一种柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅的柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置及浇筑的控制方法。

背景技术

近年来，钢管混凝土柱作为主要受力构件，在高层结构、大跨空间等大型结构中得到广泛应用。对于这一类型构件，一般先将钢管柱吊装至设计位置，再对柱内混凝土进行浇筑。其中，对于柱内混凝土的浇筑，通常有三种施工工艺：原位浇筑、高抛施工和顶升施工。其中顶升施工是一种利用泵送装置将混凝土从钢柱底部泵送，继而将钢管柱内混凝土提升到设计高度的浇筑方法。该施工方法较原位浇筑、高抛施工具有混凝土灌注密实度好、可交叉作业等优点。因此，顶升浇筑的施工工艺开始得到广泛应用。

在顶升浇筑时，为避免柱内混凝土浇筑过高后对钢柱的侧壁压力超过钢柱容许应力，顶升高度一般控制在1～2个楼层高度，待混凝土泵送至既定位置处时停止泵送并关闭止回阀。这一过程中，需要对柱内混凝土的浇筑高度实时掌握，以保证混凝土被顶升至指定位置。但在实际施工中，由于钢柱包裹混凝土，无法从混凝土柱外侧判断混凝土浇筑的实时位置。对此，常采用开设漏浆孔或人工顶部观察的方式对柱内混凝土的浇筑高度进行判断。

其中，开设漏浆孔是指在钢柱下一个相邻灌浆孔下部一定位置处开设小直径孔，在该措施下，可通过观察漏浆孔是否漏浆来判断柱内混凝土与该位置的关系。该方式虽然较为简便，但是开设的漏浆孔需要在后期进行修补，从而会产生一定的措施费。此外，人工顶部观察的方式虽然可以节省相关的措施费，但是该方法需要在柱顶部位为观察人员提供站立平台，而在实际施工中钢柱的吊装施工一般会先于水平构件的施工，因此现场无法保证站立空间的提供。

因此，针对当前顶升浇筑施工下柱内混凝土浇筑位置不易掌握的不足，提出了一种基于光纤布拉格光栅的柱内混凝土顶升浇筑位置实时监测方法。

发明内容

针对于现有顶升浇筑施工下柱内混凝土浇筑位置不易掌握的不足，本发明提供了一种柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置，其可根据柱内混凝土顶升浇筑高度自动控制混凝土泵送，可以有效防止混凝土过量顶升，为把控顶升施工的施工进度提供了极大地便利，在此基础上，还提供了基于光纤布拉格光栅的柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测方法，很好地克服了现有技术所存在的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置，其包括传感控制单元以及泵送控制单元，所述传感控制单元沿带浇筑的钢管柱长度等距分布，对钢管柱内混凝土浇筑的高度进行感应，所述传感控制单元与泵送控制进行连接，将混凝土浇筑的高度以及对应的泵送指令传输给泵送控制单元，所述泵送控制单元与混凝土泵送系统直接驱动连接，驱动凝土泵送系统的启停。

进一步地，所述传感控制单元包括布拉格光栅传感器，数据处理模块，可视化交互模块，所述布拉格光栅传感器设置于带浇筑的钢管柱上，对带浇筑的钢管柱内浇筑混凝土的高度进行感应，所述数据处理模块与布拉格光栅传感器连接，对布拉格光栅传感器的数据进行处理后形成控制指令下达至泵送控制单元，所述可视化交互模块与数据处理模块连接，对数据处理模块处理后的高度数据进行显示。

进一步地，所述布拉格光栅传感器外围设有磁性柔性纤维布，

进一步地，所述求2所述的一种柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测系统，其特征在于，所述布拉格光栅传感器两端设有易拉环。

进一步地，所述布拉格光栅传感器是由若干布拉格光栅等距设置构成，所述若干布拉格光栅所发出的中心波可跟随钢管柱在浇筑混凝土时的变形和温度进行对应的变化。

进一步地，所述若干布拉格光栅上分别包覆有保温层。

进一步地，所述数据处理模块包括光纤光栅解调仪和数据处理系统；所述光纤光栅解调仪与布拉格光栅传感器连接，对布拉格光栅所发出的中心波形成反射光谱，所述数据处理系统与光纤光栅解调仪连接，对反射光谱进行数据处理。

进一步地，所述数据处理系统与泵送控制单元进行连接。

为了达到上述目的，本发明提供了一种柱内混凝土顶升浇筑位置的浇筑控制方法，所述浇筑控制方法包括如下步骤：

步骤1：根据带浇筑的钢柱高度，将对应钢柱高度的布拉格光栅传感器吸附在钢柱表面；

步骤2：未浇筑前，标定磁吸式布拉格光栅传感器内布拉格光栅的高度，同时解调仪解调得到不同位置处布拉格光栅的中心波长；

步骤3：浇筑开始后，每隔指定的时间，解调仪解调不同位置处布拉格光栅的中心波长并传输给数据处理系统；

步骤4：数据处理系统获得上述数据，并与步骤2中的数据进行对比，获得中心波长发生改变的数据位置及对应的布拉格光栅位置，同时将当前混凝土浇筑位置返回至可视化交互模块；

步骤5：数据处理系统汇总中心波长较未浇筑前发生改变的布拉格光栅数量，若数量为大于未浇筑前发生改变的布拉格光栅数量，则进行步骤6，否则进行步骤3；

步骤6：数据处理系统发送停止泵送信号至泵送控制单元；

步骤7：泵送控制单元根据数据处理系统发送的停止泵送信号控制混凝土泵送系统停止泵送。

本发明提供的柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置及控制方法，其通过光纤布拉格光栅可确定柱内混凝土顶升浇筑高度，并可根据柱内混凝土顶升浇筑高度来自动控制混凝土泵送，可以有效防止混凝土过量顶升，为把控顶升施工的施工进度提供了极大地便利。

其次，本发明测量用传感器利用磁吸原理来进行固定，此固定结构使用简单，可循环利用。

同时本发明中仅需判定每个布拉格光栅的中心波长是否变化来判断柱内混凝土顶升浇筑高度，无需进行具体数值的复杂计算，数据处理过程简单快速。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本基于柱内混凝土顶升浇筑位置实时监测系统的结构示意图；

图2为本发明中布拉格光栅传感器示意图；

图3为本基发明中解调仪所形成的反射光谱图；

图4为本发明混凝土浇筑过程中布拉格光栅的中心波长变化示意。

下面为附图中的部件标注说明：

1.传感控制单元1-1.可视化交互模块1-2.布拉格光栅传感器1-2-1.布拉格光栅1-2-2.保温层1-2-3.无磁性柔性纤维1-2-4.柔性磁条1-2-5.易拉环1-3.数据处理模块2.泵送控制单元3.混凝土泵送系统4.钢管柱5.泵管。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对于现有顶升浇筑施工下柱内混凝土浇筑位置不易掌握的不足，本发明提供了柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置及控制方法，其通过在钢管柱外侧壁紧密设置传感器，通过在传感器随钢柱一起变形后产生不同的波长来判断柱内混凝土顶升浇筑高度以及控制混凝土泵送的状态，可以有效防止混凝土过量顶升，为把控顶升施工的施工进度提供了极大地便利。

进一步地，参见图1，本方案提供的柱内混凝土顶升浇筑位置实时监测装置包括泵送控制单元2以及传感控制单元1，泵送控制单元2直接接入混凝土泵送系统3。传感控制系统2基于光纤布拉格光栅获取待浇筑钢管柱4内混凝土顶升浇筑位置，并将获取的柱内混凝土顶升浇筑位置信息传输给泵送控制单元2进行数据处理后，控制混凝土泵送系统3以及泵管5进行相应的工作状态。

进一步地，传感控制单元1包括可视化交互模块1-1、布拉格光栅传感器1-2，数据处理模块1-3。

进一步地，布拉格光栅传感器1-2是由若干布拉格光栅1-2-1等距设置构成，其沿钢柱4的长度安装，通过等距设置能够精准度感应柱内混凝土顶升浇筑的位置，用于实时感应钢柱内每一段的混凝土顶升浇筑的位置，并将信息传输给数据处理模块1-3，进行数据处理后在可视化交互模块1-1中进行位置显示。

布拉格光栅传感器1-2紧密设置于钢柱4的侧壁时，当钢柱4内部浇筑混凝土时，布拉格光栅传感器1-2上的每个布拉格光栅1-2-1跟随钢管柱4浇筑的高度随钢管柱4一起变形产生应力变化，当布拉格光栅传感器1-2变形时，会产生与原始布拉格光栅传感器不同的波形，反射光谱中心波长位置发生改变，由此，可根据光纤光栅位置判断钢柱4内混凝土的浇筑情况。

另外，中心波长除了会由于布拉格光栅传感器1-2应力而产生变化之外，还与布拉格光栅传感器1-2的温度有关系。

因此，为避免温度对布拉格光栅传感器的应力产生影响，参见图2，本方案优选在布拉格光栅传感器1-2内每个布拉格光栅1-2-1外包一层保温层1-2-2，保证其仅感受钢管柱变形引起的应力变化。

进一步地，同时，在布拉格光栅1-2-1外包保温层1-2-2之后，优选再由两层无磁性柔性纤维布1-2-3将布拉格光栅传感器1-2夹紧固定，形成三明治形式，通过设置柔性纤维布1-2-3可将布拉格光栅传感器1-2进行盘卷，按需展开，运输便利。

在其中一个无磁性柔性纤维布1-2-3的另一侧固定有柔性磁条1-2-4。使用时，将无柔性磁条1-2-4一侧的无磁性柔性纤维布1-2-3紧贴钢管柱4表面，布拉格光栅传感器1-2在柔性磁条1-2-4的磁性作用下与钢管柱4紧贴固定，由内而外形成：钢管柱4、柔性磁条1-2-4、保温层1-2-2、布拉格光栅1-2-1、无磁性柔性纤维布1-2-3。利用磁吸原理来进行固定，此固定结构使用简单，可循环利用。

同时，在布拉格光栅传感器1-2两端优选设置有易拉环1-2-5，通过设置易拉环1-2-5将布拉格光栅传感器1-2从钢柱4表面快速简单的剥离。

数据处理模块1-3用于对布拉格光栅传感器1-2的信号进行处理，其包括光纤光栅解调仪和数据处理系统。

光纤光栅解调仪与布拉格光栅传感器1-2配合连接，参见图3，通过光纤光栅解调仪可解调得到不同位置处布拉格光栅1-2-1的中心波长。

具体的，参见图4，当混凝土浇筑至该对应的布拉格光栅1-2-1位置处，钢管柱4表面发生变形，带动光纤光栅变形并产生应力变化，表现为解调仪解调后的反射光谱中心波长λ位置发生改变，而其他未浇筑范围内的光纤光栅中心波长λ位置不变，由此可根据光纤光栅位置判定混凝土的浇筑位置。

作为举例，当宽带光波射入该布拉格光栅内部时，满足特定条件波长的入射光波会在光栅处发生反射(其余波长的光透射)，反射光经光纤光栅解调仪解调后会得到反射光谱，该反射光谱在中心波长λ处会出现峰值。

该中心波长λ与布拉格光栅的应力和温度变化密切相关。具体地，中心波长λ，中心波长变化量Δλ，光纤轴向应变ε，温度变化ΔT为，光纤光弹系数Pe，光纤热膨胀系数α，光纤热光系数

其中光纤光弹系数Pe，光纤热膨胀系数α，光纤热光系数

光纤光栅解调仪与数据处理系统连接，数据处理系统可以获得解调仪数据，进行数据处理，其与未进行浇筑钢柱上布拉格光栅1-2-1所形成的数据进行对比，获得中心波长发生改变的数据位置及对应的布拉格光栅1-2-1位置。

数据处理系统汇总中心波长较未浇筑前发生改变的布拉格光栅1-2-1数量，若数量大于未浇筑前发生改变的布拉格光栅1-2-1数量，则发送停止泵送信号至泵送控制单元2进行停止泵送；相反，若小于，则继续通过解调仪解调不同位置处布拉格光栅1-2-1的中心波长，直至数量大于未浇筑前发生改变的布拉格光栅1-2-1数量，然后进行停止泵送。

本发明中仅需判定每个布拉格光栅1-2-1的中心波长是否变化来判断柱内混凝土顶升浇筑高度，无需进行具体数值的复杂计算，数据处理过程简单快速。

可视化交互模块1-1与数据处理模块产生数据连接，可直观获得当前混凝土的浇筑位置。

本方案基于上述结构所构成的基于柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置，还提供了基于柱内混凝土顶升浇筑位置的浇筑控制方法，浇筑控制方法包括如下：

步骤1：根据带浇筑的钢柱4高度，将布拉格光栅1-2-1从钢柱4最底端开始设置，依次等距分布于钢柱4上；

假设磁吸式布拉格光栅传感器1-2中布拉格光栅1-2-1的布置间距为d，浇筑高度为H，在此条件下，通过磁吸将总长为H的磁吸式布拉格光栅传感器吸附在钢柱4表面，其中传感器的下端距离浇筑顶升口距离为d。

步骤2：未浇筑前，标定磁吸式布拉格光栅传感器1-2内布拉格光栅1-2-1的高度，同时解调仪解调得到不同位置处布拉格光栅1-2-1的中心波长{λ

步骤3：浇筑开始后，每隔Δt，解调仪解调不同位置处布拉格光栅1-2-1的中心波长{λ

步骤4：数据处理系统获得上述数据，并与步骤2中的数据进行对比，获得中心波长发生改变的数据位置及对应的布拉格光栅1-2-1位置，同时将当前混凝土浇筑位置返回至可视化交互模块1-1；

步骤5：数据处理系统汇总中心波长较未浇筑前发生改变的布拉格光栅1-2-1数量，若数量为大于H/d，则进行步骤6，否则进行步骤3；

步骤6：数据处理系统发送停止泵送信号至泵送控制单元2；

步骤7：泵送控制单元2控制混凝土泵送系统3停止泵送。

步骤8：利用磁吸式布拉格光栅传感器1-2两端的易拉环1-2-5将布拉格光栅传感器1-2进行剥离。

基于上述所提供的柱内混凝土顶升浇筑位置的实时监测装置及浇筑控制方法，为了便于对本方案进行清楚表述，以下举例说明其在具体应用时的浇筑控制步骤，这里需要说明的是，以下步骤中的数值均为举例说明，并不对本方案构成限定。

以一根预设浇筑高度为4.8m的钢管柱4混凝土顶升浇筑施工为例，磁吸式布拉格光栅传感器1-2中布拉格光栅1-2-1分布间距设置为0.6m，沿柱体最底端到最顶端共分布9个。在混凝土浇筑前，将磁吸式布拉格光栅传感器1-2通过磁吸安装在钢柱4表面，其中传感器下端距离浇筑孔0.6m在混凝土浇筑过程中，当解调仪解调后得到第8个布拉格光栅的反射光谱中心波长λ产生变化时，可停止浇筑完成施工。

步骤1：通过磁吸将总长为4.8m的磁吸式布拉格光栅传感器1-2安装在钢柱4表面，其中参与监测的传感器部分最下端距离浇筑顶升口距离为0.6m。

步骤2：未浇筑前，标定参与监测部分的磁吸式布拉格光栅传感器1-2内布拉格光栅1-2-1的高度，同时解调仪解调得到不同位置处布拉格光栅1-2-1的中心波长{λ

步骤3：浇筑开始后，每隔5S，解调仪解调不同位置处布拉格光栅1-2-1的中心波长{λ

步骤4：数据处理系统获得上述数据，并与步骤2中的数据进行对比，获得中心波长发生改变的数据位置及对应的布拉格光栅1-2-1位置，并返回为当前混凝土的浇筑高度，同时将当前混凝土浇筑高度返回至可视化交互模块1-1；

步骤5：数据处理系统汇总中心波长较未浇筑前发生改变的布拉格光栅1-2-1数量，若数量不大于8，进行步骤3，否则进行步骤6；

步骤6：数据处理系统发送停止泵送信号至泵送控制器2；

步骤7：泵送控制器2控制混凝土泵送系统3停止泵送。

步骤8：利用磁吸式布拉格光栅传感器1-2两端的易拉环1-2-5将传感器从钢柱4表面剥离。

综上所述，本方案基于光纤布拉格光栅实现了柱内混凝土顶升浇筑高度的实时监测，可根据柱内混凝土顶升浇筑高度自动控制混凝土泵送，可以有效防止混凝土过量顶升，为把控顶升施工的施工进度提供了极大地便利；

其次，本发明中的传感器利用磁吸原理进行固定，使用简单，可循环利用；另外，本发明使用中仅需判定每个布拉格光栅的中心波长是否变化，无需进行具体数值的复杂计算，数据处理过程简单快速。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。