一种植入智能基因的箱梁蒸养制造热力场监控系统和方法与流程

1.本发明属于桥梁健康监测领域，涉及一种植入智能基因的箱梁蒸养制造热力场监控系统和方法。


背景技术：

2.高铁桥梁的工程量大、工期较长，为了满足工程建设进度的需求，有必要进行终年连续浇筑混凝土。然而，东北地区的冬季长达6个月之久，这就导致了高铁桥梁的相关建设工作长期在冬季低温环境下进行。低温恶劣的气候不利于混凝土强度的持续增长，养护措施不当极易引起结构疏松甚至冻涨开裂等问题，这必然会影响混凝土的强度、耐久性以及抗渗性。为了克服冬期施工带来的问题，蒸汽养护因其能量高、湿度大且成本较低等优点，被投入到越来越多的冬期工程建设中。然而在实际工程中，存在一些因蒸养条件太高导致的肿胀变形、表层伤损和耐久性差等问题，所以，我们在利用蒸汽养护解决冬季施工带来的种种问题的同时，还需要避免蒸汽养护条件过高带来的混凝土内部损伤和孔隙结构的变化等问题。只有在蒸汽养护的各阶段创造有利于混凝土结构形成和性能发展的条件，并制约导致混凝土结构破坏的不利因素，才能最终获得高质量的混凝土。因此需要对冬期箱梁的蒸养过程进行监测，实时了解箱梁内部关键点的温度及温度应变，只有这样，才能有效地控制箱梁的施工质量。
3.传统大型混凝土工程在施工过程中的监测，往往仅局限于对混凝土温度的监测，混凝土较高的温度以及较大的内外温差必然会对混凝土产生不利的影响。但是，除此之外，导致早期混凝土开裂的直接原因是温度应力导致的，所以对于冬期蒸养制造的高铁箱梁，有必要进行温度应力的监测。另一方面，传统对早期混凝土温度的监测，往往采用的是电信号类传感器，这种传感器存在以下两个缺点：第一，电信号类传感器的抗电磁干扰能力差，抗潮湿性以及耐久性差，在土木工程恶劣的施工环境下，很容易造成电类传感器的信号不稳定以及误差较大。第二，电类传感器不具备复用功能，这使得每一个传感器独自占用一个通道，对信号采集设备的要求比较高，在大型结构构件往往需要大量的传感器，信号传输电缆长度也会增加，会加大经济成本。
4.相比上述传统的监测方法，光纤光栅传感器具有以下明显的优势：首先，光纤光栅传感器具有体积小、抗干扰能力强以及耐久性好等优点，可以在恶劣的土木工程施工环境下使用。其次，光纤光栅传感器具有多个串联使用的优点，大大简化了传感器网络的传输线路，提高了施工现场的布设效率，节约了经济成本。


技术实现要素：

5.针对铁路大型箱梁蒸养制造健康监测与质量控制重大需求，本发明提供了一种植入智能基因的箱梁蒸养制造热力场监控系统和方法。本发明针对严寒气候下铁路大型箱梁蒸养制造健康监测与质量控制中的关键科学问题，搭建了相应的植入智能基因的箱梁蒸养制造热力场精细化监控系统，对整个箱梁冬期生产过程中温度和力学指标的演变进行精确
监控。同时结合冬季施工标准和蒸汽养护的特点，提出了箱梁整个制造过程的监控方案，具体包括监测的典型截面、预应力钢绞线和蒸汽养护环境监测指标，以及相应的监测传感器和网络。本发明能够实现箱梁蒸养制造全过程的温度场和温度应力的实时监测，保证高铁箱梁在冬期蒸养过程中的质量符合工程要求。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种植入智能基因的箱梁蒸养制造热力场监控系统，包括物理信号感知模块、数据采集传输模块和数据处理模块，其中：
8.所述物理信号感知模块用于对冬期蒸养箱梁体内的温度和温度应变进行实时感知；
9.所述数据采集传输模块用于将物理信号感知模块获取的温度和温度应变数据进行抓取和采集，并传输到数据处理模块；
10.所述数据处理模块用于将数据采集传输模块采集到的温度和温度应变光波信号转化为温度值和温度应变值，并将处理后的数据进行分类并存储。
11.一种利用上述监控系统进行高铁箱梁冬期蒸养制造质量监控的方法，包括如下步骤：
12.步骤一、选择蒸养箱梁质量监测关键研究点，并在关键点上布设相应的传感器；
13.步骤二、对每一个传感器进行实时的温度和温度应变数据采集，采集得到的温度和温度应变光波信号在数据处理模块中完成计算；
14.步骤三、将计算得到的关键点温度与设定的限值进行比较，确保混凝土芯部的温度不超过60℃，芯部与表面的温差不超过15℃；
15.步骤四、将由光波信号转化得到的混凝土温度值和温度应变值，按照时间和传感器的编号进行分类存储。
16.本发明中，所述物理信号感知模块由混凝土温度传感器和混凝土温度应变传感器组成，数据采集传输模块由光纤光栅解调仪和dtu无线通讯模块组成，其中：
17.所述混凝土温度传感器和混凝土温度应变传感器通过光纤将温度和温度应变信号传输到光纤光栅解调仪；
18.所述光纤光栅解调仪的另一端通过网口连接dtu无线通讯模块；
19.所述dtu无线通讯模块将温度和温度应变数据传输至数据处理模块进行数据的处理、分类和存储。
20.本发明中，所述混凝土温度传感器由芯部温度传感器、表层温度传感器和温度补偿传感器(温度补偿传感器为了消除温度对应变测量的影响)组成，混凝土温度应变传感器由竖向应变传感器、横向应变传感器和轴向应变传感器组成，其中：
21.所述混凝土温度传感器和混凝土温度应变传感器布设在关键截面的关键点上，每个关键点上的所有传感器串联且对应一个光纤传输通道，不同关键点之间的线路并联且连接到光纤光栅解调仪的不同接口；
22.所述关键截面为距离边缘1.5m的两个端部截面和跨中截面，在端部截面，选择底板和腹板的交界处以及顶板和腹板的交界处作为两个监测点区域，在跨中截面，选择底板中心两侧对称的区域以及顶板与腹板交界处作为关键监测点区域；
23.所述每个关键点上，所有传感器按照竖向应变传感器、横向应变传感器、轴向应变
传感器、温度补偿传感器、芯部温度传感器以及表层温度传感器的连接顺序进行串联。
24.本发明中，所谓智能基因是指从箱梁生产制造的开始，即在梁体内布设了监测传感系统，可以对箱梁的制造阶段和运营阶段进行全寿命周期的监测。而传统的监测方式通常为在已经建成的结构上，通过在结构外贴相应的传感系统的方式，仅对结构的运营期进行监测。
25.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
26.1、传统箱梁在冬期蒸养过程中的监测，往往仅局限于对混凝土温度的监测，混凝土较高的温度以及较大的内外温差必然会对混凝土产生不利的影响。但是，除此之外，导致早期混凝土开裂的直接原因是温度应力导致的，所以本发明针对冬期蒸养的高铁箱梁，监测对象为混凝土的温度和温度应变，保证了箱梁的安全性和耐久性。
27.2、传统对早期混凝土温度的监测，往往采用的是电信号类传感器，电类传感器的抗干扰能力较差容易使监测产生误差，并且每一个传感器都需要对应一条传输线路，大大增加了现场施工的难度。本发明使用的传感器属于光纤光栅类，光纤光栅传感器具有体积小、抗干扰能力强以及耐久性好等优点，可以在恶劣的土木工程施工环境下使用。其次，光纤光栅传感器具有多个串联使用的优点，大大简化了传感器网络的传输线路，提高了施工现场的布设效率，节约了经济成本。
28.3、本发明从箱梁生产制造的开始，即在梁体内布设了监测传感系统，可以对箱梁的制造阶段和运营阶段进行全寿命周期的监测。而传统的监测方式通常为，在已经建成的结构上，通过在结构外贴相应的传感系统的方式，仅对结构的运营期进行监测。
附图说明
29.图1为本发明的高铁箱梁质量监测系统示意图；
30.图2为本发明的现场硬件设备布置图；
31.图3为本发明的箱梁关键截面分布图；
32.图4为本发明的箱梁关键点分布图；
33.图5为箱梁内传感器的现场布设图；
34.图6为箱梁蒸养期间温度随时间的变化关系图；
35.图7为箱梁蒸养期间应变随时间的变化关系图；
36.图8为箱梁自然养护期间温度随时间的变化关系图；
37.图9为箱梁自然养护期间应变随时间的变化关系图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
39.本发明提供了一种植入智能基因的箱梁蒸养制造热力场监控系统，如图1所示，所述监控系统包括物理信号感知模块、数据采集传输模块以及数据处理模块，其中：
40.所述物理信号感知模块用于对冬期蒸养箱梁的温度和温度应变进行实时感知；
41.所述数据采集传输模块用于将物理信号感知模块测得的温度和温度应变数据进
行抓取，并传输到数据处理模块；
42.所述数据处理模块用于处理监测得到的数据，将数据采集传输模块采集到的温度和温度应变光波信号转化为温度值和应变值，并将处理后的数据进行分类并存储。
43.为了对冬期蒸养的高铁箱梁进行质量监控，首先需要在箱梁蒸养现场布设相关的硬件设备，具体包括物理信号感知模块和数据采集传输模块的相关设备。
44.如图2所示，物理感知模块由混凝土温度传感器(芯部温度传感、表层温度传感器以及温度补偿传感器)和混凝土温度应变传感器(竖向应变传感器、横向应变传感器以及轴向应变传感器)组成，数据采集传输模块由光纤光栅解调仪和dtu无线通讯模块组成，其中：
45.1、混凝土温度传感器
46.混凝土浇筑完成后，自身产生的水化热和外界养护环境极易导致箱梁内温度发生较大的变化，温度过高容易引发早期开裂，进而影响箱梁的耐久性；温度太低会阻碍混凝土水化反应的进行，甚至会导致混凝土冻涨开裂。所以，针对蒸养阶段的箱梁有必要监测箱梁内部混凝土的最高温度以及芯部混凝土和表层混凝土的最大温差。所以在传感器的布设方案中，选择跨中截面和两个端部截面的几个关键点进行混凝土温度的监测，并且每个关键点在芯部和表层分别布设芯部温度传感和表层温度传感器。箱梁内部的温度传感器属于光纤光栅类传感器，将温度传感器按照设想内嵌到箱梁体内，实现箱梁传感功能的定制化和标准化。
47.表1温度传感器参数
[0048][0049]
2、混凝土温度应变传感器
[0050]
蒸养过程中的箱梁，由于自身的水化热和外界养护环境的影响，极易导致梁体内温度的不均匀分布，在外界的约束下必然会产生温度应力，当混凝土的温度应力大于抗拉强度时，引发混凝土早期开裂。温度应力是混凝土早期开裂的直接原因，所以在进行蒸养阶段梁体温度监测的同时，有必要进行箱梁内关键点温度应力的监测。在传感器的布设方案中，选择跨中截面和两个端部截面的几个关键点进行混凝土温度应力的监测，并且每个关键点布设横向应变传感器、竖向应变传感器以及轴向应变传感器。箱梁内部的温度应变传感器属于光纤光栅类传感器，将传感器按照设想内嵌到箱梁体内，实现箱梁传感功能的定制化和标准化。
[0051]
表2应变传感器参数
[0052][0053][0054]
3、数据采集和传输模块的硬件设备
[0055]
本发明使用的混凝土温度传感器和混凝土温度应变传感器均属于光纤光栅类传感器，所以使用的采集设备为光纤光栅解调仪，负责采集各通道的物理信息。与光纤光栅传感器连接的是dtu无线通讯模块，负责将采集到的各类数据通过4g无线信号传输至数据处理模块。其中，dtu无线通讯模块通过网口与光纤光栅解调仪相连。dtu将接收到的串口数据转化为ip数据，并通过无线发送的方式进行传输。其使用灵活通过手机卡可提供网络，无需网线支撑，成本低廉，保密性好，非常适合现代野外工况下使用。
[0056]
箱梁关键截面分布情况如图3所示，选择距离边缘1.5m的两个端部截面和跨中截面作为关键截面进行传感器的布设。在端部截面，选择底板和腹板的交界处以及顶板和腹板的交界处作为两个监测区域。在跨中截面，选择底板中心两侧对称的区域以及顶板与腹板交界处作为关键监测区域。
[0057]
如图4所示，每个关键点上的所有传感器按照竖向应变传感器、横向应变传感器、轴向应变传感器、温度补偿传感器、芯部温度传感器以及表层温度传感器的连接顺序进行串联，每一个关键点的所有传感器对应一个光纤传输通道。不同关键点之间的线路为并联，连接到光纤光栅解调仪的不同接口。
[0058]
具体施工方法如下：
[0059]
箱梁混凝土浇筑之前，在关键截面的关键点上布设了混凝土温度传感器和温度应变传感器，每个关键点上的所有传感器进行串联，然后对应一个光纤传输通道，不同关键点之间的线路为并联，连接到光纤光栅解调仪的不同接口。传感器的现场布设情况如图5所示。
[0060]
具体监控步骤为：
[0061]
步骤一、选择蒸养箱梁质量监测关键研究点，并在关键点上布设相应的传感器；
[0062]
步骤二、对每一个传感器进行实时的温度和温度应变数据采集，采集得到的温度和温度应变光波信号在数据处理模块中完成计算。
[0063]
步骤三、计算得到关键点温度与设定的限值进行比较，确保混凝土芯部的温度不超过60℃，芯部与表面的温差不超过15℃。
[0064]
步骤四、将由光波信号转化得到的混凝土温度值和温度应变值，按照时间和传感器的编号进行分类存储。
[0065]
本发明中，数据处理模块对光波信号进行处理，由于光纤光栅解调仪采集到的数据是光波信号，在数据处理模块将光波信号处理为温度和温度应变。
[0066]
本发明中，箱梁内温度传感器的计算公式为：
[0067][0068]
其中，t为测点混凝土的温度(℃)，λ
t
为温度传感器的输出波长(nm)，λ
t0
为参考温度(0℃)下对应的波长(nm)，k
t
为温度传感器一次项系数(nm/℃)。
[0069]
本发明中，箱梁内应变传感器的计算公式为：
[0070][0071]
其中，λs为应变传感器的输出波长(nm)，λ
s0
为应变传感器的初始波长(nm)，λ
t
为温度补偿光纤测量波长(nm)，为温度补偿光栅的初始波长(nm)，a为温度补偿光栅温度灵敏度系数(nm/℃)，b为应变光纤温度系数(nm/℃)，ks为应变一次项系数(nm/με)。
[0072]
4、案例分析
[0073]
将本套冬期蒸养制造监测系统应用于跨度为31.5m的高铁箱梁的工程案例中，通过对该高铁箱梁冬期养护全过程的监测，证实了本套监测系统在实际工程案例中的可行性和便捷性，并提取和汇总了箱梁在蒸养过程中的关键数据。
[0074]
(1)箱梁蒸养过程的监测
[0075]
首先对箱梁蒸养过程中关键点的温度和温度应变进行监测，并提取了相应关键点的数据进行分析，由于篇幅有限，仅选择部分最具代表性的测点进行展示，如图6和图7所示。表层混凝土(a2测点)在36.5h达到峰值温度36.50℃，芯部混凝土(a1测点)在39.5h达到峰值温度45.41℃。表层和芯部的温差在41.5h达到最大，为9.34℃。此外在自然养护的初期，受较低的自然养护温度影响，在70.5h，同样也存在8.84℃的较大温差。针对该测点的温度应变，在40.0h温度应变达到最大值，横向、竖向和轴向的最大温度应变为分别为260.83με、243.89με和277.87με。
[0076]
(2)箱梁自然养护过程的监测
[0077]
随后在存梁台对箱梁进行长期的自然养护。如图8和图9所示，分别展示了在存梁区的梁体内温度和温度应变随时间的变化关系曲线。由图8和图9可以看出随着外界环境昼夜交替和温度变化，梁体内温度和温度应变也随着发生一定的波动。证实了该套监测集成系统可以长期稳定地进行梁体内关键数据的监测。