CN101435779B - 基于光纤布里渊传感的智能钢绞线及其制备与全尺度监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤布里渊传感的智能钢绞线及其制备与全尺度监测方法。智能钢绞线包括FRP-OF智能筋、钢绞线外丝、高延性金属箔片和光纤，至少一层高延性金属箔片包裹在FRP-OF智能筋表面，FRP-OF智能筋与钢绞线外丝捻线成型，光纤设置在FRP-OF智能筋内并从两端穿出。本发明具有智能感知特性，测试精度高，具有抗电磁干扰、绝对测量、稳定性和耐久性好等优点，克服了电测和局部光纤光栅等传感技术的不能全分布式测试的缺点，同时可以用该智能钢绞线，监测预应力工程的预应力损失，特别适用于如斜拉桥平行钢绞线拉索等结构的健康监测。该智能钢绞线制作过程简单、成本低，特别适宜产业化生产。
Description
(一)技术领域
本发明涉及结构损伤监测领域，具体涉及一种钢绞线应力监测技术。
(二)背景技术
钢绞线广泛应用于预应力混凝土和桥梁拉索(如斜拉索、吊杆和系杆)、缆索等索体结构中。钢绞线在长期服役期间一般处于高应力状态和恶劣环境中，其应力状态直接关系到结构的服役功能(如挠度过大)和安全性(如裂缝过宽、断裂等)。因此对钢绞线结构的应力状态进行从施工到服役的全过程监测，具有重要的意义。钢绞线结构，如预应力结构，通常还会因钢绞线弯角、与粘结基体的摩擦或滑移、与套管的摩擦、混凝土结构的离散型性徐变、有无粘结的钢筋应力松弛差异等各种不同的原因，往往会导致应力状态在长度方向上呈现强烈的差异性。此外，钢绞线在张拉过程中往往会发生扭转，导致直粘帖在其上的传感器或传输线路失效。目前，国内外尚没有适于钢绞线长期应力状态监测的有效手段。传统用于钢绞线局部应力监测的手段主要包括千斤顶油压表、电测式传感器(如差动电阻式、电阻应变计式、钢弦式等)和磁通量式传感器、加速度间接测试等技术。然而，这些技术都不同时具备分布式、高耐久、长距离、绝对测量、低成本、操作简便等特征。虽然，磁通量技术具有一定的耐久性优势，但是磁通量传感器存在由于磁性退化、传感器非线性特征等导致需要二次标定的问题，也不完全适于长期监测。随着光纤光栅传感器的快速发展与大量工程实践，国内外许多学者应用光纤光栅对预应力钢绞线应力监测进行了研究，其中哈尔滨工业大学对光纤光栅智能钢绞线进行了系统研究，将光纤光栅(OFBG)与纤维增强树脂复合筋(FRP)，称为FRP-OFBG，再与钢绞线复合研制开发出智能钢绞线，并将其成功地应用到实际工程中。然而这种智能钢绞线也是局部式传感器，只能给出钢绞线某点的平均应力值，不能反映钢绞线各段预应力损失与全尺度的应力分布情况。
近年发展起来布里渊分布式光纤传感技术，为解决上述难题提供了新的思路。布里渊分布式光纤传感器除具有普通光纤传感器的优点外，其最为显著的特点就是实现了全分布式应变测量，可对光纤沿线的应力场和温度场进行全尺度监测，已在航空航天、土木工程、复合材料等领域得到大量的研究和初步应用，成为目前的热点研究技术。为了充分发挥光纤布里渊的分布式监测特性和FRP材料的高耐久、线性本构、模量较高等特性，将光纤与FRP复合，制作出FRP-OF智能筋，直接替换钢绞线中丝，研制基于全尺度光纤布里渊监测技术的智能钢绞线(命名为FRP-OF智能钢绞线)，光纤作为感知元件，监测FRP-OF智能筋的轴向应变的分布规律及其随荷载变化的关系，可以得到FRP-OF智能钢绞线的的应力变化，进而监测预应力工程中的预应力损失。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有智能感知特性，测试精度高，具有抗电磁干扰、绝对测量、稳定性和耐久性好优点的基于光纤布里渊传感的智能钢绞线及其制备与全尺度监测方法。
本发明的目的是这样实现的：智能钢绞线包括FRP-OF智能筋、钢绞线外丝、高延性金属箔片和光纤，至少一层高延性金属箔片包裹在FRP-OF智能筋表面，FRP-OF智能筋与钢绞线外丝捻线成型，光纤设置在FRP-OF智能筋内并从两端穿出。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的FRP-OF智能筋的直径与钢绞线中丝相等，长度长于中丝；
2、所述的FRP-OF智能筋内设置双光纤；
3、所述的FRP-OF智能筋一端熔接传输信号的光缆，另一端两光纤熔接构成测试回路。
本发明智能钢绞线的制备过程包括以下结构特征：1、在FRP制作过程中置入光纤复合FRP-OF筋；2、在FRP-OF智能筋表面包裹一层或几层高延性金属箔片，增加FRP-OF筋和外层钢丝之间的握裹力；3、将包裹金属箔片的FRP-OF智能筋直接替换钢绞线的中丝与外丝捻线成型；4、通过特殊锚具固定钢绞线两端应用于实际工程中。
本发明的智能钢绞线制备方法还有这样一些技术特征：
1、所述的在FRP制作过程中根据钢绞线中丝的长度计算FRP筋的下料长度，然后将长度长于钢绞线中丝4-7cm的光纤与纤维一起牵拉，采用热挤法制成复合光纤的FRP-OF筋；
2、所述的将包裹高延性金属箔片的FRP-OF筋与外丝捻线成型后在FRP-OF智能筋两端剥出光纤，一端熔接传输信号的光缆，另一端，两光纤熔接构成测试环路，光纤接头部位弯曲半径大于2.5cm。
本发明智能钢绞线的全尺度监测方法包括：通过特殊锚具固定智能钢绞线两端于工程中，对智能钢绞线健康监测时，根据测得的光纤沿线各点的布里渊频移的变化，计算出FRP-OF筋的轴向应变，外层钢丝在锚固张拉过程中发生扭转，使FRP-OF智能筋与外层钢丝之间的握裹力大大增强，从而构件的整体协同变形，FRP-OF智能筋感受的应变即为钢绞线的应变，进而得到钢绞线的内力全分布情况。
布里渊全分布式光纤测试技术是基于布里渊频移信息的绝对测量技术，采用普通通讯用单模光纤作为其敏感元件，除具有普通光纤传感器的优点(如可靠性好、传输距离长、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强，绝对测量)，其突出的优点是：实现了全分布式应变测量，可对光纤沿线的应力场和温度场进行全尺度，超长距离监测。目前布里渊分布式光纤传感器已经在土木工程、航空航天、石油化工、环境工程等领域得到了应用。
FRP筋具有强度高、质量轻、耐蠕变、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在土木工程领域逐渐成为代替钢筋的新兴材料，而且容易加工成型，能很方便的复合光纤传感器。
本发明提供了一种基于光纤布里渊分布式传感技术的钢绞线全尺度应力监测方法与技术，同时还包括用于应力监测的智能钢绞线的制作工艺。本发明结合FRP材料的高耐久、线性本构、模量较高等特性和光纤的全分布式感知特性，研制开发FRP-OF智能钢绞线。通过封装在FRP筋内的光纤，感知FRP筋的轴向应变，外层钢丝在锚固张拉过程中会发生扭转，使FRP-OF智能筋与外层钢丝之间的握裹力大大增强，从而保证了构件的整体协同变形。该智能钢绞线测试精度高(可达到±20με)、抗电磁干扰、绝对测量、稳定性和耐久性好等，可以准确的监测预应力钢绞线在施工和服役期间的受力状态。在预应力工程中可以指导预应力钢绞线或拉索的张拉与施工，并为预应力拉索服役期间的预应力损失、锚固失效等健康监测与损伤识别提供直接的信息。将光纤与FRP筋有效复合制作的FRP-OF智能筋，同时又是对光纤的优良封装保护，克服了裸光纤传感器布设与保护的困难，并能充分发挥光纤的优良的感知性能，这是普通电测技术(如电阻应变计)不可能做到的。
本发明智能钢绞线具有灵敏度高、稳定性好、绝对测量、测试距离长以及结构简单等优点，克服了电测和局部光纤光栅等传感技术的不能全分布式测试的缺点，同时可以用该智能钢绞线，监测预应力工程的预应力损失，特别适用于如斜拉桥平行钢绞线拉索等结构的健康监测。该智能钢绞线制作过程简单、成本低，特别适宜产业化生产。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构剖面示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
结合图1，本实施例FRP-OF智能筋的直径应与钢绞线中丝相等，长度略长于中丝(约5cm左右)，便于传输跳线的接入；考虑到该智能钢绞线可同时兼容布里渊分布式传感技术的两大商用系统：BOTDA和BOTDR，FRP-OF智能筋采用双光纤；
结合图2，FRP-OF智能钢绞线的组成包括：锚具1，高延性金属箔片2，钢绞线外丝3，含有光纤的FRP筋4和光纤5。
本实施例的产品可以采用下述方法来制作：
1)、根据钢绞线中丝的长度计算FRP筋的下料长度，然后将合适长度的光纤(略长于钢绞线中丝，约5cm左右，便于跳线制作)与纤维一起牵拉，采用热挤法制成复合光纤的FRP-OF筋；
2)、为使FRP-OF筋与钢绞线外丝协同变形，在FRP-OF筋表面包裹一层或几层高延性金属箔片，增加FRP-OF筋和外层钢丝之间的握裹力；
3)、取出钢绞线中丝，将包裹高延性金属箔片的FRP-OF筋与外丝捻线成型；
4)、剥出光纤，一端熔接传输信号的光缆，另一端，两光纤熔接构成测试环路，光纤接头部位弯曲半径大于2.5cm。
本实施例采用的特殊锚具如锲型夹片锚。
对钢绞线健康监测时，根据测得的光纤布里渊频移的变化，计算出FRP-OF筋沿线的轴向应变，外层钢丝在锚固张拉过程中会发生扭转，使FRP-OF智能筋与外层钢丝之间的握裹力大大增强，从而保证了构件的整体协同变形，进而得到钢绞线的内力全分布情况，实现对钢绞线长期工作状态的实时、全尺度监测，确保使用期内预应力钢绞线或拉索的安全运行，满足结构安全监测的高精度和长期性的技术要求。
Claims (3)
1.基于光纤布里渊传感的智能钢绞线的制备方法，其特征在于：(1)在FRP制作过程中置入光纤复合FRP-OF筋；(2)在FRP-OF智能筋表面包裹至少一层高延性金属箔片，增加FRP-OF筋和外层钢丝之间的握裹力；(3)将包裹金属箔片的FRP-OF智能筋直接替换钢绞线的中丝与外丝捻线成型；(4)通过锚具固定钢绞线两端应用于工程中，
其中，所述的在FRP制作过程中根据钢绞线中丝的长度计算FRP筋的下料长度，然后将长度长于钢绞线中丝4-7cm的光纤与纤维一起牵拉，采用热挤法制成复合光纤的FRP-OF筋。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊传感的智能钢绞线的制备方法，其特征在于：所述的将包裹高延性金属箔片的FRP-OF筋与外丝捻线成型后在FRP-OF智能筋两端剥出光纤，一端熔接传输信号的光缆，另一端，两光纤熔接构成测试环路，光纤接头部位弯曲半径大于2.5cm。
3.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊传感的智能钢绞线的全尺度监测方法，其特征在于：通过特殊锚具固定智能钢绞线两端于工程中，对智能钢绞线健康监测时，根据测得的光纤沿线各点的布里渊频移的变化，计算出FRP-OF筋的轴向应变，外层钢丝在锚固张拉过程中发生扭转，使FRP-OF智能筋与外层钢丝之间的握裹力大大增强，从而构件的整体协同变形，FRP-OF智能筋感受的应变即为钢绞线的应变，进而得到钢绞线的内力全分布情况。
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