CN108759780A - 一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置 - Google Patents

一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，该装置包括桥身、桥墩、基准桩以及三个光纤光栅，其中两个光纤光栅经过拉伸后，两端的光纤分别固定在基准桩和桥墩上的圆柱凸起上，用于感知桥墩沉降带来的变形应变；另外一个光纤光栅自由悬空于桥墩上的圆柱凸起上，为其他两个应变测量光栅提供温度补偿；当桥墩发生沉降位移时，两个预拉伸的光纤光栅张力产生变化，波长出现漂移。本发明采用光纤光栅作为传感元件测量桥墩沉降变形，不受野外电磁干扰影响，可上百公里的远距离传输信号，能够实现分布式实时监测。

Description

一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置
技术领域
本发明属于岩土工程安全监测和光纤传感技术领域，具体涉及一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置。
背景技术
高速铁路在我国发展迅猛，越来越多的高铁线路将我国各地互联互通。但同时，我国地质构造复杂，对于诸如黄土高原、青藏高原等恶劣地质条件下的高铁线路，易发生桥墩沉降问题，如果沉降超过安全极限，高铁运行安全就会受到极大威胁，因此，高铁桥墩的沉降监测显得尤为重要。
现有的桥墩沉降监测多采用GPS、激光成像、光学干涉仪等技术手段，它们往往存在仪器操作复杂、使用不便、不利于开展实时监测等问题。如申请号为“201410013970.5”的中国发明专利，公开了一种基于准直激光成像的桥墩沉降在线监测与预警***，通过在基准桥墩上安装激光器，激光发光依次指向下一个桥墩，然后对光进行图像处理后，得到相对沉降量。该技术装置由多个仪器组成，***构成复杂，而高铁桥墩往往位于野外环境，存在雷击等复杂干扰，该技术装置的适用性存在问题。
发明内容
现有的高铁桥墩监测技术主要存在无法在恶劣环境下监测、不利于实时监测等问题，针对这些问题，本发明提供了一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，采用光纤光栅作为传感元件测量桥墩沉降变形，不受野外电磁干扰影响，可上百公里的远距离传输信号，能够实现分布式实时监测。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，包括桥身、桥墩、第一基准桩、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第二基准桩；所述第一基准桩和第二基准桩分别位于各自桥身下面两个桥墩间的中间位置，并固定在地面；第一基准桩和第二基准桩分别位于桥墩的左右两侧；所述第一光纤光栅的左侧光纤固定在第一基准桩的侧面上，右侧光纤固定在中间桥墩的相同侧面上；所述第二光纤光栅自由悬空于中间桥墩的相同侧面上；所述第三光纤光栅的左侧光纤固定在中间桥墩上与第一光纤光栅的右侧光纤相同的位置，右侧光纤固定在第二基准桩的相同侧面上；第一光纤光栅的右侧光纤、第三光纤光栅的左侧光纤分别与第二光纤光栅两端的尾纤焊接后串联。
优选地，所述桥墩的侧面上端设有桥墩圆柱凸起；所述第一基准桩的侧面上端设有第一基准桩圆柱凸起，所述第二基准桩的侧面上端设有第二基准桩圆柱凸起；所有的圆柱凸起均位于相同的侧面，桥墩圆柱凸起的高度高于另两个圆柱凸起，第一基准桩圆柱凸起的高度和第二基准桩圆柱凸起的高度相等。
优选地，所述第一光纤光栅的左侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在第一基准桩圆柱凸起上，经过拉伸后，右侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在桥墩圆柱凸起上；所述第二光纤光栅自由悬空于桥墩圆柱凸起上；所述第三光纤光栅的左侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在桥墩圆柱凸起上，经过拉伸后，右侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在第二基准桩圆柱凸起上。
优选地，所述第一基准桩和第二基准桩均深埋入地面固定。
优选地，所述第一光纤光栅左侧一端的尾纤和第三光纤光栅右侧一端的尾纤，分别与下一个桥墩监测光纤光栅继续串接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用光纤光栅作为传感元件测量桥墩沉降变形，不受野外电磁干扰影响，可上百公里的远距离传输信号，而且一根光纤上可串接数十个光栅测点，可以实现分布式实时监测。
(2)实施过程中，只需埋入基准桩，光纤光栅缠绕固定后即可开展测量，操作简便。
(3)结构简单，使用方便，适应恶劣环境下的实时监测。
附图说明
图1是本发明所提供的一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置的结构示意图。
附图标记说明：1、桥身；2、桥墩；3、第一基准桩；4、第一光纤光栅；5、第二光纤光栅；6、第三光纤光栅；7、第二基准桩；2-1、桥墩圆柱凸起；3-1、第一基准桩圆柱凸起；7-1、第二基准桩圆柱凸起。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，包括桥身1、桥墩2、第一基准桩3、第一光纤光栅4、第二光纤光栅5、第三光纤光栅6和第二基准桩7；所述第一基准桩3和第二基准桩7分别位于各自桥身1下面两个桥墩2间的中间位置，并固定在地面；第一基准桩3和第二基准桩7分别位于桥墩2的左右两侧；所述第一光纤光栅4的左侧光纤固定在第一基准桩3的侧面上，右侧光纤固定在中间桥墩2的相同侧面上；所述第二光纤光栅5自由悬空于中间桥墩2的相同侧面上；所述第三光纤光栅6的左侧光纤固定在中间桥墩2上与第一光纤光栅4的右侧光纤相同的位置，右侧光纤固定在第二基准桩7的相同侧面上；第一光纤光栅4的右侧光纤、第三光纤光栅6的左侧光纤分别与第二光纤光栅5两端的尾纤焊接后串联。
具体地，所述桥墩2的侧面上端设有桥墩圆柱凸起2-1；所述第一基准桩3的侧面上端设有第一基准桩圆柱凸起3-1，所述第二基准桩7的侧面上端设有第二基准桩圆柱凸起7-1；所有的圆柱凸起均位于相同的侧面，桥墩圆柱凸起2-1的高度高于另两个圆柱凸起，第一基准桩圆柱凸起3-1的高度和第二基准桩圆柱凸起7-1的高度相等。
具体地，所述第一光纤光栅4的左侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在第一基准桩圆柱凸起3-1上，经过拉伸后，右侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在桥墩圆柱凸起2-1上；所述第二光纤光栅5自由悬空于桥墩圆柱凸起2-1上；所述第三光纤光栅6的左侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在桥墩圆柱凸起2-1上，经过拉伸后，右侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在第二基准桩圆柱凸起7-1上。
具体地，所述第一基准桩3和第二基准桩7均深埋入地面固定。
具体地，所述第一光纤光栅4左侧一端的尾纤和第三光纤光栅6右侧一端的尾纤，分别与下一个桥墩监测光纤光栅继续串接。
实施例
一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置的制作过程如下：
首先，在左、中、右三个桥墩2之间的中间位置的地面，打2个深孔，竖直埋入2个基准桩，即第一基准桩3和第二基准桩7，由于基准桩的上端无重物不受力，因此不会沉降，所以可作为基准点；
其次，在桥墩2、第一基准桩3和第二基准桩7的上端通过水泥或者胶黏剂分别固定一个圆柱凸起，用于缠绕和固定光纤；
最后，在第一基准桩3上面的第一基准桩圆柱凸起3-1上缠绕第一光纤光栅4的尾纤，并采用胶黏剂固定，然后拉伸第一光纤光栅4，使波长漂移2nm，然后将另一端尾纤缠绕并固定在中间桥墩2的圆柱凸起2-1上；采用类似的方法固定第三光纤光栅6；第二光纤光栅5自由悬空于中间桥墩2的圆柱凸起2-1上，然后采用光纤焊接机将第一光纤光栅4、第三光纤光栅6和第二光纤光栅5在中间桥墩2上面的尾纤焊接起来。
第一光纤光栅4和第三光纤光栅6另外一端的尾纤，可以与下一个桥墩监测光纤光栅继续串接。
桥墩沉降监测方法如下：当桥墩2发生沉降位移时，两个预拉伸的第一光纤光栅4和第三光纤光栅6的张力产生变化，波长出现漂移。同时，环境温度变化会使第一光纤光栅4、第二光纤光栅5和第三光纤光栅6出现同向、等值的波长漂移，采用光纤光栅波长解调器监视所有光纤光栅的波长漂移情况。将第一光纤光栅4、第三光纤光栅6的漂移量减去第二光纤光栅5的波长漂移量，剔除环境温度引起的第一光纤光栅4、第三光纤光栅6的波长漂移，即可得到由桥墩沉降带来的第一光纤光栅4、第三光纤光栅6波长漂移量，进而得到对应的应变值；结合桥墩圆柱凸起2-1和第一基准桩圆柱凸起3-1、第二基准桩圆柱凸起7-1之间的两个光纤长度，即可得到该段光纤的长度变化值；再结合一个桥墩圆柱凸起2-1和第一基准桩圆柱凸起3-1、第二基准桩圆柱凸起7-1构成的等腰三角形进行计算求解，既然得到了等腰三角形两个腰边的长度变化值(即光纤的长度变化值)，则根据三角形的几何特征以及三角函数关系推得等腰三角形的高度变化(即桥墩沉降)情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，包括桥身(1)、桥墩(2)、第一基准桩(3)、第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)、第三光纤光栅(6)和第二基准桩(7)，其特征在于：所述第一基准桩(3)和第二基准桩(7)分别位于各自桥身(1)下面两个桥墩(2)间的中间位置，并固定在地面；第一基准桩(3)和第二基准桩(7)分别位于桥墩(2)的左右两侧；所述第一光纤光栅(4)的左侧光纤固定在第一基准桩(3)的侧面上，右侧光纤固定在中间桥墩(2)的相同侧面上；所述第二光纤光栅(5)自由悬空于中间桥墩(2)的相同侧面上；所述第三光纤光栅(6)的左侧光纤固定在中间桥墩(2)上与第一光纤光栅(4)的右侧光纤相同的位置，右侧光纤固定在第二基准桩(7)的相同侧面上；第一光纤光栅(4)的右侧光纤、第三光纤光栅(6)的左侧光纤分别与第二光纤光栅(5)两端的尾纤焊接后串联。
2.根据权利要求1所述的一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，其特征在于：所述桥墩(2)的侧面上端设有桥墩圆柱凸起(2-1)；所述第一基准桩(3)的侧面上端设有第一基准桩圆柱凸起(3-1)，所述第二基准桩(7)的侧面上端设有第二基准桩圆柱凸起(7-1)；所有的圆柱凸起均位于相同的侧面，桥墩圆柱凸起(2-1)的高度高于另两个圆柱凸起，第一基准桩圆柱凸起(3-1)的高度和第二基准桩圆柱凸起(7-1)的高度相等。
3.根据权利要求2所述的一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，其特征在于：所述第一光纤光栅(4)的左侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在第一基准桩圆柱凸起(3-1)上，经过拉伸后，右侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在桥墩圆柱凸起(2-1)上；所述第二光纤光栅(5)自由悬空于桥墩圆柱凸起(2-1)上；所述第三光纤光栅(6)的左侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在桥墩圆柱凸起(2-1)上，经过拉伸后，右侧光纤缠绕并采用胶黏剂固定在第二基准桩圆柱凸起(7-1)上。
4.根据权利要1至3中任一项所述的一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，其特征在于：所述第一基准桩(3)和第二基准桩(7)均深埋入地面固定。
5.根据权利要求4所述的一种高铁桥墩沉降的光纤光栅监测装置，其特征在于：所述第一光纤光栅(4)左侧一端的尾纤和第三光纤光栅(6)右侧一端的尾纤，分别与下一个桥墩监测光纤光栅继续串接。
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