CN102392414A - 桥梁用智能缆索 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种桥梁用智能缆索，可适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等缆索承重结构。包括锚杯（1）、分丝板（5）、连接筒（4）、内置于连接筒部位的金属化的光纤光栅传感器（9）以及索体（7），在所述分丝板（5）上穿孔，在所述连接筒（4）和锚杯（1）内预先埋入预留钢管，该预留钢管由所述分丝板（5）上的穿孔引出，将所述金属化的光纤光栅传感器的尾纤（10）接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪，将金属化的光纤光栅传感器（9）通过低温键合方式固定于连接筒（4）部位的外层钢丝（3）上。本发明保证光纤光栅及其传输光纤在缆索制造过程中的成活率、缆索大应变测试有效性，提高智能缆索测力精度与稳定性。

Description

桥梁用智能缆索
技术领域
本发明涉及的是一种可适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等缆索承重结构的智能缆索系统。
背景技术
缆索系统是斜拉桥和悬索桥的核心构件，缆索的受力情况是反映桥梁是否处于正常营运状态的重要标志之一，对缆索索力监测具有重要意义。目前工程中常用的索力测试方法有压力传感器法、振频法、磁弹性法。但是这些方法都是属于缆索体外监测方式，且在实际工程使用时均有不足之处。将应变传感元件在缆索制作过程中植入拉索中，使缆索从单纯承力的构件上升成为具有自动感知能力的智能缆索，无需增加外部检测构件，可实现缆索从出厂、运输、施工、运营阶段的全过程索力监测。智能缆索的实现具有重要的社会意义与经济价值。
而要实现智能缆索的目标，其核心关键是如何在不影响缆索原有的力学与理化性能的前提下，既不影响缆索原有的制造工艺，又保证光纤光栅及其传输光纤在缆索制造及应用过程中的成活率，还保证光纤光栅传感器的长期可靠性。近年来已有多种智能缆索的报道，但光纤光栅-纤维增强塑料复合筋的方案是最为成功的一种。
光纤光栅-纤维增强塑料复合筋的方案是事先制作出一根与缆索中的钢丝尺寸相同的纤维增强塑料复合筋，并在纤维增强塑料复合筋的制作过程中植入光纤光栅传感器，以利用纤维增强塑料复合筋作为光纤光栅的保护套。然后再在拉索的制造过程中，将一根钢丝用光纤光栅-纤维增强塑料复合筋代替，并与其余钢筋一起扭绞、成缆，以纤维增强塑料复合筋将缆索的索力传递给光纤光栅。
显然此种方法是用纤维增强塑料复合筋既作为光纤光栅的保护结构、又作为索力的传力机构。即它既确保了光纤光栅及其传输光纤在缆索制造及应用过程中的成活率，还保证了光纤光栅传感器的测量的准确性。但是它在对缆索的力学性能、制造工艺方面有一定影响。此外复合筋材料为有机材料，存在明显的各向异性特性，长期受力较易发生蠕变，长期可靠性尚待考察。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种提高光纤光栅及其传输光纤在缆索制造及应用过程中的成活率，保证传感器的敏感度，同时兼顾传感器的长期可靠性的智能缆索系统。
本发明的目的是这样实现的：一种桥梁用智能缆索，包括锚杯、分丝板、连接筒、内置于连接筒部位的金属化的光纤光栅传感器以及索体，在所述分丝板上穿孔，在所述连接筒和锚杯内预先埋入预留钢管，该预留钢管由所述分丝板上的穿孔引出，将所述金属化的光纤光栅传感器的尾纤接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪，其特点是：将金属化的光纤光栅传感器通过低温键合方式固定于连接筒部位的外层钢丝上。
本发明桥梁用智能缆索，所述金属化的光纤光栅传感器，是指是将光纤光栅经过金属镀膜工艺处理，构成金属化的光纤光栅传感器；所述金属低温键合方式是指：利用两根连续送进的金属原材作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用定向压力场将熔化了的金属丝材雾化，并以超音速喷向连接筒部位的钢丝形成金属键合膜层的光纤光栅金属化连接方法。
光纤光栅表面进行镀膜处理有两个目的：为后续的金属化连接工艺在光纤表面提供金属基层；增强光纤的机械强度，进而提高光纤光栅的应变测量能力。镀膜能够提高光纤光栅的应变测量量程的原因在于：光纤光栅的极限机械强度与光纤光栅表面的裂纹扩散长度有直接关系。通过在光纤表面镀膜，可利用金属膜对光纤的握裹作用，大大降低应力对光纤光栅表面裂纹扩散效益的影响，提高光纤光栅的机械强度，从而最终提高光纤光栅应变测量量程。
将金属化的光纤光栅传感器固定在连接筒部位的外层钢丝上，向光纤光栅传感器、连接筒部位的外层钢丝喷射高能气化金属微粒，高能气化金属微粒冷却后形成将金属化的光纤光栅传感器和连接筒部位的外层钢丝完全包裹的金属结合体，使金属化的光纤光栅传感器与索内钢丝有效结合为一体。通过监测光纤光栅中心波长的变化，可实现对缆索的整体受力情况及缆索内钢丝的应力分布状况进行实时监测。
键合指同质金属在高温、高压情况下同质金属中离子键级作用的一种工艺，键合的温度可达几百甚至一千多度。由于光纤光栅器件本身承受温度的能力有限，所以开发的技术温度仅为200度左右，整个过程是在此低温状态下完成，通过金属结合体中微粒间的键合力将金属化的光纤光栅传感器与索体内钢丝紧密结合为一体。
金属化的光纤光栅传感器与钢丝之间的连接固定方式是关键技术。已有的固定连接方式是胶粘或机械连接的方式，本发明提供了一种金属低温键合技术，通过金属结合体中微粒间的键合力，使缆索钢丝、金属化后的光纤光栅和金属键合材料结合为一体，从而替代环氧粘结剂，达到使光纤光栅传感器与索内钢丝紧密融合、协同变形的目的。由于这种方法使光纤光栅与缆索钢丝融为一个整体，取消了应力传递的中间环节，使得光纤光栅可以不经任何机械转换机构或者中间粘接剂进行应力传递而直接感受缆索钢丝的应力，实现智能缆索的索力测量目标，因此大幅度消除了表面粘接、装架工艺中，不同材料特性差异带来的应力集中、材料蠕变等问题，大大提高界面间力学传递的精确性与稳定性，提高了测力精度。此方案具有应力测量准确度高、可靠性好、寿命长的特点。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种在缆索内部植入光纤光栅传感器的智能缆索系统。采用金属低温键合技术，在缆索的连接筒部位将镀膜光纤光栅与缆索的钢丝有效结合为一体，通过外接光纤光栅解调仪，测量光纤光栅中心波长的变化，可对缆索的受力状态进行监测。
采用镀膜工艺将光纤光栅金属化，在提供了光纤光栅封装的同时又大大提高了其应变极限范围；采用金属低温键合技术将具备大应变测量能力的光纤光栅固定在缆索钢丝上，大大提高界面间力学传递的精确性与稳定性，提高了测力精度。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅金属化处理工艺示意图。
图2为常用缆索的结构示意图。
图3为本发明的缆索分丝板截面示意图。
图4为本发明的缆索内预留钢管示意图。
图5为气化金属微粒定向加速喷射示意图。
图6为本发明的低温键合技术原理示意图。
图7为本发明的金属化的光纤光栅传感器与钢丝固定连接示意图。
图8为本发明桥梁用智能缆索结构示意图。
图中附图标记： 
锚杯1、环氧铸锚填料2、钢丝3、连接筒4、分丝板5、孔5-1、连接筒密封填料6、索体7、预留钢管8、金属化的光纤光栅传感器9、金属化的光纤光栅传感器的尾纤10、传感元件11、被测钢丝12、镀膜层13、定向加速高能气化金属微粒14、水浴锅15、水16、第一固定架17、第二固定架18、FBG19、胶粘物20、光纤光栅的栅区部分21、烧杯22。
具体实施方式：
大应变光纤光栅的金属化封装工艺有化学镀、真空镀等方式，形成金属化的光纤光栅传感器。图1为本发明的光纤光栅金属化处理工艺示意图。
常用缆索的结构示意图如图2所示，该缆索由锚杯1、环氧铸锚填料2、钢丝3、连接筒4、分丝板5、连接筒密封填料6和索体7组成。在缆索的分丝板5上预留几个孔5-1，如图3所示。将预留钢管8穿过预留的孔5-1内，为金属化的光纤光栅传感器的尾纤10引出预留通道，如图4所示。对预留钢管8的要求是能够承受一定的折度和灌环氧铸锚填料2时需承受的侧向压力。向锚杯1内灌入环氧铸锚填料2，将锚杯1放入加热炉内加热固化，使锚杯与内部的钢丝成为一体。在灌锚工序结束后，将金属化的光纤光栅传感器9采用低温键合技术键合在连接筒外层的钢丝3表面，使金属化的光纤光栅传感器9与连接筒部位的外层钢丝有效地结合为一体，从而使钢丝3上所受的力有效地传递到金属化的光纤光栅传感器上。如图5、6所示，金属化的光纤光栅传感器与钢丝固定连接示意图如图7所示。将所述金属化的光纤光栅传感器的尾纤接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管8从缆索中引出，套上连接筒4，灌入连接筒密封填料6，进行连接筒的常温固化环节。最终的智能缆索结构示意图如图8所示。将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪，通过监测光纤光栅中心波长的变化，可对缆索的整体受力状况进行实时监测。
参见图8，图8为本发明桥梁用智能缆索结构示意图。由图8可以看出，本发明桥梁用智能缆索结构，包括锚杯1、分丝板5、连接筒4、内置于连接筒部位的光纤光栅传感器以及索体7，将光纤光栅传感器进行金属化处理，然后再通过低温键合技术将其固定于连接筒4部位的外层的钢丝3上，在所述分丝板5上穿孔，在所述连接筒4和锚杯1内预先埋入预留钢管，该预留钢管由所述分丝板5上的穿孔引出，将所述金属化的光纤光栅传感器的尾纤接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪。通过监测光纤光栅中心波长的变化，可实现对缆索的整体受力情况及缆索内钢丝的应力分布状况进行实时监测。
所述光纤光栅传感器金属化处理方法是：将大应变光纤光栅经过金属镀膜工艺处理，形成金属化的光纤光栅传感器。
所述金属低温键合技术是：
利用两根连续送进的锌作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的锌丝雾化，并以超音速喷向钢丝形成一种涂层的热喷涂方法。
所述金属化的光纤光栅传感器9的个数为1个或多个，各个金属化的光纤光栅传感器9分别与不同的单根钢丝3固定。
本发明桥梁用智能缆索，所述镀膜，是指利用化学镀或真空镀等方法，在光纤传感元件表面形成金属镀层的一种方法。膜层的厚度一般为几十~几百微米。

Claims (3)

1.一种桥梁用智能缆索，包括锚杯（1）、分丝板（5）、连接筒（4）、内置于连接筒部位的金属化的光纤光栅传感器（9）以及索体（7），在所述分丝板（5）上穿孔，在所述连接筒（4）和锚杯（1）内预先埋入预留钢管，该预留钢管由所述分丝板（5）上的穿孔引出，将所述金属化的光纤光栅传感器的尾纤（10）接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪，其特征在于：将金属化的光纤光栅传感器（9）通过低温键合方式固定于连接筒（4）部位的外层钢丝（3）上。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁用智能缆索，其特征在于：所述金属化的光纤光栅传感器，是指是将光纤光栅经过金属镀膜工艺处理，构成金属化的光纤光栅传感器；所述金属低温键合方式是指：利用两根连续送进的金属原材作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用定向压力场将熔化了的金属丝材雾化，并以超音速喷向连接筒部位的钢丝形成金属键合膜层的光纤光栅金属化连接方法。
3.根据权利要求1或2所述的一种桥梁用智能缆索，其特征在于：所述金属化的光纤光栅传感器（9）的个数为1个或多个，如为多个则各个金属化的光纤光栅传感器（9）分别与不同的单根钢丝（3）固定。
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