成，兩根光纜并排沿主筋布置，緊套單模傳感光纜用于應變測量，松套多模傳感光纜用于溫度測量；當結構產(chǎn)生變形，分布式溫度和應變傳感光纜將隨鋼筋混凝土結構產(chǎn)生同...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張丹，宋占璞，方海東，魏廣慶，施斌，翟劍峰，童恒金，徐亮，
申請(專利權)人：南京大學，江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，蘇州南智傳感科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：