一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置及安装方法

技术领域

本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置及安装方法。

背景技术

桥梁作为交通网络的重要组成部分，通常发挥着交通枢纽和关键节点的作用，体现了国家的科技水平，也促进了当地的经济发展。随着我国公路、铁路桥梁的高速发展，交通网络密度不断提高，经济快速发展使各地的交通运输量大幅增加，尤其促进了以油罐车为代表的大型危化品运输车辆的物流需求，从而引发的桥梁火灾也愈加频繁，如不加以严格监管，往往会对人员生命财产造成重大损失。

其中，各类桥梁中尤以钢结构桥梁具有成本低、结构性能好、施工速度快、质感强度好等优点，因此一经推出就被广泛使用，且在一定程度上取代了过去的钢筋混凝土结构桥梁。这些桥梁一般都设置于交通繁忙的闹市或偏远的郊区，在发生火灾时消防救援通常较为滞后，且桥梁处于开放环境，充足的氧气加剧了火灾的燃烧，以油罐车火灾为例，碳氢化合物的燃烧温度在短时间内可达到很高的温度，而钢结构桥梁对温度非常敏感，其在火灾下易发生结构局部的热屈曲转至失稳直至整个结构的失效，所以对钢结构桥梁在火灾早期发展阶段钢板梁腹板屈曲变形的监测和预警至关重要。

然而，目前对于钢结构桥梁遭遇火灾时屈曲变形值的监测预警技术较为缺乏，在现有技术中，基于全站仪水准仪监测的方法监测周期长，且不能实时迅速地反馈钢板梁腹板屈曲变形的监测数据，往往都是桥梁发生火灾后通过路人报警，迟滞了消防救援的速度，错过人员财产撤离的最佳时间，造成二次损失，显然该技术不适用于在遭遇火灾时的钢板梁腹板的屈曲变形监测。

有鉴于此，本发明人提出一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置及安装方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置及安装方法，该装置能实时监测及预警钢结构桥梁在遭遇火灾早期结构的局部热屈曲变形，因而能够在钢结构失效之前提供及时预警，辅助桥上人员撤离及消防救援，规避事故的进一步恶化。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置，包括多个沿桥梁纵向间隔布设的钢板梁腹板，其特征在于，每个所述钢板梁腹板的横向两侧均对称安装有竖直设置的数据采集执行机构，且所述数据采集执行机构的上下端分别与位于钢板梁腹板上部的顶板和下部的底板固定连接，用于实时采集每个钢板梁腹板屈曲变形的数据信息；

其中，所述数据采集执行机构包括箱型壳体，所述箱型壳体腔内沿其高度方向等距安装有多个水平设置的位移检测模块，每个所述位移检测模块的探头伸出箱型壳体同一侧开设的槽口后与钢板梁腹板表面紧密接触，多个所述位移检测模块分别通过设置于箱型壳体内部的导线与置于箱型壳体内底部并安装于隔热保护壳内的集成电路处理模块的输入接口连接，所述集成电路处理模块内含监测及报警模块，所述监测及报警模块通过导线与设置在箱型壳体外壁上的预警单元连接，当所述位移检测模块监测的屈曲变形位移数据超过监测及预警模块预设的阈值时，所述监测及报警模块控制预警单元启动预警机制。

进一步地，所述预警单元包括声光报警器和/或者蜂鸣器以及向预设指挥中心发送坐标信息的通信芯片。

进一步地，所述位移检测模块包括壳体，所述壳体内腔上部设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与探头尾部相连，另一端与壳体的内侧壁连接；

所述壳体内腔下部固定设置有套筒，所述套筒外壁上缠绕有电阻丝；

所述壳体内腔中部固定设置有金属导杆，所述金属导杆、压缩弹簧和套筒之间互相平行设置；

所述探头上、位于壳体一侧设有垂直于探头的连杆，所述连杆的顶端伸出壳体开设的条形孔，所述连杆的底端与套设在金属导杆上的金属滑片固定连接，所述金属滑片的底端与套筒上的电阻丝接触；

所述壳体上、远离探头的一端设置输出接口，所述输出接口通过连接导线分别与套筒上的电阻丝尾端和金属导杆连接，同时输出接口通过导线与集成电路处理模块中的输入接口连接。

进一步地，所述集成电路处理模块还包括最小电位提取模块和电位差计算模块，所述最小电位提取模块与输入接口连接，所述电位差计算模块分别与最小电位提取模块和监测及预警模块连接，当所述位移检测模块的阻值发生改变时，该测点电位改变，最小电位提取模块提取最低点电位值，电位差计算模块计算所述最低电位值与零电位点的电位差，同时监测及报警模块根据该电位差大小判断位移值变化，当电位差超出设定阈值时，预警单元发出预警。

进一步地，所述集成电路处理模块还包括置于隔热层保护壳内的蓄电池，所述蓄电池采用12V碱性电池，所述蓄电池分别与最小电位提取模块、电位差计算模块和监测及报警模块电性连接，所述蓄电池通过防爆电线与桥面的供电设施电线连接。

进一步地，所述壳体上均匀开设多个通孔，所述位移检测模块通过多个螺栓组件穿过壳体上的通孔与箱型壳体可拆卸连接。

进一步地，所述导线选用氧化镁绝缘耐火电缆。

进一步地，所述隔热保护壳由四层结构组成，从外层向内层依次包括二氧化硅气凝胶隔热层、NIP-1050型纳米微孔隔热板层、二氧化硅气凝胶隔热层以绝缘氧化铝陶瓷层。

进一步地，所述箱型壳体采用Q345钢板制作，外表面刷防火涂层。

另一方面，本发明还提供了一种基于上述监测预警装置的安装方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据被监测钢板梁腹板的高度制作相应的箱型壳体，并在所述箱型壳体上沿高度方向等距开设多个槽口；

步骤二、然后将多个位移检测模块依次安装在箱型壳体上，并使每个位移检测模块的探头先伸出箱型壳体开设的槽口，再通过螺栓组件将该位移检测模块与箱型壳体固定；

步骤三、制作隔热保护壳并将其安装在箱型壳体内底部，并在隔热保护壳内安装预制好的集成电路处理模块，按照测点顺序将多个位移检测模块通过导线依次与集成电路处理模块连接；

步骤四、将数据采集执行机构对称设于每个钢板梁腹板的左右两侧，并使用紧固件将箱型壳体分别与位于钢板梁腹板上部的顶板和下部的底板固定连接，再调整每个位移检测模块的位置使探头与钢板梁腹板紧密接触，最后接通电源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置，该监测预警装置可根据实际需求在钢结构桥梁的每个钢板梁腹板表面进行布设，且布设时监测点位的数量可适时进行调整，通过实时监测每个点位钢板梁腹板屈曲变形数据，当钢板梁腹板屈曲变形数据超过监测集成电路处理模块预设的阈值时，通过监测及报警模块控制预警单元启动预警机制，为救援人员提供最后一道安全屏障。

2、本发明一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置，该监测预警装置中采用的位移检测模块与传统位移传感器相比，将现有位移传感器内部的位移数据处理功能统一集成至外部的集成电路处理模块进行统一处理，且该集成电路处理模块置于隔热保护壳内，而该隔热保护壳采用特殊的四层结构组成，在HC碳氢火灾升温过程中，隔热保护壳内部仍能保持集成电路处理模块正常工作温度（20°～70°），同时集成电路处理模块与桥面的供电设施通过防爆电线，正常情况下由桥面供电设施供电并给蓄电池充电，假使遭遇火灾供电设施断电时，仍可由隔热保护壳内的蓄电池提供电源，保证该电路能在高温下正常工作。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明监测预警装置安装示意图；

图2是本发明监测预警装置整体结构示意图；

图3是本发明监测预警装置装配后结构示意图；

图4是本发明监测预警装置中位移检测模块整体结构示意图；

图5是本发明监测预警装置中集成电路处理模块工作原理图；

图6是本发明监测预警装置中隔热保护壳构造图；

图7是本发明监测预警装置中隔热保护壳内升温曲线图。

其中：1为数据采集执行机构；2为导线；3为隔热保护壳；4为集成电路处理模块；11为箱型壳体；12为位移检测模块；41最小电位选择模块；42为电位差计算模块；43为监测与报警模块；44为蓄电池； 111为槽口；121为探头；122为壳体；123为压缩弹簧；124为套筒；125为金属导杆；126为连杆；127为金属滑片；128为输出接口； 411为输入接口；431为预警单元；1221条形孔；A1为钢板梁腹板；A2为顶板；A3为底板。

实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1～7所示，本发明提供一种火灾下桥梁钢板屈曲变形的监测预警装置，包括多个沿桥梁纵向间隔布设的钢板梁腹板A1，每个钢板梁腹板A1的横向两侧均对称安装有竖直设置的数据采集执行机构1，该数据采集执行机构1包括长方体的箱型壳体11，箱型壳体11腔内沿其高度方向等距安装有多个水平设置的位移检测模块12，每个位移检测模块12的探头121伸出箱型壳体11同一侧开设的槽口111后与钢板梁腹板A1表面紧密接触，即通过位移检测模块12实时采集每个钢板梁腹板A1屈曲变形的数据信息，为了保证采集执行机构1整体的稳定性，箱型壳体11的上端与钢板梁腹板A1上部的顶板A2以及箱型壳体11的下端与钢板梁腹板A1下部的底板A3均固定连接。本发明在箱型壳体11内还设置有集成电路处理模块4，该集成电路处理模块4的输入接口411通过多个导线2与每个位移检测模块12依次连接，用于对位移检测模块12监测的屈曲变形的信息进行分析处理，该集成电路处理模块4内含监测及报警模块43，监测及报警模块43通过导线2与设置在箱型壳体11外壁上的预警单元431连接，当位移检测模块12监测的屈曲变形位移数据超过监测及预警模块43预设的阈值时，监测及报警模块43控制预警单元431动预警机制，从而能实时监测及预警钢结构桥梁在遭遇火灾早期结构的局部热屈曲变形，以便在钢结构失效之前提供及时预警，辅助桥上人员撤离及消防救援，规避事故的进一步恶化。

优选的，本发明实施例中的预警单元431包括但不限于声光报警器和/或者蜂鸣器以及向设定指挥中心发送坐标信息的通信芯片。

具体的，如图4所示，本发明实施例的位移检测模块12包括壳体122，该壳体122的外形为倒T型结构，其内腔分为上中下三部分；其中，壳体122内腔上部设置有压缩弹簧123，该压缩弹簧123的一端与探头121尾部相连，另一端与壳体122的内侧壁连接；壳体122内腔下部固定设置有套筒124，该套筒124外壁上缠绕有电阻丝；壳体122内腔中部固定设置有金属导杆125，以上金属导杆125、压缩弹簧123和套筒124之间互相平行设置；另外在探头121上、位于壳体122一侧设有垂直于探头121的连杆126，该连杆126的顶端伸出壳体122开设的条形孔1221，且连杆126的底端与套设在金属导杆125上的金属滑片127固定连接，该金属滑片127的底端与套筒124上的电阻丝摩擦接触；最后在壳体122上、远离探头121的一端设置输出接口128，该输出接口128通过连接导线分别与套筒124上的电阻丝尾端和金属导杆125连接，同时输出接口128通过导线2与集成电路处理模块4中的输入接口411连接，用于将位移检测模块12监测的钢板梁腹板A1屈曲变形数据传输给集成电路处理模块4，以上各个连接导线均可更换。通过以上设置，压缩弹簧123始终压紧探头121使金属滑片127处于阻值中值处，即位移零点（粗调），保护电路；设置连杆126的目的是防止探头121在被压缩弹簧123压紧后，拆除位移检测模块12时探头121回弹崩出，同时也兼顾粗调零的作用。当钢板梁腹板A1向任意一侧发生屈曲变形时，该处位移检测模块12中的探头121被迫压回，带动连杆126和金属滑片127移动，随即金属滑片127在缠有电阻丝的套筒124上滑动改变接入集成电路处理模块4的电阻值，即本发明位移检测模块12通过位移改变电阻值的大小进而改变该测点电位大小，达到阈值时触发预警。

优选的，本发明实施例的壳体122上均匀开设多个通孔（腰孔），位移检测模块12通过多个螺栓组件穿过壳体122上的通孔与箱型壳体11可拆卸连接；另在壳体122上设置有可拆卸的后盖，以便打开后盖对外壳122内部零件进行维护及更换。

本发明集成电路处理模块4包括最小电位提取模块41、电位差计算模块42、监测与报警模块43以及蓄电池44；其中，最小电位提取模块41与输入接口411连接，电位差计算模块42分别与最小电位提取模块41和监测及预警模块43连接；蓄电池44采用12V碱性电池，并分别与最小电位提取模块41、电位差计算模块42和监测及报警模块43电性连接，蓄电池44通过防爆电线与桥面的供电设施电线连接，在正常情况下由桥面供电设施提供供电，遭遇火灾断电时，由蓄电池44为各个用电部件提供电源。通过以上设置，当位移检测模块12的阻值发生改变时，该测点电位改变，最小电位提取模块41提取最低点电位值，电位差计算模块42计算最低电位值与零电位点的电位差，同时监测及报警模块43根据该电位差大小判断位移值变化，当电位差超出设定阈值时，安装于箱型壳体11外壁上预警单元431发出预警。

具体的，如图5所示，本发明集成电路处理模块4中的最小电位提取模块41主要由U1～U5运算放大器组成，用于提取若干个位移检测模块处的最低电位值。最低电位值代表此处测点的位移最大，运算放大器U6构成的电位差计算模块用于测量上述测点与零电位点的电位差，并输出至监测及报警模块43，当电位差超过相应限值时，即位移超出了规定阈值，监测及报警模块43控制预警单元431发出预警。可知测点实时的位移值X可由下式表示：

为了保证集成电路处理模块4在火灾状况下温度、可靠的工作，本发明实施例特设置了如图6所示的隔热保护壳3，该隔热保护壳3安装于箱型壳体11内底部，使用时将集成电路处理模块4放置于隔热保护壳3内，该隔热保护壳3由腔室主体31和盖板32组成，且盖板32开设有供连接导线穿过的通孔，该隔热保护壳3的腔室主体31由四层结构组成，其最外层为二氧化硅气凝胶隔热层，其次为NIP-1050型纳米微孔隔热板层，二氧化硅气凝胶隔热层，最内层为绝缘氧化铝陶瓷。为了说明该隔热保护壳3的性能，发明人采用了HC碳氢火灾升温曲线对保护壳的隔热性能进行了仿真验证，结果如图7所示，在HC碳氢火灾升温过程下，该隔热保护壳3内部仍能保证集成电路正常工作温度（20°～70°）。

优选的，本发明实施例中箱型壳体11采用一定厚度的Q345钢板制作，保证箱型壳体11的强度，同时在其外表面刷防火涂层；另外本发明实施例中采用的连接导线均为氧化镁绝缘耐火电缆，该耐火电缆可在750℃至800℃高温下工作90分钟及以上时间。

另一方面，本发明提供一种基于上述监测预警装置的安装方法，具体包括以下步骤：

1）根据被监测钢板梁腹板A1的高度制作相应的箱型壳体11，并在所述箱型壳体11上沿高度方向等距开设多个槽口111；

2）然后将多个位移检测模块12依次安装在箱型壳体11上，并使每个位移检测模块12的探头121先伸出箱型壳体11开设的槽口111，再通过螺栓组件将该位移检测模块12与箱型壳体11固定；

3）制作隔热保护壳3并将其安装在箱型壳体11内底部，并在隔热保护壳3内安装预制好的集成电路处理模块4，按照测点顺序将多个位移检测模块12通过导线2依次与集成电路处理模块4连接；

步骤四、将数据采集执行机构1对称设于每个钢板梁腹板A1的左右两侧，并使用紧固件将箱型壳体11分别与位于钢板梁腹板A1上部的顶板A2和下部的底板A3固定连接，再调整每个位移检测模块12的位置使探头121与钢板梁腹板A1紧密接触，同时使探头121尾端的压缩弹簧123处于压缩状态，最后接通电源。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。