光纖光柵傳感系統(tǒng)在棧橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

史 向 東

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

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光纖光柵傳感系統(tǒng)在棧橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

史 向 東

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

以陜煤檸條塔煤礦運(yùn)煤棧橋?yàn)槔?，對光纖光柵技術(shù)進(jìn)行了闡述，并介紹了各種光纖傳感器的原理,建立了棧橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，確保了棧橋運(yùn)營的安全性，為棧橋今后的保養(yǎng)與維修提供了依據(jù)。

煤礦，棧橋，光纖光柵，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，煤礦地面出現(xiàn)了大批高度高，跨度大的運(yùn)煤皮帶棧橋。鋼結(jié)構(gòu)棧橋由于其自重輕、整體性好、施工速度快的優(yōu)勢，在我國大跨度輸煤棧橋中得到廣泛應(yīng)用。輸煤棧橋建成后，礦區(qū)的高腐蝕環(huán)境對其自身產(chǎn)生很大影響，在日常清洗過程中，煤塵里的腐蝕性礦物加快了鋼構(gòu)件及混凝土構(gòu)件的老化。棧橋在運(yùn)行過程中，皮帶的震動(dòng)也給棧橋帶來疲勞損傷，隨著時(shí)間的推移，棧橋的整體穩(wěn)定性及剛度會(huì)大大降低，這對煤礦的生產(chǎn)安全造成了很大威脅。因此需要對建成的棧橋進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握棧橋健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證煤礦的生產(chǎn)安全。

1 棧橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

棧橋健康監(jiān)測是指通過在棧橋上安裝監(jiān)測設(shè)備，對棧橋的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過儀器設(shè)備所反映的數(shù)據(jù)結(jié)果分析棧橋整體狀況。為棧橋在后期的維修、養(yǎng)護(hù)與管理提供科學(xué)決策依據(jù)[1]。健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

了解棧橋運(yùn)行情況，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控[2]：

1)棧橋在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)時(shí)的力學(xué)狀態(tài)；2)棧橋在受到?jīng)_擊荷載情況下的力學(xué)狀態(tài)；3)棧橋在長期侵蝕環(huán)境中的狀況；4)棧橋所處環(huán)境情況。

通過監(jiān)測設(shè)備獲取的信息，利用計(jì)算軟件進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)報(bào)表，得出棧橋維修費(fèi)用，維修決策，災(zāi)害預(yù)防的結(jié)果。

2 光纖傳感器技術(shù)

2.1 光纖傳感器技術(shù)的基本原理

光纖傳感器以光纖為媒介[3]，當(dāng)光纖在受到外界環(huán)境變化時(shí)，使得光在其中的傳輸特性發(fā)生改變，通過測量光信號來得到改變的物理量的大小，從而計(jì)算出所監(jiān)測物體的狀態(tài)。光線傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如耐久性好、體積小、質(zhì)量輕、傳輸信息量大等。

光纖傳感器種類很多，目前用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Mach-Zehnder干涉型光纖傳感器、Fabry-Perot腔式光纖傳感器、光纖布拉格光柵(FBG：Fiber Bragg Grating)傳感器等。

光纖F—P應(yīng)變傳感器是一種“點(diǎn)式”傳感器，適用于測試結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力，其原理如圖2所示。在光纖中制造一個(gè)全密封真空腔，光束入射到腔內(nèi)時(shí)，會(huì)在真空腔的兩個(gè)端面發(fā)生反射，并沿原路返回。當(dāng)結(jié)構(gòu)體受力發(fā)生變化時(shí)，空腔長度會(huì)發(fā)生改變，致使兩反射光的相位差產(chǎn)生改變，從而就能反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

光纖光柵在溫度和應(yīng)力作用下，其折射率和柵格常數(shù)將發(fā)生變化，反映到光纖光柵的峰值反射波長(或透射波長)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這種光纖光柵的峰值反射波長(或透射波長)隨外界物理量變化而移動(dòng)的現(xiàn)象可在傳感領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.2 傳感器原理

1)應(yīng)變傳感器原理。

當(dāng)外力作用在光纖傳感器上時(shí)，傳感器的長度會(huì)隨之變化，導(dǎo)致光柵周期會(huì)發(fā)生改變，傳感器的有效折射率也隨之變化，致使光在傳感器中的光程發(fā)生變化，從而就能測出應(yīng)變。

2)溫度傳感器原理。

當(dāng)傳感器所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，其長度也會(huì)發(fā)生變化，折射率也會(huì)發(fā)生變化。

2.3 棧橋監(jiān)測內(nèi)容及所用傳感器

1)荷載。

包括溫度，風(fēng)，煤炭，地震荷載等。傳感器包括：風(fēng)速儀、強(qiáng)震儀、溫度計(jì)、壓力傳感器等。

2)位移監(jiān)測。

監(jiān)測棧橋的各部分的靜動(dòng)態(tài)位置，包括局部沉降、傾斜，桁架位置變化等。傳感器包括位移計(jì)，傾角儀等。

3)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力反應(yīng)。

監(jiān)測橋梁的靜態(tài)應(yīng)變應(yīng)力、動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)力、加速度等。傳感器包括應(yīng)力應(yīng)變傳感器、加速度傳感器等。

4)非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施。

包括支座、振動(dòng)控制設(shè)施等。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

檸條塔煤礦選煤廠棧橋從1號轉(zhuǎn)載點(diǎn)至裝煤倉約2.7 km。棧橋結(jié)構(gòu)主要為型鋼桁架—混凝土框架柱封閉式結(jié)構(gòu)如圖3a)所示。結(jié)構(gòu)主要采用雙角鋼或工字型鋼作為上部桁架主要受力構(gòu)件。

棧橋下部混凝土框架柱主要由4支混凝土立柱通過柱間的連系梁連接，形成4肢框架形式，如圖3b)所示。

檸條塔輸煤棧橋結(jié)構(gòu)長，跨徑大，且棧橋在裝載倉附近坡度大，棧橋皮帶每天運(yùn)行時(shí)間長，棧橋負(fù)荷重。另外，棧橋周圍環(huán)境污染，疲勞損傷等諸多因素會(huì)導(dǎo)致棧橋結(jié)構(gòu)安全性、耐久性差。因此，對棧橋進(jìn)行長期安全監(jiān)測，通過報(bào)警功能，對棧橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營中存在的問題提前進(jìn)行預(yù)警，避免棧橋出現(xiàn)突發(fā)事故，減少經(jīng)濟(jì)損失，保證棧橋正常運(yùn)作中的安全性。通過對采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，可對棧橋結(jié)構(gòu)的承載能力、使用性能進(jìn)行評價(jià)，為同類棧橋今后設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

檸條塔棧橋全線共有4個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)，共布置19個(gè)監(jiān)測段，以下以第1監(jiān)測段為例進(jìn)行分析。

第1監(jiān)測段監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1，表2所示。

表1 第1監(jiān)測段皮帶靜止時(shí)數(shù)據(jù)

表2 第1監(jiān)測段皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)據(jù)

由第1監(jiān)測段皮帶運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看出，全年皮帶運(yùn)行時(shí)橫、縱、垂向加速度，鋼桁架應(yīng)力變化，混凝土應(yīng)力變化及混凝土墩頂加速度整體呈上升趨勢，然而，上升幅度較小，整體狀況較為平穩(wěn)。

3 結(jié)語

由于橋梁安全運(yùn)營對社會(huì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，世界上很多國家都采用很多高新技術(shù)來保障橋梁的安全運(yùn)行。棧橋雖不比大跨度橋梁的復(fù)雜，但其安全穩(wěn)定的運(yùn)行也至關(guān)重要。本文立足光纖光柵監(jiān)測技術(shù)，將光纖傳感技術(shù)運(yùn)用于棧橋健康監(jiān)測中，提高了棧橋在運(yùn)營期間的安全保障，而且為棧橋狀態(tài)評估和維修提供數(shù)據(jù)依據(jù)。減小棧橋事故的發(fā)生概率，確保棧橋安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1] 鄔曉光,徐祖恩.大型橋梁健康監(jiān)測動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,23(1):39-42.

[2] 耿 璐,蘇進(jìn)星.橋梁變形監(jiān)測方法應(yīng)用研究[J].公路與汽運(yùn),2015(3):192-195.

[3] 李愛群,廖長青.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[M].北京：人民交通出版社,2009.

Application research of FBG sensing system in trestle timely monitoring

Shi Xiangdong

(ChinaMineScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710000,China)

Taking Shann coal Ningtiao coal transporting trestle as an example, the paper describes FBG technology, introduces principles of FBG sensors, establishes trestle timely monitoring system, and guarantees the trestle operation safety, which has provided some guidance for trestle maintenance and repairing in future.

coal mine, trestle, FBG(Fiber Bragg Grating), timely monitoring system

2016-11-26

史向東(1989- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0188-02

TD561

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