预制砼结构光纤传感监测网布设装备和方法与流程

1.本发明涉及预制拼装结构安全监测技术领域，具体涉及一种预制砼结构光纤传感监测网布设装备和方法。


背景技术：

2.大型预制拼装结构装备，如盾构隧道、综合管廊、预制砼管涵等在长期服役过程中由于受到外力的作用，存在结构上的安全隐患，由于这类设施具有隐蔽性高、距离长、分布面积大的特点，很难对其进行全时、全方位监测。传统结构工程监测技术、传感器性能难以满足广域性、长持时、耐久性要求，分布式布里渊光纤传感可以实现空间上的连续应变和温度测量，可以形成规模化的监测网络，特别适合于大型基础设施、大型结构装备等安全监测。然而预制结构布设光纤面临的主要问题是结构预埋光纤至现场拼接后再熔接存在熔接断点多、光损耗等问题，或是节段拼装后表面黏贴、开槽等布设方法存在光纤与结构变形耦合差、耐久性差等问题，存在主体结构不允许开槽破坏或后期架设附属设施时光纤易损等问题。针对这些应用问题，在预制节段砼结构中预留穿线孔，结构拼装后进行光纤穿孔固定的方法进行光纤监测网的布设，其优势在于熔接断点少、光损耗少，通过注浆固定可以使光纤与结构融合，保证耦合性、耐久性。最后，经过多通道的光纤铺设，可以实现结构大范围、长距离的监测，即通过分布式光纤密集的单点应变测量实现（最小空间分辨率最高可达2cm，采样分辨率1cm），在合理成本控制范围内有效地掌握结构整体安全状态。
3.目前，采用单点钢筋计、单点光栅光纤进行结构应力应变状态测量为传统常规监测手段，通过分布式光纤进行结构监测的工程实例较多，预制拼装结构的监测研究大都集中于表面开槽或黏贴的方式，针对预制拼装结构的传感器集成及广域监测技术仍处于探索阶段。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种预制砼结构光纤传感监测网布设装备和方法，形成基于分布式光纤的广域、自动、低成本的预制结构应变监测方案，可为结构工程的稳定性与安全性评价提供数据支撑。
5.本发明所采用的技术方案为：预制砼结构光纤传感监测网布设装备，其特征在于：所述装备包括锰钢加密弹簧软轴、大型疏通机和电机弹簧软轴收盘器；锰钢加密弹簧软轴由大型疏通机从预制砼结构构件的结构预留穿线孔的起始孔口泵送至终止孔口；锰钢加密弹簧软轴的末端与应变温补联合监测光纤连接，始端与电机弹簧软轴收盘器连接，通过电机弹簧软轴收盘器卷收锰钢加密弹簧软轴，从而将应变温补联合监测光纤牵引至结构预留穿线孔中。
6.泵送过程中，锰钢加密弹簧软轴的始端设置有穿引冲头。
7.泵送结束后，锰钢加密弹簧软轴的末端通过弹簧软轴与光纤连接端头与应变温补联合监测光纤连接，锰钢加密弹簧软轴的始端通过弹簧软轴前置端头与电机弹簧软轴收盘器连接。
8.锰钢加密弹簧软轴长度不够时通过弹簧软轴续接端头进行接长。
9.应变温补联合监测光纤牵引至结构预留穿线孔内后，始端通过光纤锚固夹具夹持并紧固，末端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管、光纤锚固夹具、微型千斤顶和光纤锚固器，通过微型千斤顶张拉光纤到达设计拉力后，光纤锚固夹具夹持应变温补联合监测光纤末端并紧固，撤除微型千斤顶和光纤锚固器。
10.在结构预留穿线孔侧面设置预埋pvc注浆孔和预埋pvc检查孔，位于预制砼结构构件两端，预埋pvc注浆孔连接高压注浆设备，注浆后观察预埋pvc检查孔内是否有浆液冒出并封堵。
11.微型千斤顶通过密封油管接入操作压杆，操作压杆经密封油管使微型千斤顶施加荷载，观察操作压杆上微型千斤顶的荷载数值确认达到设计拉力值。
12.基于所述的装备实施的预制砼结构光纤传感监测网布设方法，其特征在于：以锰钢加密弹簧软轴作为穿线导索，在预制砼结构构件预留的结构预留穿线孔内进行应变温补联合监测光纤的牵引布设。
13.所述方法具体包括以下步骤：步骤一：泵送弹簧软轴：预制砼结构构件拼接完成后在结构起始端架设大型疏通机；锰钢加密弹簧软轴穿入大型疏通机泵送通道，弹簧软轴前置端头连接穿引冲头后穿入结构纵向预留穿线孔或结构横向预留穿线孔起始孔口；启动大型疏通机向结构拼接方向泵送锰钢加密弹簧软轴直至末端孔口，锰钢加密弹簧软轴长度不够时通过弹簧软轴续接端头进行接长；步骤二：收盘弹簧软轴牵引光纤：锰钢加密弹簧软轴端头从穿线孔末端孔口穿出后，取下弹簧软轴前置端头连接的穿引冲头，弹簧软轴前置端头与电机弹簧软轴收盘器连接固定；在锰钢加密弹簧软轴与应变温补联合监测光纤连接端头处将应变温补联合监测光纤穿入橡胶垫层拧紧紧固螺帽，启动电机弹簧软轴收盘器，缓慢牵引锰钢加密弹簧软轴使应变温补联合监测光纤从穿线孔末端孔口穿出；步骤三：张拉光纤：应变温补联合监测光纤始端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管、光纤锚固夹具，锚固端头预埋橡胶套管与光纤锚固夹具套紧穿入穿线孔起始孔口，光纤锚固夹具卡在穿线孔起始孔口，拧紧光纤锚固夹具的螺丝夹持固定应变温补联合监测光纤始端；于应变温补联合监测光纤末端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管、光纤锚固夹具、微型千斤顶、光纤锚固器，光纤锚固夹具同样卡在穿线孔末端孔口，拧紧光纤锚固器的螺丝夹持固定应变温补联合监测光纤末端，通过压杆经密封油管使微型千斤顶施加预拉力，观察阀表压杆上微型千斤顶的荷载数值，待预拉力达到设计值，稳定设计拉力5min后，拧紧光纤锚固夹具夹持固定应变温补联合监测光纤末端；步骤四：高压注浆封孔：应变温补联合监测光纤张拉完成后立即灌浆封堵，将高压注浆设备的灌浆嘴接入
预埋pvc注浆孔开始缓慢均匀的灌浆，中途不中断，在结构另一端的预埋pvc检查孔冒出浓浆后封闭检查孔，循环完成剩余节段结构注浆密实度检查直至结构起始节段，再继续适当加压后封闭注浆孔；待浆液达到设计强度的75%时，拆除始光纤起末端的光纤锚固夹具。
14.本发明具有以下优点：（1）本发明可以快速简便地进行预制拼装结构光纤监测网的布设，从而有效监测大范围、长距离预制砼结构的应变状态。
15.（2）本发明以弹簧软轴作为牵引导索穿引光纤，可以实现一次性、一体化整铺光纤，避免光纤跨越拼接缝布设时熔断点过多。
16.（3）本发明通过特制锚固夹具对光纤施加预拉力后注浆与结构黏结，保证光纤与结构耦合的同时对光纤测量起到一定的增敏效果。
17.（4）本发明提出的光纤布设方法可以提高恶劣施工环境下应变温补联合监测光纤的成活率，对应变温补联合监测光纤注浆封装保护能提升其耐用性能。
18.（5）本发明提出的光纤布设方法和系统丰富了预制砼结构光纤铺设工艺及方法。
19.（6）本发明的所有系统安装便捷、操作简单、设备体积小，易于在工程现场开展工作且可以在短时间内掌握。
附图说明
20.图1为弹簧软轴疏通系统工作示意图；图2为联动串联牵引系统工作示意图；图3为微型光纤张锚系统工作示意图；图4为弹簧软轴续接端头示意图；图5为弹簧软轴前置端头与穿引冲头连接示意图；图6为弹簧软轴与光纤连接端头示意图；图7为光纤锚固夹具横剖图；图8为光纤锚固夹具纵剖图；图9为光纤锚固器横剖图；图10为光纤锚固器纵剖图；图中，1—预制砼结构构件，2—结构拼接缝，3—结构纵向预留穿线孔，4—结构横向预留穿线孔，5—锰钢加密弹簧软轴，6—弹簧软轴前置端头，7—弹簧软轴续接端头，8—大型疏通机，9—应变温补联合监测光纤，10—弹簧软轴与光纤连接端头，11—电机弹簧软轴收盘器，12—光纤锚固夹具，13—光纤锚固器，14—微型千斤顶，15—密封油管，16—压杆，17—锚固端头预埋橡胶套管，18—预制锚固槽，19—预埋pvc注浆孔，20—预埋pvc检查孔，21—高压注浆设备，22—标准接头，23—穿引冲头，24—紧固螺帽，25—橡胶垫层。
具体实施方式
21.下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
22.本发明涉及一种预制砼结构光纤传感监测网布设装备，所述装备包括锰钢加密弹簧软轴5、大型疏通机8和电机弹簧软轴收盘器11；锰钢加密弹簧软轴5由大型疏通机8从预制砼结构构件1的结构预留穿线孔的起始孔口泵送至终止孔口；锰钢加密弹簧软轴5的末端
与应变温补联合监测光纤9连接，始端与电机弹簧软轴收盘器11连接，通过电机弹簧软轴收盘器11卷收锰钢加密弹簧软轴5，从而将应变温补联合监测光纤9牵引至结构预留穿线孔中。
23.泵送过程中，锰钢加密弹簧软轴5的始端设置有穿引冲头23，通过标准接头22连接。泵送结束后，锰钢加密弹簧软轴5的末端通过弹簧软轴与光纤连接端头10（包括标准接头22、紧固螺帽24和橡胶垫层25）与应变温补联合监测光纤9连接，锰钢加密弹簧软轴5的始端通过标准接头22与电机弹簧软轴收盘器11连接。锰钢加密弹簧软轴5长度不够时通过弹簧软轴续接端头7（为标准接头22）进行接长。
24.应变温补联合监测光纤9牵引至结构预留穿线孔内后，始端通过光纤锚固夹具12夹持并紧固，末端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管17、光纤锚固夹具12、微型千斤顶14和光纤锚固器13，通过微型千斤顶14张拉光纤到达设计拉力后，光纤锚固夹具12夹持应变温补联合监测光纤9末端并紧固，撤除微型千斤顶14和光纤锚固器13。
25.在结构预留穿线孔侧面设置预埋pvc注浆孔19和预埋pvc检查孔20，位于预制砼结构构件1两端，预埋pvc注浆孔19连接高压注浆设备21，注浆后观察预埋pvc检查孔20内是否有浆液冒出并封堵。
26.微型千斤顶14通过密封油管15接入操作压杆16，操作压杆16经密封油管15使微型千斤顶14施加荷载，观察操作压杆16上微型千斤顶14的荷载数值确认达到设计拉力值。
27.基于上述装备实施的预制砼结构光纤传感监测网布设方法为，以锰钢加密弹簧软轴5作为穿线导索，在预制砼结构构件1预留的结构预留穿线孔内进行应变温补联合监测光纤的牵引布设。具体包括以下步骤：步骤一：泵送弹簧软轴：预制砼结构构件1拼接完成后在结构起始端架设大型疏通机8；锰钢加密弹簧软轴5穿入大型疏通机8泵送通道，弹簧软轴前置端头6连接穿引冲头23后穿入结构纵向预留穿线孔3或结构横向预留穿线孔4起始孔口；启动大型疏通机8向结构拼接方向泵送锰钢加密弹簧软轴5直至末端孔口，锰钢加密弹簧软轴5长度不够时通过弹簧软轴续接端头7进行接长；步骤二：收盘弹簧软轴牵引光纤：锰钢加密弹簧软轴5端头从穿线孔末端孔口穿出后，取下弹簧软轴前置端头6连接的穿引冲头23，弹簧软轴前置端头6与电机弹簧软轴收盘器11连接固定；在锰钢加密弹簧软轴5与应变温补联合监测光纤9连接端头10处将应变温补联合监测光纤9穿入橡胶垫层25拧紧紧固螺帽24，启动电机弹簧软轴收盘器11，缓慢牵引锰钢加密弹簧软轴5使应变温补联合监测光纤9从穿线孔末端孔口穿出；步骤三：张拉光纤：应变温补联合监测光纤9始端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管17、光纤锚固夹具12，锚固端头预埋橡胶套管17与光纤锚固夹具12套紧穿入穿线孔起始孔口，光纤锚固夹具12卡在穿线孔起始孔口，拧紧光纤锚固夹具12的螺丝夹持固定应变温补联合监测光纤9始端；于应变温补联合监测光纤9末端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管17、光纤锚固夹具12、微型千斤顶14、光纤锚固器13，光纤锚固夹具12同样卡在穿线孔末端孔口，拧紧光纤锚固器13的螺丝夹持固定应变温补联合监测光纤9末端，通过压杆16经密封油管15使微型千斤顶
14施加预拉力，观察阀表压杆16上微型千斤顶的荷载数值，待预拉力达到设计值，稳定设计拉力5min后，拧紧光纤锚固夹具12夹持固定应变温补联合监测光纤9末端；步骤四：高压注浆封孔：应变温补联合监测光纤9张拉完成后立即灌浆封堵，将高压注浆设备21的灌浆嘴接入预埋pvc注浆孔19开始缓慢均匀的灌浆，中途不中断，在结构另一端的预埋pvc检查孔20冒出浓浆后封闭检查孔，循环完成剩余节段结构注浆密实度检查直至结构起始节段，再继续适当加压后封闭注浆孔；待浆液达到设计强度的75%时，拆除始光纤起末端的光纤锚固夹具。
28.通过上述的四个步骤继续循环布设下一个拼装段的监测光缆布设，实现超长距离的拼装结构监测光缆布设。
29.参见附图对本发明进行进一步详细说明：本发明通过弹簧软轴疏通系统、联动串联牵引系统、微型光纤张锚系统、高压注浆系统实现预制砼结构光纤监测网布设。预制砼结构构件1在工厂预制前根据结构监测需求，预制砼结构预留穿线孔3和结构横向预留穿线孔4（孔径25mm~30mm）；预制砼结构构件1在施工现场吊装拼接成型后，于结构纵向预留穿线孔3（或结构横向预留穿线孔4）起始孔口穿入65锰钢加密弹簧软轴5，通过1200型大型疏通机8泵送至结构纵向预留穿线孔3（或结构横向预留穿线孔4）终止孔口穿出；于65锰钢加密弹簧软轴5末端通过弹簧软轴与光纤连接端头10夹持应变温补联合监测光纤9，将65锰钢加密弹簧软轴5端头与电机弹簧软轴收盘器11相连，通过步进电机缓慢收盘65锰钢加密弹簧软轴5，直至应变温补联合监测光纤9从结构纵向预留穿线孔3（或结构横向预留穿线孔4）终止孔口穿出。
30.应变温补联合监测光纤9始端通过光纤锚固夹具12夹持并紧固，末端依次穿入锚固端头预埋橡胶套管17、光纤锚固夹具12、微型千斤顶14、光纤锚固器13，光纤锚固器13夹持应变温补联合监测光纤9末端并紧固，通过微型千斤顶14张拉光纤到达设计拉力后，光纤锚固夹具12夹持应变温补联合监测光纤9末端并紧固，撤除微型千斤顶14和光纤锚固器13。
31.高压注浆设备21的注浆嘴与结构纵向预留穿线孔3（或结构横向预留穿线孔4）终止孔口附近设置的预埋20mmpvc注浆孔19对接后，向纵向预留穿线孔3（或结构横向预留穿线孔4）高压注浆填缝，观察设置于预制砼结构构件1另一端头的预埋13mmpvc检查孔20内是否有浆液冒出，并封堵预埋13mmpvc检查孔20。待浆液达到设计强度的75%时，拆除始末端的光纤锚固夹具12，将冗余光纤盘于预制锚固槽18内，便于进行下一个拼装段的监测光缆布设。
32.上述方法由以下四个系统联合工作实现：1、弹簧软轴疏通系统：弹簧软轴疏通系统包括65锰钢加密弹簧软轴5、弹簧软轴前置端头6、弹簧软轴续接端头7、1200型大型疏通机8。65锰钢加密弹簧软轴5作为应变温补联合监测光纤穿线导索，其直径为16mm，由直径为2.5mm的65锰钢盘绕制成，盘绕密度为1mm，单节长度5m~10m，定制弹簧软轴前置端头6和弹簧软轴续接端头7便于弹簧软轴外接穿引冲头23和接续长度。1200型大型疏通机8用于泵送65锰钢加密弹簧软轴5，其工作功率4000w、转速700r，疏通距离50m~70m。65锰钢加密弹簧软轴5一次性牵引长度控制在50m以内为宜。
33.2、联动串联牵引系统：
联动串联牵引系统包括弹簧软轴与光纤连接端头10、电机弹簧软轴收盘器11，弹簧软轴与光纤连接端头10由紧固螺帽24和内设橡胶垫层25组成，端头一端卡紧应变温补联合监测光纤9始端，另一端与弹簧软轴连接。电机弹簧软轴收盘器11由弹簧软轴收盘和步进电机组成，收盘65锰钢加密弹簧软轴5时步进电机控制速率为1cm/s~2cm/s，防止结构纵向预留穿线孔3（或结构横向预留穿线孔4）内壁摩损连接应变温补联合监测光纤9。
34.3、微型光纤张锚系统：微型光纤张锚系统包括光纤锚固夹具12、光纤锚固器13、微型千斤顶14、密封油管15、压杆16、锚固端头预埋橡胶套管17、预制锚固槽18。在预制锚固槽18内进行应变温补联合监测光纤的张锚，设计定做光纤锚固夹具12，由两个同心等厚不锈钢圆盘组合而成，大盘直径40mm，小盘直径20mm，小盘外套8mm厚橡胶垫圈，形心预留光纤夹持孔；光纤锚固器13与微型千斤顶14液压缸套箍对光纤施加初始预拉力，光纤锚固器13末端光纤夹持设计与光纤锚固夹具12相同。微型千斤顶14液压缸行程50mm、荷载测量范围0~10kn，荷载分辨率0.001kn，操作压杆16经密封油管15使微型千斤顶14施加荷载；锚固端头预埋橡胶套管17紧套应变温补联合监测光纤9始末端对其进行保护，防止施加荷载时光纤紧贴纵向预留穿线孔3（或横向预留穿线孔4）内壁。
35.4、高压注浆系统：孔道灌浆封堵使光纤与预制砼结构有效粘结，应在光纤预张拉完毕后，立即通过高压注浆设备21进行灌浆。灌浆水泥标号不低于425号的普通硅酸盐水泥，水泥浆强度应满足设计要求，且均不应低于20n/mm2，水泥浆水灰比控制在0.4~0.45，流动度在120~170mm。一般可掺入0.05%～0.1%的铝粉或0.25%的木质素磺酸钙减水剂。
36.本发明的工作机理：利用65锰钢加密弹簧软轴作为穿线导索在混凝土预制结构预留的穿线孔中进行应变温补联合监测光纤布设，即以65锰钢加密弹簧软轴作为载体，在其首末端增设连接端头，便于弹簧软轴的接长和弹簧软轴与应变温补联合监测光纤的连接，通过大型疏通机将65锰钢加密弹簧软轴由穿线孔口起点送至终点，实现穿线孔内填充应变温补联合监测光纤，在通过微型张拉计给予应变温补联合监测光纤初始预拉力，使光纤在穿线孔内拉直绷紧增加光纤监测的灵敏性，最后高压灌浆封堵穿线孔，保证应变温补联合监测光纤与待测结构间的耦合联动，保护应变温补联合监测光纤提高其使用耐久性。在多通道穿线孔内布设光纤实现预制砼结构光纤监测传感网的铺设，能实现基于分布式光纤的大范围、长距离、长持时结构应变状态监测，避免了大范围监测时传统单点式传感数量急剧增加的问题，有效解决了预制砼结构布设光纤时面临的光纤成活率低、光纤熔接断点多、表面黏贴光纤易损、与结构变形耦合差等问题，布设方法所采用的设备装置适用于复杂的施工环境，安装便捷、快速，可以简单迅速地掌握。
37.本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。