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电缆隧道塌陷监测装置测试研究
电缆隧道塌陷监测装置测试研究
摘 要:现代化的城市中,地下电缆隧道分布到了城市的各个区域。处在道路下方的隧道,有可能因重型汽车的碾压或者其它形式的地面上的压力出现坍塌,严重影响城市的交通、通讯和电力供应等。本研究设计了一种监控装置,通过简单的机构,将隧道顶部的位移转化为便于监测的弹性拉杆应变,可实现对地下电缆隧道塌陷的实时在线监测。
关键词:电缆隧道 塌陷 实时监测 应变
中图分类号:TU99 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)07(b)-0066-02
1 研究背景
随着信息时代的来临,通讯线路越来越发达,这些线路一般由地下管道的形式铺设,这样不但节约了地面空间,而且维修的时候也减少了地面拥堵的情况。地下管路隧道在中国虽已发展的比较成熟,但漫长的地下隧道线路极容易受到破坏,如重载汽车的碾压、地震和水土流失等会导致隧道上部出现裂??,甚至坍塌,对城市的交通、通讯和电力供应造成严重影响。因此,对电缆隧道的结构安全实时监测非常必要。目前,常用的结构安全监测技术大多基于应变传感器,将应变传感器安装在结构上的某些关键位置,根据采集到的应变值评估结构的安全性[1,2]。然而,这些传统的测量应变的方法未必适合地下电缆隧道的典型破坏形式。电缆隧道的坍塌具有明显的特点,隧道发生破坏的时候,顶部碎裂成若干块体,每一块体产生很大的刚体位移,而这些块体内部却只有很小的应变,属于典型的大位移-小应变情况。对于这种情况,如果将传统的应变监测传感器布置在隧道顶部,即使隧道已经塌陷,应变传感器也不能够及时捕捉到信号,有效的方法应该是以位移为监测指标。单就结构位移监测而言,可使用的技术有多种,如人工位移测量法[3]、LVDT等位移计监测法[4]、雷达位移测量法[5]和三维激光扫描法[6]等。这些方法都能够应用在地下电缆隧道坍塌监测中,但有很大的局限性。为此,本研究设计了一种简单机构,将隧道顶部的位移转化为弹性拉杆的应变,结合应变传感器,可实现对地下电缆隧道的实时在线健康监测。
2 监测系统
2.1 原理介绍
本研究提出一种简单可行的监测方法,原理如图1所示。系统装置主要有三个部件,包括竖向距离调节器、横向弹性拉杆和应变传感器。横向弹性拉杆安装在固定的支座上,该支座不因隧道顶部的变形而产生大的位移。系统工作时,调节竖向距离调节器,增加隧道顶部A点和横向弹性拉杆上B点距离,使横向弹性拉杆内部产生初始应力并发生弹性挠度。此时,当隧道上方受到压力作用时,隧道到顶部将产生变形。由于这种变形,A点和B点的距离发生变化,从而使横向弹性拉杆的挠度变大或者变小,进而引起弹性横杆上B点处应变的改变,贴在B点的应变传感器便可记录下改点的应变变化值。当应变的变化量超过事先规定的警戒值时,系统发出报警,从而达到隧道安全监测的目的。
2.2 实验模型
图2是本研究根据图1所示原理制作的实验模型,图中一个拱形钢片和一个水平弹性钢片焊接在一个刚性外框上。拱形钢片用来模拟地下隧道的顶部,水平弹性钢片则用来模拟横向弹性拉杆,上面贴有应变片,和应变测试仪器相连接。共有四个螺旋可变长度的球头螺纹顶杆配置在刚性外框、拱形钢片和水平弹性钢片之间。实验中,首先调长0号顶杆,使水平弹性钢片中出现张紧力,而应变片则把此时弹性钢片中的应变传递到应变仪中进行记录。之后,分别调节1、2和3号顶杆,通过改变它们的长度引起拱形钢片的变形,这种变形导致A、B两点之间的距离增加或者减小,从而使具有初始张紧力的水平弹性钢片上B点处的应变发生改变,并由应变测试仪记录。
3 实验过程与结果
3.1 测量原理
本实验使用BYD-5型应变仪测量水平弹性钢片的应变。该应变仪采用如图3所示的惠斯通电桥测量原理。由图3知,B、D之间的电压电源电压分别为:由公式(6)可以看出,单臂电桥中只有应变片的电阻(不失一般性,假定应变片电阻变化量为)发生改变,所以,即。所以,电压的变化反应了应变片应变的变化。需要说明的是,和是已知量,根据应变仪型号确定。本实验中,,。
3.2 实验过程
(1)取实验装置,调试桥压,旋动0号球头杆,使水平弹性钢片中具有初始应力,待电桥平衡后准备实验。
(2)首先旋动1号球头杆调整其长度,并保证2、3号球头杆和拱形钢片脱离接触。每转动时记录一个,直至旋至。
(3)类似(b)步骤,分别调整2号球头杆和3号球头杆并保持未被调节的球头杆不接触拱形钢片,记录数据。
(4)整理数据,填表绘图。
3.3 试验结果
由于球头杆是可旋转的伸缩式螺纹杆,故实验中分别记录螺杆旋转角度,换算成球头杆伸长的距离,同时观测记录B点两侧的应变片电压改变量,通过公式(6),即换算成B点处的应变。为了减少随机
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