CN101210983A - 光纤光栅智能钢绞线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅智能钢绞线，由中心丝和围绕中心丝缠绕的边丝扭绞成型，中心丝是含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋；该智能筋包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光纤外套有塑料松套管，该塑料松套管隔离光纤与纤维增强筋相连结，光纤光栅传感器传输光纤从钢绞线端部引出；其制作方法是：首先制作光纤光栅纤维增强复合智能筋，再将与智能筋等长度的钢绞线机械打散，并用光纤光栅纤维增强复合智能筋替换钢绞线的中心丝，重新扭绞成型。本发明智能钢绞线具备自感知特性，其传感特性具有光纤光栅的所有优点：可以方便地掌握钢绞线在施工和服役期间的受力情况，指导预应力张拉与施工。

Description

光纤光栅智能钢绞线及其制作方法

技术领域：

本发明涉及一种应用于预应力工程结构如系杆拱桥、斜拉桥、悬索桥、体外索、地锚等的智能钢绞线及其制作方法，具体地说是一种具有自感知性能和在线实时监测功能的智能钢绞线及其制作方法。

背景技术：

钢绞线是由多根钢丝捻制而成的单股钢丝绳，广泛地被用作混凝土预应力筋、桥梁拉索和岩土锚索等结构构件。它是这些结构中的关键受力构件，其服役期间的工作状态，直接关系到结构的安全。一般情况下，钢绞线受恶劣工作环境的影响，容易生锈腐蚀劣化，威胁结构服役期间的安全。因此，如何实现对钢绞线长期工作状态的实时监测，确保使用期内安全，是预应力技术发展的关键。

传统的测试监测手段，存在精度低、可操作性差、受干扰影响大、稳定性差、不能实现在线实时监测等缺点，应用它们对预应力钢绞线进行监测，往往很难达到目的。近期发展起来的光纤光栅传感器，是一种性能优良的敏感元件，它可通过布拉格反射波长的移动来感应外界微小应力变化而实现对结构应变在线测量。它不仅具有不怕恶劣环境、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点，而且还具有可对结构的应变进行高精度绝对测量、准分布式数字测量的优点。光纤光栅传感技术为实现钢绞线在线实时监测目的提供了良好的技术手段，能满足现在钢绞线安全监测的高精度和长期性的技术要求。但光纤光栅传感器也有其不足，它比较脆弱，抗剪能力较差，应用时需要特殊保护。因此将光纤光栅传感器应用于钢绞线，其布设工艺是一个关键。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有自感知特性的光纤光栅智能钢绞线，同时提供了该智能钢绞线的生产方法，以解决将光纤光栅传感器应用于钢绞线中所存在的光纤光栅传感器比较脆弱，抗剪能力较差，应用时需要特殊保护的问题以及布设工艺这一关键技术问题。

解决上述技术问题的技术方案是：一种光纤光栅智能钢绞线，由中心丝和围绕中心丝缠绕的边丝扭绞成型构成，所述的中心丝是含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋，光纤光栅传感器传输光纤从钢绞线端部引出；所述的光纤光栅纤维增强复合智能筋，包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光纤外套有塑料松套管，该塑料松套管与纤维增强筋相连结。

本发明的进一步技术方案是：所述光纤光栅纤维增强复合智能筋中串有温度补偿光纤光栅传感器，含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部的外径d2小于智能筋中部的外径d1，其外套有一金属管，该含有温度补偿光纤光栅的智能筋端部悬空。

本发明的另一技术方案是：一种光纤光栅智能钢绞线的制作方法：它包含以下步骤：

A、制作光纤光栅纤维增强复合智能筋：

1)计算纤维增强聚合物筋的下料长度，确定光纤光栅传感器在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤中，并计算出口光纤的最小长度；

2)将多个塑料松套管套在含有光栅传感器的光纤中无光栅段，然后采用热挤法将含有光栅传感器的光纤跟纤维一起牵拉，使塑料松套管与纤维增强筋相连结，制成含光纤光栅的纤维增强复合智能筋；

3)将含有温度补偿光纤光栅的智能筋端部磨细，使其含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部的外径d2小于智能筋的外径d1，再在其外套上一金属管，使含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部悬空，自由伸缩；

B、制作光纤光栅纤维增强复合智能钢绞线：

1)将与预定需要的光纤光栅纤维增强复合智能筋等长度的钢绞线机械打散；

2)用光纤光栅纤维增强复合智能筋替换钢绞线的中心丝，重新扭绞成钢绞线，制成本发明光纤光栅智能钢绞线。

由于采用上述技术方案结构，本发明之光纤光栅智能钢绞线及其制作方法具有以下有益效果：

一、能有效地保护光纤及光纤光栅传感器：

构成本发明光纤光栅智能钢绞线中心丝的光纤光栅纤维增强复合智能筋包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光纤外套塑料松套管，隔离光纤与纤维增强筋相连，有利于引线操作，不会损坏光纤；其温度补偿方法，是采用对含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部磨细后外套金属管，让含温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部悬空，自由伸缩。因而克服了现有技术中将光纤与纤维增强塑料筋直接相粘结，筋中光纤熔接引线操作，容易损坏光纤的问题以及将含有光栅传感器的光纤悬空套金属管结构所存在的光栅传感器易损坏的问题。

二、本发明光纤光栅智能钢绞线将光纤光栅传感器、纤维增强筋与钢绞线高强钢丝有机结合，较好地解决了将光纤光栅传感器应用于普通钢绞线的保护问题以及布设工艺的问题。

本发明光纤光栅智能钢绞线由中心丝和围绕中心丝缠绕的边丝扭绞成型构成，所述的中心丝是本发明上述含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋，光纤光栅传感器传输光纤从钢绞线端部引出。

纤维增强筋是完全弹性材料，具有强度高、质量轻、耐蠕变、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，同时容易加工成型，且制作过程中能很方便地埋入光纤光栅传感器。将含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋作为钢绞线中心丝，使钢绞线具备了自感知特性，其传感特性具有光纤光栅的所有优点：如传感精度高(可达1～2με)、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、稳定性与耐久性好等，可以方便地掌握钢绞线在施工和服役期间的受力情况，从而可以指导预应力张拉与施工，并为服役钢绞线的损伤识别提供直接的信息。

本发明结合纤维增强筋复合材料的力学性能、钢绞线受力特点和光纤布拉格光栅的感知特性研制开发的光纤光栅纤维增强智能钢绞线，可广泛用于斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥、缆索、地锚、预应力钢绞线等需要预应力构件的工程结构。

三、本发明光纤光栅智能钢绞线的制作方法简单、合理。

下面，结合附图和实施例对本发明之光纤光栅智能钢绞线及其制作方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明：

图1～图2：本发明光纤光栅智能钢绞线结构示意图：

图1：立体图，图2：横断面结构示意图；

图3：本发明光纤光栅纤维增强复合智能筋结构示意图之一——即光纤光栅传感器在纤维增强复合筋中布设示意图；

图4：本发明光纤光栅纤维增强复合智能筋结构示意图之二——即具有温度补偿功能的光纤光栅传感器在纤维增强复合筋中布设示意图。

图中：

1-钢绞线，2-光纤光栅纤维增强复合智能筋，3-钢丝，

21-光纤，22-纤维增强筋，23-塑料松套管，24-光纤光栅传感器，25₁、25₂-温度补偿光纤光栅传感器，26₁、26₂-光纤光栅纤维增强复合智能筋端部，27-金属管。

具体实施方式：

实施例一：一种光纤光栅智能钢绞线。

该智能钢绞线，由中心丝和围绕中心丝缠绕的边丝扭绞成型构成，所述的边丝是普通的高强钢丝3，所述的中心丝是含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋2(参见图1、图2)，该智能筋2包括纤维增强筋22及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤21及光纤光栅传感器24，在非光栅段的光纤外套有塑料松套管23，该塑料松套管23隔离光纤与纤维增强筋22相连结，光纤光栅传感器传输光纤21从钢绞线端部引出(参见图3)。

作为本发明实施例一的一种变换，作为中心丝的光纤光栅纤维增强复合智能筋2中串有温度补偿光纤光栅传感器25₁、25₂，含温度补偿光纤光栅传感器25₁、25₂的智能筋端部26₁、26₂的外径d2小于智能筋的外径d1，其外套有一金属管27，智能筋端部与金属管之间有粘结剂——可采用智能筋涂粘结剂后再套金属管或金属管套筋后再加粘结剂，该含有温度补偿光纤光栅传感器25₁、25₂的智能筋端部悬空(参见图4)。

作为本发明实施例一的又一种变换，作为中心丝的光纤光栅纤维增强复合智能筋2还可以是只含有一个温度补偿光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋，含有该温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部的外径d2小于智能筋的外径d1，其外套有一一端封口的金属管，该含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部悬空。

作为本发明实施例一的又一种变换，在所述中心丝——埋入了光纤光栅传感器的纤维增强复合智能筋的表面喷涂有一层粘结剂。

实施例二：本发明光纤光栅智能钢绞线的制作方法。

该方法包含以下步骤：

A、制作光纤光栅纤维增强复合智能筋：

1)计算纤维增强聚合物筋2的下料长度，确定光纤光栅传感器24、25₁、25₂在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤中，并计算出口光纤的最小长度，

2)将1～20个塑料松套23管套在含有光栅传感器24、25₁、25₂的光纤中无光栅段，然后采用热挤法将含有光栅传感器24、25₁、25₂的光纤跟纤维一起牵拉，使塑料松套管23与纤维增强筋22相连结，制成含光纤光栅的纤维增强复合智能筋2；

3)将含有温度补偿光纤光栅25₁、25₂的智能筋端部磨细，使其含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部的外径d2小于智能筋的外径d1，再在其外套上一金属管26₁、26₂，使含有温度补偿光纤光栅传感器25₁、25₂的智能筋端部悬空，自由伸缩；

B、制作光纤光栅智能钢绞线1：

1)将与预定需要的光纤光栅纤维增强复合智能筋2等长度的钢绞线1机械打散；

2)用光纤光栅纤维增强复合智能筋2替换钢绞线的中心丝11，重新扭绞成钢绞线，制成本发明光纤光栅智能钢绞线1。

作为本发明各实施例的一种变换，所述套在光纤上无光栅段上的塑料松套管的个数N也可以多于20个，根据需要制作的光纤光栅纤维增强复合智能筋的长度而定，一般1≤N≤50，也还可以更多。

本发明各实施例中，所述的光纤光栅纤维增强复合智能筋中的光栅传感器和温度补偿光栅传感器的数量及分布根据需要决定。

Claims (5)

1.一种光纤光栅智能钢绞线，由中心丝和围绕中心丝缠绕的边丝扭绞成型构成，其特征在于：所述的中心丝是含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅智能钢绞线，其特征在于：所述的光纤光栅纤维增强复合智能筋，包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光纤外套有塑料松套管，该塑料松套管隔离光纤与纤维增强筋相连结，光纤光栅传感器传输光纤从钢绞线端部引出。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅智能钢绞线，其特征在于：该光纤光栅纤维增强复合智能筋之含光纤光栅传感器的智能筋端部含有温度补偿光纤光栅传感器，含温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部外径d2小于智能筋的外径d1，其外套有一金属管，该含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部悬空。

4.根据权利要求1或2或3所述的光纤光栅智能钢绞线，其特征在于：在所述中心丝——埋入了光纤光栅传感器的纤维增强复合智能筋的表面喷涂有一层粘结剂。

5.一种光纤光栅智能钢绞线的制作方法：它包含以下步骤：

A、制作光纤光栅纤维增强复合智能筋：

1)计算纤维增强聚合物筋的下料长度，确定光纤光栅传感器在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤中，并计算出口光纤的最小长度，

2)将N个塑料松套管套在含有光栅传感器的光纤中无光栅段，然后采用热挤法将含有光栅传感器的光纤跟纤维一起牵拉，使塑料松套管与纤维增强筋相连结，制成含光纤光栅的纤维增强复合智能筋，N取值范围：1≤N≤50；

3)将含有温度补偿光纤光栅的智能筋端部磨细，使其含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部的外径d2小于智能筋的外径d1，再在其外套上一金属管，使含有温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部悬空，自由伸缩；

B、制作光纤光栅智能钢绞线：

1)将与预定需要的光纤光栅纤维增强复合智能筋等长度的钢绞线机械打散；

2)用光纤光栅纤维增强复合智能筋替换钢绞线的中心丝，重新扭绞成钢绞线，制成本发明光纤光栅智能钢绞线。

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