CN103163148A - 一种拉索断丝检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉索断丝检测方法，包括以下步骤：采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据；获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储数据关系信息；根据采集的拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及存储的数据信息，判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，如果判断为是，则进行报警。本发明还公开了一种拉索断丝检测系统。实施本发明的拉索断丝检测方法及系统，可以通过对监测数据的处理实现预警功能，即当拉索断丝数量超过允许值时，能够自动报警，对问题拉索进行进一步的检查并更换，避免造成桥梁的整体破坏。

Description

一种拉索断丝检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种拉索断丝监测领域，具体来说，是涉及一种可以实时监测拉索断丝状况的拉索断丝检测方法及系统。

背景技术

对于拉索类桥梁：悬索桥、斜拉桥、吊杆拱桥等，拉索（吊杆）是桥梁的主要受力构件，拉索的破断容易引起桥梁的整体倒塌，现在的大中型桥梁多建立了健康监测系统，希望通过对桥梁运营状况的监测，来了解桥梁的健康状况。避免桥梁的破坏倒塌等。但是建立了健康监测系统的拉索类桥梁发生倒塌破坏的事件也时有发生，而且从拉索类桥梁的破坏情况来看，基本上都是由于拉索破断失效引起的。

目前针对拉索类桥梁：悬索桥、斜拉桥、吊杆拱桥等建立健康监测系统时，对拉索健康状况的监测通常采用监测索力的方法，该方法在监测过程中主要存在两方面的问题：

1、单根拉索出现断丝后，拉索内部出现应力重分布，拉索的其他钢丝（或钢绞线）所承受的拉力将增加，由于断丝后，吊杆的竖向刚度将有所减小，整个桥梁体系出现了力的重新分布，整个拉索索力的变化不明显。

2、如果断丝量较大，可以监测到某根拉索或者某几根拉索索力发生了较大的变化，也很难判断是哪根拉索发生了断丝，以及断丝量的大小。

从目前的研究与应用现状来看，还没有一种监测方法可以监测到拉索桥梁的断丝，从本质上了解拉索的工作状况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种拉索断丝检测方法及系统，可以通过对监测数据的处理实现预警功能，即当拉索断丝数量超过允许值时，能够自动报警，对问题拉索进行进一步的检查并更换，避免造成桥梁的整体破坏。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种拉索断丝检测方法，包括以下步骤：采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据；获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储数据关系信息；根据采集的拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及存储的数据信息，判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，如果判断为是，则进行报警。

优选的，采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据的步骤包括以下步骤：在每一根拉索或吊杆里分别埋设应变传感器，应变传感器以光信号数据的形式记录拉索或吊杆中钢丝的应变变化；应变传感器通过多个光开关连接至光纤光栅解调仪，用以由多个通道将光信号数据转换为数值信号数据；发送数值信号数据。

优选的，获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储数据信息的步骤包括以下步骤：建立拉索或吊杆所属桥梁的有限元模型；根据有限元模型，确定每根拉索或吊杆上下两端的连接刚度；通过少数索体的试验研究确定索体产品的相关参数；通过分析考虑索体上下两端的连接刚度的单根索体有限元模型，建立每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量的关系曲线；存储关系曲线数据。

优选的，存储的关系曲线数据包括：每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化值随断丝量的增加而增长的数据。 

本发明还公开了一种拉索断丝检测系统，包括：用以采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据的数据采集装置；用以获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息的断丝标定装置；以及用以根据数据采集装置采集的拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及断丝标定装置存储的数据信息，判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值的断丝识别装置，当断丝识别装置判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量达到了预设值时，则进行报警提示。

优选的，数据采集装置包括：埋设在每一根拉索或吊杆中的多个应变传感器、与多个应变传感器连接的至少两个光开关以及与至少两个光开关相连接的光纤光栅调解仪，其中：应变传感器以光信号数据的形式记录拉索或吊杆中钢丝的应变变化，且由至少两个光开关传输给光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪将光信号数据转换为数值信号数据并对其进行发送。

优选的，断丝识别装置包括：接收器，用以接收由光纤光栅解调仪发出的数值信号数据；存储器，用以存储由断丝标定装置获取的拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息；处理器，用以根据数值信号数据和数据信息判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，并可进行报警；其中：接收器、存储器以及处理器依次相连接，处理器分别与多根拉索或吊杆相连接。

本发明所提供的拉索断丝检测方法及系统，可以将拉索内部钢丝应变数值的变化量与拉索的断丝量之间建立相互关系，通过对每根拉索精细模型的模拟建立起断丝识别系统，使断丝监测成为可能；此外，本发明可以实时监测拉索内部钢丝的应变变化，识别判断拉索的断丝情况，并且可以通过对监测数据的处理实现预警功能，即当拉索断丝数量超过允许值时，能够自动报警，对问题拉索进行进一步的检查并更换，避免造成桥梁的整体破坏。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例拉索断丝检测方法的结构框图。

图2是本发明实施例拉索断丝检测方法中获取拉索或吊杆中钢丝应变变化量与其断丝量一一对应数据信息的结构框图。

图3是本发明实施例拉索断丝检测方法中拉索或吊杆中钢丝应变变化量与其断丝量的关系曲线图。

图4是本发明实施例拉索断丝检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进行描述。

参见图1，为本发明一种拉索断丝检测方法的实施例一。本实施例的拉索断丝检测方法可以实时监测拉索是否存在断丝情况，以及断丝量的大小，从而判断拉索的健康状况。本实施例中的拉索断丝检测方法包括：

步骤S10，采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据；

步骤S20，获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储数据关系信息；

步骤S30，根据采集的拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及存储的数据信息，判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，如果判断为是，则进行报警。

具体的，步骤S10中，采集拉索或吊杆中钢丝应变变化的数据，可以在每根拉索或吊杆中分别安装应变传感器，其作用是实时感应每根拉索或吊杆应变变化的情况。

实施时，应变传感器可以以光信号数据的形式感应拉索或吊杆中钢丝的应变变化，例如应变减少或增加的数值，其通过多个光开关传递给光纤光栅调节仪。其中：光开关的作用是解决感应通道不足的问题，通过设置多个光开关可以接入更多的传感器，以准确感应每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化。

可以理解的是，所设置应变传感器的个数多于光开关的个数，只要满足能够接入多个应力传感器即可。

进一步的，多个光开关分别连接至一光纤光栅解调仪，光纤光栅调节仪的作用是将上述应力传感器感应的拉索或吊杆中钢丝的应变变化的光信号数据转换为数值信号数据。紧接着，将上述数值信号数据进行发送，为后续判断拉索或吊杆的断丝量做好准备。

其他实施方式中，可以将上述数值信号数据发送给一采集终端，如数据采集站，再由数据采集站发送给具有断丝识别功能的设备。

步骤S20中，获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储数据关系信息。该步骤中，通过拉索或吊杆所属桥梁的设计资料，建立桥梁上各位置拉索的分析模型，拉索断丝时，拉索的索力会在剩余的钢丝上进行重分布，同时也会通过两端的连接卸掉一部分力，这里通过拉索里剩余钢丝的应变变化来标定拉索的断丝量。

如图2所示，为本发明实施例拉索断丝检测方法中获取拉索或吊杆中钢丝应变变化量与其断丝量一一对应数据信息的结构框图，其包括以下步骤：

步骤S201，建立拉索或吊杆所属桥梁的有限元模型。具体地，桥梁有限元模型是进行桥梁的健康监测以及桥梁分析时都要创建的内容。其中：有限元模型通常是通过有限单元法建立桥梁模型来模拟实际桥梁的各项力学以及抗震性等性能的模型。

步骤S202，根据有限元模型，确定每根拉索或吊杆上下两端的连接刚度。其作用是：由于拉索断丝时，拉索的索力会在剩余的钢丝上进行重分布，同时也会通过两端的连接卸掉一部分力，这里考虑每根拉索或吊杆上下两端的连接刚度能更加真实的反应索体的工作状态。

步骤S203，通过少数索体的试验研究确定索体产品的相关参数；通过分析考虑索体上下两端的连接刚度的单根索体有限元模型，建立每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量的关系曲线。该步骤用于标定曲线的确定过程，首先通过建立有限元模型，确定单根拉索或吊杆两端的连接刚度，通过少数索体的试验研究确定索体产品的相关参数；通过对单根拉索或吊杆的精细有限元分析，来建立断丝与钢丝应变变化的关系曲线。

具体地，单根吊杆分析时，考虑皮衣的握裹力，以及钢绞线或钢丝之间的相互摩擦错动，考虑拉索内部钢绞线或钢丝应力不均匀的影响。在实际工程中，一批拉索中，选择一根做拉索断丝标定试验，其他拉索采用精细有限元模型进行模拟标定。

步骤S204，存储关系曲线数据。该步骤为通过应变传感器应变值的变化判断拉索或吊杆断丝情况做好准备。如图3所示，为本发明实施例拉索断丝检测方法中拉索或吊杆中钢丝应变变化量与其断丝量的关系曲线图，其中：x轴表示断丝量，y轴表示应变变化量。图示可以看出，拉索或吊杆的断丝量比较小时，钢丝的应变变化也比较小，当断丝量比较大时，钢丝的应变变化会比较大。钢丝应变与断丝量具有一一对应的关系。

优选的，存储的关系曲线数据包括：每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化值随断丝量的增加而增长的数据。

步骤S30，根据采集的拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及存储的数据信息，判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，如果判断为是，则进行报警。

该步骤中，上述步骤中由应变传感器感应的拉索或吊杆中钢丝应变变化数据可被一接收器接收，而上述断丝标定步骤确定的拉索或吊杆钢丝应变与断丝量一一对应的关系被存储在一存储器中。处理器通过判别应变传感器感应的拉索或吊杆中钢丝应变变化数据是否达到了存储器中存储的断丝量报警的预定值，如果判断为是，则处理器发出对某一拉索或吊杆报警的数据，可对问题拉索进行进一步的检查并更换，避免造成桥梁的整体破坏。

例如：当该预设值设置为当判别拉索或吊杆中钢丝的断丝量大于断丝量的5%时报警，当处理器根据应变传感器感应的拉索或吊杆中钢丝应变变化数据，及断丝标定步骤中确定的拉索或吊杆钢丝应变与断丝量一一对应的关系，判定某一拉索或吊杆的断丝量已经大于断丝量的5%时，则发出报警提示。

当然，该预设值可以根据实际需要设定为其他数值，但判别拉索或吊杆断丝量的方法并不改变。

本发明还公开了一种拉索断丝检测系统，其特征在于，包括：

用以采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据的数据采集装置1；

用以获取拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息的断丝标定装置2；以及

用以根据数据采集装置1采集的拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及断丝标定装置2存储的数据信息，判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值的断丝识别装置3，当断丝识别装置3判断拉索或吊杆中钢丝的断丝量达到了预设值时，则进行报警提示。

如图4所示，为本发明实施例拉索断丝检测系统的结构示意图。本实施例中，数据采集装置1包括：埋设在每一根拉索或吊杆Tn中的多个应变传感器11、与多个应变传感器11连接的至少两个光开关12以及与至少两个光开关12相连接的光纤光栅调解仪13，其中：

应变传感器11以光信号数据的形式记录拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化，且由至少两个光开关12传输给光纤光栅解调仪13，光纤光栅解调仪13将光信号数据转换为数值信号数据并对其进行发送。

数据采集装置1用以采集拉索或吊杆Tn中钢丝应变变化的数据，可以在每根拉索或吊杆Tn中分别安装应力传感器，例如可分别在图示拉索T1、拉索T2 、直至拉索Tn中分别安装应变传感器11，每根索体安装多个应变传感器11，应变传感器11的作用是实时感应每根拉索或吊杆Tn中钢绞线或钢丝的应变变化情况。

实施时，应变传感器11可以以光信号数据的形式感应拉索或吊杆Tn中钢绞线或钢丝的应变变化，例如应变减少或增加的数值，其通过多个光开关12传递给光纤光栅调节仪13。其中：光开关12的作用是解决感应通道不足的问题，通过设置多个光开关12可以接入更多的传感器13，以准确感应每根拉索或吊杆Tn中钢丝的应力变化。

可以理解的是，所设置应力传感器11的个数多于或等于光开关12的个数，只要满足能够接入多个应力传感器即可。

进一步的，多个光开关12分别连接至一光纤光栅解调仪13，光纤光栅调节仪13的作用是将上述应力传感器11感应的拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化的光信号数据转换为数值信号数据。紧接着，将上述数值信号数据进行发送，为后续判断拉索或吊杆Tn的断丝量做好准备。

其他实施方式中，可以将上述数值信号数据发送给一采集终端，如数据采集站（图未示），再由数据采集站发送给具有断丝识别功能的设备。

断丝标定装置2用于获取拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储数据关系信息。其通过拉索或吊杆Tn所属桥梁的设计资料，建立桥梁上各位置拉索的分析模型，拉索断丝时，拉索的索力会在剩余的钢丝上进行重分布，同时也会通过两端的连接卸掉一部分力，这里通过拉索里剩余钢丝的应变变化来标定拉索的断丝量。

断丝标定装置2获取拉索或吊杆Tn中钢绞线或钢丝应变变化量与其断丝量一一对应数据信息的流程如下：

建立拉索或吊杆Tn所属桥梁的有限元模型。具体地，桥梁有限元模型是进行桥梁的健康监测以及桥梁分析时都要创建的内容。其中：有限元模型通常是通过有限单元法建立桥梁模型来模拟实际桥梁的各项力学以及抗震性等性能的模型

根据有限元模型，确定每根拉索或吊杆Tn上下两端的连接刚度。其作用是：由于拉索断丝时，拉索的索力会在剩余的钢丝上进行重分布，同时也会通过两端的连接卸掉一部分力，这里通过考虑每根拉索或吊杆Tn上下两端的连接刚度后拉索里剩余钢丝的应变变化量标定拉索或吊杆的断丝量。

通过分析每根拉索或吊杆Tn上下两端的连接刚度，建立每根拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化量与其断丝量的关系曲线。在标定曲线的确定过程，首先通过建立有限元模型，确定单根拉索或吊杆Tn两端的连接刚度，通过少数索体的试验研究确定索体产品的相关参数；通过对单根拉索或吊杆Tn的精细有限元分析，来建立断丝与钢丝应变变化的关系曲线。

具体地，单根吊杆分析时，考虑皮衣的握裹力，以及钢绞线直接的相互摩擦错动，考虑拉索内部钢丝应力不均匀的影响。在实际工程中，一批拉索中，选择一根做拉索断丝标定试验，其他拉索采用精细有限元模型进行模拟标定。

最后，存储关系曲线数据为通过应变传感器应变值的变化判断拉索或吊杆Tn断丝情况做好准备。关系曲线表达出当拉索或吊杆Tn的断丝量比较小时，钢丝的应变变化也比较小，当断丝量比较大时，钢丝的应边变化会比较大。钢丝应变与断丝量具有一一对应的关系。

优选的，存储的关系曲线数据包括：每根拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化值随断丝量的增加而增长的数据。

进一步的，断丝识别装置3包括：

接收器31，用以接收由光纤光栅解调仪发出的数值信号数据；

存储器32，用以存储由断丝标定装置获取的拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息；

处理器33，用以根据数值信号数据和数据信息判断拉索或吊杆Tn中钢丝的断丝量是否达到了预设值，并可进行报警；其中：

接收器31、存储器32以及处理器33依次相连接，处理器33分别与多根拉索或吊杆Tn相连接。

具体实施时，断丝识别装置3根据采集的拉索或吊杆Tn中钢丝的应变变化数据及存储的数据信息，判断拉索或吊杆Tn中钢丝的断丝量是否达到了预设值，如果判断为是，则进行报警。

例如：由应变传感器11感应的拉索或吊杆Tn中钢丝应变变化数据可被一接收器31接收，而断丝标定装置2确定的拉索或吊杆Tn钢丝应变与断丝量一一对应的关系被存储在一存储器32中。处理器33通过判别应变传感器11感应的拉索或吊杆Tn中钢丝应变变化数据是否达到了存储器32中存储的断丝量报警的预定值，如果判断为是，则处理器33发出对某一拉索或吊杆Tn报警的数据，可对问题拉索进行进一步的检查并更换，避免造成桥梁的整体破坏。

例如：当该预设值设置为当判别拉索或吊杆Tn中钢丝的断丝量大于断丝量的5%时报警，当处理器33根据应变传感器感应的拉索或吊杆Tn中钢丝应变变化数据，及断丝标定装置2中确定的拉索或吊杆Tn钢丝应变与断丝量一一对应的关系，判定某一拉索或吊杆Tn的断丝量已经大于断丝量的5%时，则发出报警提示。

当然，该预设值可以根据实际需要设定为其他数值，但判别拉索或吊杆Tn断丝量的方法并不改变。

实施本发明实施例的拉索断丝检测方法及系统，可以将拉索内部钢丝应变数值的变化量与拉索的断丝量之间建立相互关系，通过对每根拉索精细模型的模拟建立起断丝识别系统，使断丝监测成为可能；此外，本发明可以实时监测拉索内部钢丝的应变变化，识别判断拉索的断丝情况，并且可以通过对监测数据的处理实现预警功能，即当拉索断丝数量超过允许值时，能够自动报警，对问题拉索进行进一步的检查并更换，避免造成桥梁的整体破坏。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种拉索断丝检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据；

获取所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储所述数据关系信息；

根据采集的所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及所述存储的数据信息，判断所述拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，如果判断为是，则进行报警。

2.如权利要求1所述的拉索断丝检测方法，其特征在于，所述采集所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据的步骤包括以下步骤：

在每一根拉索或吊杆里分别埋设应变传感器，所述应变传感器以光信号数据的形式记录所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化；

所述应变传感器通过多个光开关连接至光纤光栅解调仪，用以由多个通道将所述光信号数据转换为数值信号数据；

发送所述数值信号数据。

3.如权利要求1或2所述的拉索断丝检测方法，其特征在于，所述获取所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息，存储所述数据信息的步骤包括以下步骤：

建立所述拉索或吊杆所属桥梁的有限元模型；

根据所述有限元模型，确定所述每根拉索或吊杆上下两端的连接刚度；

通过少数索体的试验研究确定索体产品的相关参数及分析考虑索体上下两端的连接刚度的单根索体有限元模型，建立所述每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量的关系曲线；

存储所述关系曲线数据。

4.如权利要求3所述的拉索断丝检测方法，其特征在于，所述存储的关系曲线数据包括：所述每根拉索或吊杆中钢丝的应变变化值随断丝量的增加而增长的数据。

5.一种拉索断丝检测系统，其特征在于，包括：

用以采集拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据的数据采集装置；

用以获取所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息的断丝标定装置；以及

用以根据所述数据采集装置采集的所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化数据及所述断丝标定装置存储的数据信息，判断所述拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值的断丝识别装置，当所述断丝识别装置判断所述拉索或吊杆中钢丝的断丝量达到了预设值时，则进行报警提示。

6.如权利要求5所述的拉索断丝检测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括：埋设在每一根拉索或吊杆中的多个应变传感器、与所述多个应变传感器连接的至少两个光开关以及与所述至少两个光开关相连接的光纤光栅调解仪，其中：

所述应变传感器以光信号数据的形式记录所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化，且由所述至少两个光开关传输给所述光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪将所述光信号数据转换为数值信号数据并对其进行发送。

7.如权利要求6所述的拉索断丝检测系统，其特征在于，所述断丝识别装置包括：

接收器，用以接收由所述光纤光栅解调仪发出的数值信号数据；

存储器，用以存储由断丝标定装置获取的所述拉索或吊杆中钢丝的应变变化量与其断丝量一一对应的数据信息；

处理器，用以根据所述数值信号数据和所述数据信息判断所述拉索或吊杆中钢丝的断丝量是否达到了预设值，并可进行报警；其中：

所述接收器、所述存储器以及所述处理器依次相连接，所述处理器分别与所述多根拉索或吊杆相连接。

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