CN102162760A - 一种附着式拉索索力监测装置 - Google Patents

Abstract

提供一种附着式拉索索力监测装置，通过在既有结构拉索上一定标距位置安装可靠的复合半刚性接触抱合式机械变形传递器，并通过复合半刚性接触抱合式机械变形传递器，将温度自补偿光纤光栅精密应变传感器附着于拉索表面，测量标距范围内拉索由于所受拉力变化引起的轴向应变；拉索的轴向应变经光纤光栅精密应变传感器转换为光信号，并通过光缆传输至采集解调终端进行解调；测试软件结合应变测量数据、拉索截面几何参数和拉索材料力学性能参数自动解算出相应索力变化值，进而实现拉索索力的自动化实时动态监测。

Description

一种附着式拉索索力监测装置

技术领域

本发明涉及一种用于索承体系桥梁工程中拉索索力监测的装置，尤其适用于大跨度悬索桥和中、下承式拱桥钢丝绳吊杆，以及悬索桥锚跨索股等表面裸露拉索，成桥后索力变化的长期实时监测，具体地说是涉及一种适用于桥梁结构拉索索力实时监测的装置。

技术背景

随着桥梁工程技术的发展，既有工程中索承体系桥梁层出不穷，为了有效保障既有索承体系桥梁的可靠运营，需要研发一种能够对既有结构拉索实施无损、可靠后期安装，并准确测量其索力变化值的索力监测系统。现有技术中，既有的索力监测技术主要有5种：压力表法、测力环法、频谱法、磁通量法。压力表法为拉索在张拉过程中通过油压直接得到索力，该方法直接且准确，但张拉施工完成后装置即撤离，无法用于结构长期的健康监测，该方法主要用于施工监控和频率法的标定；测力环法是在拉索安装时直接在拉索和锚固端布设测力环，通过测力环测量锚头和锚垫板之间压力得到拉索索力的方法，其优点是测力方式直观可靠，但该方法所需测力装置为封闭式环体，占用拉索锚固端空间，在拉索设计过程中即需考虑索长增加，且必须在拉索安装时进行安装，成桥后则无法实施安装，不能满足对既有桥梁建立索力监测系统的要求；频谱法是在索上布设加速度传感器，然后通过人为或环境激励，得到索的振动频率，再利用振动频率和索力的简化公式，获得索力，该方法简单易行，但大多数都是采用近似处理，特别是对于边界条件不明的短索和安装减振器后的长索，采用的修正方法缺乏充分的理论依据，测量效果不佳；磁通量法，是采用磁通量传感器对拉索索力进行测量，这种传感器由两层线圈组成，一圈为通电线圈，它产生的电磁场将磁化拉索，磁化的拉索磁场会对传感器的另一线圈产生感应电动势，其感应电动势对拉索的内应力较敏感，通过标定这种关系，就可以监测索的应力的变化，该方法的优点是其除磁化拉索外，不影响拉索的任何力学和物理特性，但是该方法要求对索力和信号进行现场标定，工序复杂，工程量大，影响工程实施效率，且费用较高。此外，市场上已开发出利用夹具将单个位移传感器附着于钢索上的钢索计，用于钢索应变测量，但该类测试装置存在如下缺陷：第一，仅在拉索单侧设置传感器，对于质地不均匀的钢丝索或可能存在局部受弯的拉索会引入较大局部受力不均造成的测量误差；第二，目前该类装置配备的钢索夹具与钢索间接触面处理简单，往往未能同时兼顾夹持牢固性与对拉索局部表面的保护；第三，采用位移传感器进行应变测量，精度较低，无法满足精细测量小幅变化索力的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种附着式拉索索力监测装置，通过在既有结构拉索上一定标距位置安装可靠的复合半刚性接触抱合式机械变形传递器，并通过复 合半刚性接触抱合式机械变形传递器，将温度自补偿光纤光栅精密应变传感器附着于拉索表面，测量标距范围内拉索由于所受拉力变化引起的轴向应变；拉索的轴向应变经光纤光栅精密应变传感器转换为光信号，并通过光缆传输至采集解调终端进行解调；测试软件结合应变测量数据、拉索截面几何参数和拉索材料力学性能参数自动解算出相应索力变化值，进而实现拉索索力的自动化实时动态监测。

本发明的技术方案是这样实现的：

所述附着式拉索索力监测装置主要由：抱合式变形传递器a、刚性定位杆b、复合半刚性接触装置c、温度自补偿光纤光栅应变传感器d、防护罩e、传输光缆f及光纤光栅解调仪g组成；

抱合式变形传递器a由两组共4块半环状高强度合金钢基体构成，基体上设置与所监测目标拉索截面形状尺寸相匹配孔壁刻矩形槽的夹持孔、光纤光栅应变传感器定位安装孔、基体水平定位齿以及紧固螺栓孔，以便将测量标距上的钢索轴向变形准确传递到应变传感器上；

刚性定位杆b采用高碳钢制造，与光纤光栅应变传感器d尺寸相同，共用光纤光栅应变传感器定位安装孔，可拆卸重复使用，以便变形传递器半环基体拼装定位的准确；

复合半刚性接触装置c设置于变形传递器夹持孔壁与目标拉索外表面之间，同时保护拉索表面、减小拉索颈缩和松弛滑移以及提高定位器与拉索连接强度，复合半刚性接触装置c的复合半刚性连接包括一层半刚性金属垫片和两层高强度金属粘接剂；

温度自补偿光纤光栅应变传感器d安装于变形传递器基体上的光纤光栅应变传感器定位安装孔，并通过螺栓、精细焊接工艺与之牢固连接；在目标拉索两侧对称位置各设置一支温度自补偿型光纤光栅应变传感器d，通过平均处理消除拉索局部弯曲和截面索股受力不均造成的测量误差，同时两支温度自补偿型光纤光栅应变传感器d测试数据对照实现传感器故障自诊断；

防护罩e采用防水耐候材料制造，安装于装置外围，形成全封闭体系，对装置内部结构和传感器进行保护，以抵御环境侵蚀和偶然机械破坏；

传输光缆f是传感器之间以及传感器与解调仪之间的信号传输媒介，采用通用单模单芯户外铠装光缆，实现激励和传感光信号的可靠传输；

光纤光栅解调仪g是发射激励光信号并接收和解调传感器反馈光信号的终端设备；本装置在通用光纤光栅解调仪基础上对其进行二次开发，使其具有自动实时地将波长信号解算为拉索索力变化值，并对其进行存储和分析的功能；

所述附着式拉索索力监测装置的安装方法为：首先将抱合式变形传递器a各基体半环进行预拼装，并与配套刚性定位杆b以螺栓牢固连接，保证基体相对位置准确；然后分别在拉索上安装位置表面和变形传递基体夹持孔壁上涂敷高强度金属粘接剂；随后将变形传递器基体随刚性定位杆一起抱合拼接于拉索上的安装位置，同时在接触面粘接剂层间植入锌铜合金或铝合金材料的半刚性 垫片，以配有高弹模弹簧垫圈的高强度紧固螺栓将两侧半环经内嵌螺栓孔进行对拉固定，使内外两侧接触面均与半刚性垫片发生足够机械咬合变形，且层均匀填塞接触面间空隙，形成复合半刚性接触c；待粘接剂充分固化达到设计强度后，拆除刚性定位杆，于变形传递器基体传感器安装孔内安装光纤光栅应变传感器d，使之与拉索连成一体，达到变形协调，最后安装防护罩e对装置内部形成有效保护；至此，本索力监测装置达到基准零状态；当拉索索力在基准零状态基础上发生变化时，拉索应变随之发生相应的变化，拉索应变变化值由抱合式变形传递器a传递至光纤光栅应变传感器d，并得以被转换为光波长漂移信号，通过传输光缆f传至光纤光栅解调仪g解算出应变数值，进而解算出索力变化值，实现对目标索索力变化的实时监测；

所述附着式拉索索力监测装置的索力解算方法为：根据温度自补偿光纤光栅应变传感器d的生产标定数据可解算出拉索应变ε，解算公式如下：

ε＝K(λ₁-λ₀)-B(λ_t1-λ_t0)

ε--经温度补偿修正后的应变值，即拉索应变

K--光纤光栅应变系数

λ₀--光纤光栅初始中心波长

λ₁--光纤光栅实测中心波长

B--温补光栅应变修正系数

λ_t0--温补光栅初始中心波长

λ_t0--温补光栅实测中心波长

在获得拉索应变ε的基础上，进一步结合拉索截面几何参数和材料力学参数可解算出拉索索力N，解算公式如下：

N＝R·ε·E·A

N--索力值

R--系统修订系数

ε--拉索应变

E--拉索弹性模量

A--拉索截面面积

解算出拉索索力N，实现长期连续拉索索力监测。

本发明的优点：

1、附着式安装设计适用于既有桥梁及新建桥梁成桥后进行索力测试系统构建；

2、复合半刚性接触装置在提高变形传递器与拉索间连接强度的同时保护拉索表面不受机械损坏；

3、双传感器对称测量课消除拉索局部弯曲变形对测量造成的误差，提高测试精度；

4、具有光纤传感独特的抗电磁干扰能力及长期耐候性；

5、施工安装方便，且可以便捷地维修和更换传感器，可降低全寿命期维护成本。

附图说明

图1是本发明附着式索力监测装置的监测系统构成图；

图2是本发明附着式索力监测装置关键结构详细示意图之正视图；

图3是本发明附着式索力监测装置关键结构详细示意图之侧视图；

图4是本发明附着式索力监测装置关键结构详细示意图之俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明，该实施例为一座主跨1088m钢桁加劲梁悬索桥；该实施例中由于桥梁健康监测系统实施工程安排于成桥之后，其吊索及锚跨索股索力监测子系统需在成桥后进行构建。

图1是本发明附着式索力监测装置的监测系统构成图，图2是本发明附着式索力监测装置关键结构详细示意图之正视图，图3是本发明附着式索力监测装置关键结构详细示意图之侧视图，图4是本发明附着式索力监测装置关键结构详细示意图之俯视图。首先根据该桥上目标索截面形式和尺寸设计变形传递器a基体，使其夹持孔与目标索相匹配。同时根据理论计算索力变幅及相应拉索应变幅度，确定所采用光纤光栅应变传感器d的量程和标距。接下来进行实施安装，第一步将变形传递器a基体进行预拼装，并以刚性定位杆b和临时紧固螺栓将4片半环基体三维相对位置固定；第二部对拉索安装位置表面及变形传递器a基体夹持孔壁表面采取有效措施进行除油、除锈等清洁处理；第三步配置金属粘接剂，对拉索和变形传递基体夹持孔接触表面进行无缝涂敷；第四步将变形传递基体对拉索进行抱合拼接安装，同时在接触面粘结剂间植入半刚性合金垫片，并以带高弹模弹簧垫圈的高强螺栓将两侧半环进行对拉固定，紧固力保证使半刚性垫片与两侧结构件形成足够相对挤压变形，粘接剂充分填充接触空隙，形成复合半刚性接触c；第五步，待金属粘接剂充分固化达到设计强度后，卸除刚性定位杆，以锥形螺栓将选定的温度自补偿光纤光栅应变传感器d安装安装于定位基体的传感器安装孔上；第六步，安装防护罩e，对装置内部形成有效保护，形成完整的附着式拉索索力监测装置；第七步，以通用单模单芯户外铠装光缆做为传输光缆f串联传感器，并接入光纤光栅解调仪g；第八步，启动光纤光栅解调仪g，通过二次开发的索力监测控制与分析软件，对光纤光栅应变数据采集进行控制并获得载有拉索应变信息和温度修正性息的光波长信号；根据温度自补偿光纤光栅应变传感器的生产标定数据可解算出拉索应变ε，解算公式如下：

ε＝K(λ₁-λ₀)-B(λ_t1-λ_t0)

ε--经温度补偿修正后的应变值，即拉索应变

K--光纤光栅应变系数

λ₀--光纤光栅初始中心波长

λ₁--光纤光栅实测中心波长

B--温补光栅应变修正系数

λ_t0--温补光栅初始中心波长

λ_t0--温补光栅实测中心波长

在获得拉索应变的基础上，进一步结合拉索截面几何参数和材料力学参数可解算出拉索索力N，解算公式如下：

N＝R·ε·E·A

N--索力值

R--系统修订系数

ε--拉索应变

E--拉索弹性模量

A--拉索截面面积

解算出的拉索索力N可通过软件实时存储、直观显示，阈值报警，同时亦可被存储至数据库，以供后期历史数据查询及分析处理调用，实现长期连续拉索索力监测。

Claims (3)

1.一种附着式拉索索力监测装置，主要由抱合式变形传递器(a)、刚性定位杆(b)、复合半刚性接触装置(c)、温度自补偿光纤光栅应变传感器(d)、防护罩(e)、传输光缆(f)及光纤光栅解调仪(g)组成，其特征是：

抱合式变形传递器(a)由两组共4块半环状高强度合金钢基体构成，基体上设置与所监测目标拉索截面形状尺寸相匹配孔壁刻矩形槽的夹持孔、光纤光栅应变传感器定位安装孔、基体水平定位齿以及紧固螺栓孔，以便将测量标距上的钢索轴向变形准确传递到应变传感器上；

刚性定位杆(b)采用高碳钢制造，与光纤光栅应变传感器(d)尺寸相同，共用光纤光栅应变传感器定位安装孔，可拆卸重复使用，以便变形传递器半环基体拼装定位的准确；

复合半刚性接触装置(c)设置于变形传递器夹持孔壁与目标拉索外表面之间，同时保护拉索表面、减小拉索颈缩和松弛滑移以及提高定位器与拉索连接强度，复合半刚性接触装置(c)的复合半刚性连接包括一层半刚性金属垫片和两层高强度金属粘接剂；

温度自补偿光纤光栅应变传感器(d)安装于变形传递器基体上的光纤光栅应变传感器定位安装孔，并通过螺栓、精细焊接工艺与之牢固连接；在目标拉索两侧对称位置各设置一支温度自补偿型光纤光栅应变传感器(d)，通过平均处理消除拉索局部弯曲和截面索股受力不均造成的测量误差，同时两支温度自补偿型光纤光栅应变传感器(d)测试数据对照实现传感器故障自诊断；

防护罩(e)采用防水耐候材料制造，安装于装置外围，形成全封闭体系，对装置内部结构和传感器进行保护，以抵御环境侵蚀和偶然机械破坏；

传输光缆(f)是传感器之间以及传感器与解调仪之间的信号传输媒介，采用通用单模单芯户外铠装光缆，实现激励和传感光信号的可靠传输；

光纤光栅解调仪(g)是发射激励光信号并接收和解调传感器反馈光信号的终端设备；本装置在通用光纤光栅解调仪基础上对其进行二次开发，使其具有自动实时地将波长信号解算为拉索索力变化值，并对其进行存储和分析的功能。

2.根据权利要求1所述附着式拉索索力监测装置的安装方法，其特征是：首先将抱合式变形传递器(a)各基体半环进行预拼装，并与配套刚性定位杆(b)以螺栓牢固连接，保证基体相对位置准确；然后分别在拉索上安装位置表面和变形传递基体夹持孔壁上涂敷高强度金属粘接剂；随后将变形传递器基体随刚性定位杆一起抱合拼接于拉索上的安装位置，同时在接触面粘接剂层间植入锌铜合金(或铝合金)半刚性垫片，以配有高弹模弹簧垫圈的高强度紧固螺栓将两侧半环经内嵌螺栓孔进行对拉固定，使内外两侧接触面均与半刚性垫片发生足够机械咬合变形，且层均匀填塞接触面间空隙，形成复合半刚性接触(c)；待粘接剂充分固化达到设计强度后，拆除刚性定位杆，于变形传递器基体传感器安装孔内安装光纤光栅应变传感器(d)，使之与拉索连成一体，达到变形协调，最后安装防护罩(e)对装置内部形成有效保护；至此，本索力监测装置达到基准零状态；当拉索索力在基准零状态基础上发生变化时，拉索应变随之发生相应 的变化，拉索应变变化值由抱合式变形传递器(a)传递至光纤光栅应变传感器(d)，并得以被转换为光波长漂移信号，通过传输光缆(f)传至光纤光栅解调仪(g)解算出应变数值，进而解算出索力变化值，实现对目标索索力变化的实时监测。

3.根据权利要求1所述附着式拉索索力监测装置的索力解算方法，其特征是：根据温度自补偿光纤光栅应变传感器(d)的生产标定数据可解算出拉索应变，解算公式如下：

ε＝K(λ₁-λ₀)-B(λ_t1-λ_t0)

ε--经温度补偿修正后的应变值，即拉索应变

K--光纤光栅应变系数

λ₀--光纤光栅初始中心波长

λ₁--光纤光栅实测中心波长

B--温补光栅应变修正系数

λ_t0--温补光栅初始中心波长

λ_t0--温补光栅实测中心波长

在获得拉索应变ε的基础上，进一步结合拉索截面几何参数和材料力学参数可解算出拉索索力N，解算公式如下：

N＝R·ε·E·A

N--索力值

R--系统修订系数

ε--拉索应变

E--拉索弹性模量

A--拉索截面面积

解算出拉索索力N，实现长期连续拉索索力监测。 

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