CN109778680A - 一种桥墩防冻胀***及冻胀应力监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥墩防冻胀***及冻胀应力监控方法，包括桥墩和保护壳，保护壳设置于桥墩的***，保护壳的下端位于桥墩与河底的交界处，保护壳的上端高出河面；桥墩与保护壳之间填充有弹性垫，弹性垫与桥墩之间纵向设置有多个冻胀应力监控层。本发明避免了水分的侵蚀引起的桥墩的受冻损伤和破坏，有效缓解桥墩冻胀应力，进而避免桥墩在交通载荷下产生的应力集中，大大提高跨江桥梁上的行车安全；同时，大幅度降低桥墩防冻养护成本；本发明的监控方法能够实现对桥墩柱冻胀情况的实时监控，可避免桥墩扭曲、断裂带来的安全事故，还能够通过历史数据对桥墩的服役寿命作出预判，提高交通基础设施运营的安全性和经济性。

Description

一种桥墩防冻胀***及冻胀应力监控方法

技术领域

本发明涉及建筑材料与结构防护技术领域，尤其涉及一种桥墩防冻胀***及冻胀应力监控方法。

背景技术

在我国北方地区，铁路、公路常跨越江河湖泊，修建桥梁等大型构筑物成为铁路与公路建设的关键性工程。然而，矗立于江河湖泊的桥梁桩基经受交通荷载与气候环境的交互作用，尤其是在冰冻季节，混凝土桥墩的受力状况异常复杂，一方面，由于水分的侵蚀，在受冻条件下混凝土会产生冻胀应力和温度应力，将使混凝土表层引发许多微裂纹，混凝土的受冻损伤和破坏是不可避免的问题，冻胀病害对混凝土桥墩的服役质量和使用寿命产生不利影响；另一方面，如果混凝土桥墩一旦被冻住，冰的冻胀应力挤压桥墩，致使桥墩变形，更为严重的是，在交通的荷载的作用下，已冻住的桥墩受力状况与桥梁设计时的应力状况相差甚远，约束了桥墩形变，部分协调变形功能丧失，造成桥墩冻住部位应力集中，冰层越厚，应力集中越显著，造成桥墩弯拉破坏，冻胀应力严重危及桥上的行车安全，存在极大的安全隐患。

为了确保冬季桥梁通行安全，常采用机械破冰、人工破冰、吹气防冰等方法防止桥墩被冻住，国内主流媒体已有“吹冰人”相关报道，工作人员作业环境非常恶劣，工作内容异常艰辛，危险时人身安全难以保障，可见，提出一种新型的桥墩防冻处治及冻胀应力监控方法，解决冬季桥墩被冻住的技术难题，确保冬季车辆通行安全，具有重要的现实意义和工程价值。

发明内容

针对冬季桥墩被冻住的技术难题，本发明的目的在于提供一种桥墩防冻胀***及冻胀应力监控方法，能够避免水分的侵蚀引起的桥墩的受冻损伤和破坏，有效缓解桥墩冻胀应力，进而避免桥墩在交通载荷作用下产生的应力集中，大大提高跨江桥梁上的行车安全；同时，大幅度降低桥墩防冻养护成本；本发明的监控方法能够实现对桥墩柱冻胀情况的实时监控，可避免桥墩扭曲、断裂带来的安全事故，还能够通过历史数据对桥墩的服役寿命作出预判，提高交通基础设施运营的安全性和经济性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

(一)一种桥墩防冻胀***，包括桥墩和保护壳，所述保护壳设置于所述桥墩的***，所述保护壳的下端位于桥墩与河底的交界处，所述保护壳的上端高出河面；所述桥墩与保护壳之间填充有弹性垫，所述弹性垫与桥墩之间纵向设置有多个冻胀应力监控层。

另外，本发明提供的桥墩防冻胀***还可以具有以下附加技术特征：

优选的，所述保护壳由相互匹配的左半壳和右半壳组成，所述左半壳与右半壳的一个连接端铰接，另一个连接端通过紧固件固定连接。

进一步优选的，所述紧固件包含螺杆和滑槽，所述滑槽横向设置于所述右半壳的固接端；所述左半壳的固接端设置具有内螺纹的通孔，所述螺杆穿过滑槽和通孔，并通过紧固螺母在所述右半壳的外侧固定。

优选的，所述保护壳与所述桥墩的外壁形状相同。

优选的，所述保护壳的材质为奥氏体不锈钢。

优选的，所述弹性垫为硅橡胶垫。

优选的，所述左半壳与右半壳的外侧壁分别对应设置有安装筋。

优选的，每个所述冻胀应力监控层包含压力传感器、数据采集仪和远程监控***，所述压力传感器镶嵌于所述弹性垫的贴近桥墩的侧面上；所述压力传感器的探测端与桥墩侧壁接触，所述压力传感器的信号输出端与数据采集仪的信号输入端电连接，所述数据采集仪的信号输出端与所述远程监控***的数据信号输入端电连接。

进一步优选的，所述压力传感器沿所述桥墩周向对称设置。

优选的，还包括照明部件和摄像机，所述照明部件用于在夜间照明桥墩附近的河面，辅助摄像机的夜间拍摄；所述摄像机的摄像头朝向所述桥墩周围的河面，所述摄像机的信号输出端与远程监控***的图像信号输入端连接。

(二)一种桥墩冻胀应力监控方法，包括以下步骤：

步骤1，根据桥墩位于水面以下部分的高度，确定保护壳的节数；制备与桥墩形状相匹配的保护壳，使各节保护壳的高度大于桥墩位于水面以下部分的高度；

步骤2，在弹性垫上嵌入冻胀应力监控层，再将弹性垫紧贴固定于保护壳内壁，使弹性垫的嵌入面紧贴桥墩的外壁；然后，将各节保护壳压紧固定于桥墩***，使弹性垫与桥墩之间隔绝水，同时使桥墩位于河水中的部分被保护壳包围；最后，启动冻胀应力监控层，获取桥墩与冻胀应力监控层对应位置的应力。

优选的，步骤1中，所述弹性垫的厚度为10～20cm。

优选的，步骤1中，每节保护壳的高度为1～2米。

与现有技术对比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在桥墩***设置保护壳和弹性垫，防止水分对桥墩的侵蚀破坏，从而大幅度缓解来自江河湖泊冰体中冻胀应力，并通过弹性垫的变形协调功能大幅度缓解冰体中桥墩周围的冻胀应力，减少冰体对桥墩的约束，降低桥墩冻住部位的应力集中，消除桥墩因冻胀应力产生的安全隐患。

(2)本发明采用硅橡胶与混凝土桥墩的紧密贴合，硅橡胶在低温下仍具有良好柔性，能够防止水分渗入桥墩，消除受冻条件下混凝土内部产生的冻胀应力和温度应力，防止桥墩混凝土表层的冻融循环破坏，提升了桥墩的服役质量，延长其使用寿命。

(3)本发明通过保护壳的结构设计，使不锈钢外壳和硅橡胶垫可拆卸，并可重复使用，大幅度降低了桥墩防冻养护成本，尤其是减少养护人力成本，改善了破冰工作者的工作环境。

(4)本发明通过不锈钢保护壳使硅橡胶内的压力传感器的检测环境更加稳定，提高了压力传感器的检测准确性，使本发明的监控数据不受江河中水流的影响，能够及时准确的对桥墩的安全性进行评估与预警，具有重要的现实意义和工程价值。

(5)本发明的监控方法能够将河水结冰对桥墩产生的冻胀应力进行实时监控，并通过远程监控***对桥墩所受冻胀应力进行实时监控，根据冻胀应力情况和通行荷载情况，进行桥梁结构力学计算，及时对桥墩的安全性进行评估与预警，避免桥墩突然破坏引起的安全事故的发生。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的桥墩防冻胀***的结构示意图。

图2是本发明的桥墩防冻胀***的俯视结构示意图。

图3是本发明中左半壳与右半壳连接结构示意图。

以上图中：1桥墩；2保护壳；21左半壳；22右半壳；23安装筋；3紧固件；31滑槽；32螺栓；4弹性垫；5压力传感器；6数据采集仪；7远程监控***；8照明部件；9摄像机。

具体实施方式

参考图1，本发明的一种桥墩防冻胀***，包括桥墩1和保护壳2，保护壳2设置于桥墩1的***，保护壳2的下端位于桥墩1与河底的交界处，保护壳2的上端高出河面；桥墩1与保护壳2之间填充有弹性垫4，弹性垫4与桥墩1之间纵向设置有多个冻胀应力监控层。

在以上实施例中，保护壳2可以根据桥墩1位于河面以下部分的高度分为多节，每节保护壳2的高度一般为1～2米，可多节联合使用。保护壳2位于桥墩1的***避免了江河湖泊中的沙石等对桥墩1的直接冲蚀，能够延长桥墩1使用寿命；保护壳2的下端位于桥墩1与河谷谷底的交界处，保护壳2的上端高出河面；桥墩1与保护壳2之间填充有弹性垫4，使桥墩1与水分接触的位置都能够受到保护壳2与弹性垫4的保护作用，避免水分与桥墩1直接接触，进而避免了寒冷季节水分冻结成冰引起的桥墩1的受冻损伤和破坏，有效缓解桥墩1冻胀应力，进而避免桥墩1在交通载荷下产生的应力集中，大大提高跨江桥梁上的行车安全。弹性垫4与桥墩1之间纵向设置有多个冻胀应力监控层，实现了桥墩1不同高度的冻胀应力变化的实时监控，避免了人工监控的滞后性，同时可改善破冰人的工作强度和工作环境。本发明的桥墩防冻胀***，还具有以下附加实施例：

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，保护壳2由相互匹配的左半壳21和右半壳22组成，左半壳21与右半壳22的一个连接端铰接，另一个连接端通过紧固件3固定连接。

在以上实施例中，保护壳2由相互匹配的左半壳21和右半壳22组成，便于保护壳2的安装与拆卸，左半壳21与右半壳22的一个连接端铰接，另一个连接端通过紧固件3固定连接，使左半壳21与右半壳22一端可转动连接，以调节保护壳2的大小，另一端用于固定保护壳2的位置，使保护壳2相对于桥墩1可进行适量的调节，能够保证在桥墩1发生微量变形时，保护壳2仍然适用。

参考图2和图3，根据本发明的一个实施例，紧固件3包含螺杆32和滑槽31，滑槽31横向设置于右半壳22的固接端；左半壳21的固接端设置具有内螺纹的通孔，螺杆32穿过滑槽31和通孔，并通过紧固螺母在右半壳22的外侧固定。

在以上实施例中，在保护壳2安装过程中，将螺杆32依次穿过右半壳22的滑槽31和左半壳21的通孔，再通过螺杆32沿左半壳21上的通孔内螺纹拧紧，并通过紧固螺母在右半壳22的外侧拧紧，实现左半壳21与右半壳22的固定连接；通过移动左半壳22来使通孔对准滑槽的不同位置，实现保护壳2周向大小的微调，操作便捷便于安装和拆卸。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，保护壳2与桥墩1的外壁形状相同。

在以上实施例中，使保护壳2与桥墩1之间弹性垫4的内侧与外侧的形状匹配，进而使弹性垫4能够更好的与混凝土桥墩1紧密贴合，防止水分渗入桥墩1。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，保护壳2的材质为奥氏体不锈钢。

在以上实施例中，奥氏体不锈钢保护壳2具有良好的韧性和变形协调功能，使保护壳2能够更好的适应于冬季冰冻季节使用。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，弹性垫4为硅橡胶垫。

在以上实施例中，硅橡胶垫在低温下(-20℃以下)仍具有良好柔性，能够在低温下实现与桥墩1外壁的良好贴合，又具有良好的密封效果，可有效防止水分渗入桥墩1，消除受冻条件下混凝土内部产生的冻胀应力和温度应力。

参考图1，根据本发明的一个实施例，左半壳21与右半壳22的外侧壁上分别对应设置有安装筋23。

在以上实施例中，在左半壳21与右半壳22的外表层周向焊接不锈钢安装筋23型材，起到稳固壳体和吊装作用。

参考图1，根据本发明的一个实施例，每个冻胀应力监控层包含压力传感器5、数据采集仪6和远程监控***7，压力传感器5镶嵌于弹性垫4的贴近桥墩1的侧面上；压力传感器5的探测端与桥墩1侧壁接触，压力传感器5的信号输出端与数据采集仪6的信号输入端电连接，数据采集仪6的信号输出端与远程监控***7的数据信号输入端电连接。

在以上实施例中，压力传感器5镶嵌于弹性垫4的贴近桥墩1的侧面，用于获取桥墩1的冻胀应力，并通过数据采集仪6将冻胀应力数据提取出来输送给远程监控***7，基于移动互联网通信技术，将应力数据上传至移动互联网服务器，通过远程监控***7控制终端即可浏览、存储或下载应力数据，监控冻胀应力状况，根据冻胀应力情况和通行荷载情况，进行桥梁结构力学计算，判断桥墩1桩基、桥梁的安全性。此外，本发明可以通过保护壳2使硅橡胶内的压力传感器5的检测环境更加稳定，提高了压力传感器5的检测准确性，使本发明的监控数据不受江河中水流的影响，能够及时准确的对桥墩1的安全性进行评估与预警，具有重要的现实意义和工程价值。

参考图2，根据本发明的一个实施例，压力传感器5沿桥墩1周向对称设置。

在以上实施例中，压力传感器5沿桥墩1周向对称设置，能够均匀的获取每个冻胀应力监控层沿桥墩1周向的冻胀应力，从而准确的评估每个冻胀应力监控层的冻胀应力，进而指导桥墩1的安全性评估。

参考图1，根据本发明的一个实施例，还包括照明部件8和摄像机9，照明部件8用于在夜间照明桥墩1附近的河面，辅助摄像机9的夜间拍摄；摄像机9的摄像头朝向桥墩1周围的河面，摄像机9的信号输出端与远程监控***7的图像信号输入端电连接。

在以上实施例中，摄像机9将获取的图像信息传输给远程监控***7，通过远程监控***7即可实时观测桥墩1周围水域的冻结状况。照明部件8为照明灯用于配合视频机，获取清晰的图像信息，保障桥墩1周围水域的24小时监控。

实施例

下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明：

本发明实施例根据国内主流媒体已有的“吹冰人”相关报道，以京通铁路线承德工务段白河桥梁工区的钢桁架铁路桥梁的混凝土桥墩为研究对象进行试验，以1:400比例尺寸建立试验模型，在矩形盛水容器中，树立具有不同厚度弹性垫作为防护结构的矩形柱，具体包括以下步骤：

步骤1，在矩形盛水容器中，树立具有不同防护结构的矩形柱，根据矩形柱位于水面以下部分的高度，确定保护壳的节数；制备与矩形柱形状相匹配的保护壳，使各节保护壳的总高度大于桥墩位于水面以下部分的高度。

步骤2，在硅橡胶垫的上部、中部、下部分别布置三层冻胀应力监控层，每个冻胀应力监控层沿矩形柱周向均匀设置三个压力传感器，再将弹性垫紧贴固定于保护壳内壁，使弹性垫的嵌入面紧贴矩形柱的外壁；然后，将各节保护壳压紧固定于矩形柱***，使弹性垫与矩形柱之间隔绝水，同时使矩形柱位于河水中的部分被保护壳包围；最后，启动冻胀应力监控层，获取矩形柱与冻胀应力监控层对应位置的应力。

以上实施例中，保护壳采用奥氏体不锈钢保护壳，镶嵌不同厚度的硅橡胶，在低温环境箱中进行冻胀模拟试验，得到不同硅橡胶垫厚度下矩形柱不同高度压力传感器的冻胀应力数据。

通过设计一个对比例和三个实施例，获得了不同试验条件下的冻胀应力，结果如表1所示。

表1本发明实施例的不同硅橡胶垫厚度所得的冻胀应力

根据表1，对比实施例1-3与对比例可以看出，设置硅橡胶防护层后，无论0℃还是-20℃，冻胀应力均显著下降，从未设置防护层到设置1mm厚硅橡胶防护层，冻胀应力降低50％以上；从实施例1-3的数据可以看出，随着硅橡胶防护层厚度的增大，冻胀应力逐渐减小；当硅橡胶厚度增大到3mm时，硅橡胶垫对应的矩形柱的上部、中部、下部在0℃时基本没有冻胀应力，在-20℃的低温环境中，冻胀应力很小；且矩形柱不同高度处的冻胀应力差异不大，说明硅橡胶垫和不锈钢保护壳起到了很好的防冻胀效果。同时，本发明的冻胀应力监控方法能够实时获取桥墩冻胀应力情况。在工程实际中，可以根据冻胀水域面积和气候环境温度设置合理的硅橡胶垫的厚度，并且可根据传感器中得到的冻胀应力最大值是否超出安全警戒而判断桥墩结构的安全性，以便采取相应措施融冰。

本发明针对冰冻季节的桥墩冻胀破坏，基于安全的理念，合理利用移动互联网技术，对于北方地区冬季涉水桥墩周围结冰产生的冻胀应力，利用硅胶缓冲结构层与压力传感器，实现涉水桥墩冻胀破坏的有效防护与监控，延长涉水桥墩的使用寿命，保障行车安全。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种桥墩防冻胀***，其特征在于，包括桥墩(1)和保护壳(2)，所述保护壳(2)设置于所述桥墩(1)的***，所述保护壳(2)的下端位于桥墩(1)与河底的交界处，所述保护壳(2)的上端高出河面；所述桥墩(1)与保护壳(2)之间填充有弹性垫(4)，所述弹性垫(4)与桥墩(1)之间纵向设置有多个冻胀应力监控层。

2.根据权利要求1所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，所述保护壳(2)由相互匹配的左半壳(21)和右半壳(22)组成，所述左半壳(21)与右半壳(22)的一个连接端铰接，另一个连接端通过紧固件(3)固定连接。

3.根据权利要求2所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，所述紧固件(3)包含螺杆(32)和滑槽(31)，所述滑槽(31)横向设置于所述右半壳(22)的固接端；所述左半壳(21)的固接端设置具有内螺纹的通孔，所述螺杆(32)穿过滑槽(31)和通孔，并通过紧固螺母在所述右半壳(22)的外侧固定。

4.根据权利要求3所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，每个所述冻胀应力监控层包含压力传感器(5)、数据采集仪(6)和远程监控***(7)，所述压力传感器(5)镶嵌于所述弹性垫(4)的贴近桥墩(1)的侧面上；所述压力传感器(5)的探测端与桥墩(1)侧壁接触，所述压力传感器(5)的信号输出端与数据采集仪(6)的信号输入端电连接，所述数据采集仪(6)的信号输出端与所述远程监控***(7)的数据信号输入端电连接。

5.根据权利要求4所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，所述压力传感器(5)沿所述桥墩(1)周向对称设置。

6.根据权利要求2所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，所述保护壳(2)与所述桥墩(1)的外壁形状相同。

7.根据权利要求2所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，所述保护壳(2)的材质为奥氏体不锈钢，所述弹性垫(4)为硅橡胶垫。

8.根据权利要求7所述的桥墩防冻胀***，其特征在于，还包括照明部件(8)和摄像机(9)，所述照明部件(8)用于在夜间照明桥墩(1)附近的河面，辅助摄像机(9)的夜间拍摄；所述摄像机(9)的摄像头朝向所述桥墩(1)周围的河面，所述摄像机(9)的信号输出端与远程监控***(7)的图像信号输入端连接。

9.一种桥墩冻胀应力监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据桥墩位于水面以下部分的高度，确定保护壳的节数；制备与桥墩形状相匹配的保护壳，使各节保护壳的高度总和大于桥墩位于水面以下部分的高度；

步骤2，在弹性垫上嵌入冻胀应力监控层，再将弹性垫紧贴固定于保护壳内壁，使弹性垫的嵌入面紧贴桥墩的外壁；然后，将各节保护壳压紧固定于桥墩***，使弹性垫与桥墩之间隔绝水，同时使桥墩位于河水中的部分被保护壳包围；最后，启动冻胀应力监控层，获取桥墩与冻胀应力监控层对应位置的应力。

10.根据权利要求9所述的桥墩冻胀应力监控方法，其特征在于，步骤1中，所述弹性垫的厚度为10～20cm，每节保护壳的高度为1～2米。