CN103278279A

CN103278279A - 一种索力测量方法与装置

Info

Publication number: CN103278279A
Application number: CN2013101561348A
Authority: CN
Inventors: 孙文波; 周伟坚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103278279B

Abstract

本发明公开了一种索力测量方法与装置，包括销轴、耳板，在所述销轴的轴向中轴线上开有一轴向通孔，在轴向通孔两端对称放置光学测量系统的发射端和接收端，所述光学测量系统的测量平面与销轴轴向轴线及荷载作用方向共面，所述耳板设置限位装置与销轴连接。本发明基于销轴材质均匀，且在受力状态下完全线弹性的特点，通过测量连接节点的销轴在索力的作用下发生的微小变形，再依据索力和变形的线性关系，确定拉索的索力，本发明为无损检测技术，适用范围广。

Description

一种索力测量方法与装置

技术领域

本发明涉及施工检测领域，具体涉及一种索力测量方法与装置。

背景技术

现有技术中测量索力的主要有张拉千斤顶测量法；压力传感器测量法；频率振动测量法；电磁测量法；

张拉千斤顶测量法，由于压力表本身具有指针偏转过快，易偏位，高压时指针抖动剧烈，读数时存在人为的随机误差等特点，因此，它不可用于建筑结构成形后的索力的动态测量，也不适用于长期在线索力测量。所测索力只代表张拉端的索力。

压力传感器测量法；

缺点：1.费用太高；2.只能测量索头的张力；3.传感器的耐久性还未在实际的工程中得到验证；4.适用范围小，其必须安装在锚具与索孔垫板之间，对于已经建成的斜拉桥这种安装方式不方便；5.由于压力传感器尺寸较大，会对建筑外观产生较大的影响。

频率振动测量法

振动频率法的缺点：

1、钢缆索在张紧状态下其自由振动方程的解要受缆索的垂度、斜度和边界条件等多因素影响。同时，利用频谱图自动求解钢缆索的第n阶自振频率或相邻两阶的频率差Δf也比较困难。因此，频率法测量索力的结果与拾振器的安装位置，钢索是否起振，被测钢索的跨度、垂度、斜度及边界条件等多种因素有关，信号处理也相对复杂，不能实现全天候的监测。

2、当结构相邻两阶的振动频率十分相近时，利用频率振动法测量索力将十分困难。因此，频率振动法只适用于简单索系（单索）结构，对于复杂索系（群索）结构，其测量结果的存在较大的误差。

3、频率振动法只适用于张拉完毕以后的拉索索力测量，而在张拉过程中，将无法测量拉索的索力。因此，被动索施工过程的索力测量将无法测量。

电磁测量法，该方法受温度作用影响明显，必须对温度作用进行校正。电磁传感器必须套在拉索的外面，而且拉索的直径种类多，因此，不同的直径的拉索需有相对应的电磁传感器。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种索力测量方法与装置，本发明基于销轴材质均匀，且在受力状态下完全线弹性的特点，通过测量连接节点的销轴在索力的作用下发生的微小变形，再依据索力和变形的线性关系，精确检测拉索的索力大小。

本发明采用如下技术方案：

一种索力测量方法，包括如下步骤：

（1）根据销轴直径，在销轴上开有一轴向通孔，在耳板设置限位装置与销轴连接；

（2）在销轴的轴向通孔两侧安装光学测量系统的发射端和接收端；

（3）对测量时的现场温度进行测定；

（4）当索体未张拉时，销轴未变形时，记录所述接收端接收光幕宽度值；

（5）当索体进行张拉时，销轴变形后，记录所述接收端接收光幕宽度值，并确定（4）和（5）所述接收端接收光幕宽度的差值；

（6）多次重复（4）和（5），得到多个在不同拉力时光幕宽度的差值；

（7）根据不同拉力时光幕宽度的差值与拉力的线性关系，确定拉力和光幕宽度的差值之间的比例系数K；

实际现场测量中，重复前5个步骤得到光幕宽度的差值，根据拉力和光幕宽度的差值之间的比例系数K，得到索力值。

一种索力测量装置，包括销轴、耳板，所述销轴的轴向中轴线上开有一轴向通孔，在轴向通孔两端对称放置光学测量系统的发射端和接收端，所述光学测量系统的测量平面与销轴轴向轴线及荷载作用方向共面，所述耳板设置限位装置与销轴连接。

所述轴向通孔的直径为10mm以上，且轴向通孔面积占销轴面积≤12%，且轴向通孔的销轴截面惯性矩与未设轴向通孔的销轴截面惯性矩的比值≥97.5%。

所述光学测量系统的分辨率≤0.01mm。

所述光学测量系统包括激光发射端和激光接收端。

所述限位装置包括两个限位小槽。

在实际现场施工测量中，采用上述装置，然后得到光幕宽度的差值，再根据拉力和光幕宽度差值之间的比例系数K，结合现场仪器温度修正，得到索力值。

本发明的有益效果：

（1）仪器小型化；所用的测量仪器小型化，方便携带和安装，而且不会对建筑造型和外观有影响，可以适用于室内外裸露环境的长期监测；

（2）无损检测技术；本发明只需对销轴本身进行开孔处理，对整体结构本身不会产生任何的影响；

（3）适用范围广；本检测方法不仅仅适用索结构中拉索索力的测量，同时也适用其他类型结构中利用销轴连接节点进行连接的构件所传递的荷载；本检测方法不仅仅适用于结构的施工过程控制，同时也适用于结构的施工完毕后的长期监控、健康监控；本检测能检测主动索和被动索的索力。但凡其通过销轴连接节点和其他结构相互连接就能利用这种测量方法；

（4）耐久性长；由于不影响原有结构的受力，且在相对密封的环境下，受到外界的干扰较小；

（5）测量精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中销轴形变的结构示意图；

图3为图1中销轴的轴向通孔示意图；

图4（a）为耳板开有限位小槽及销轴设置销钉的结构示意图，图4（b）为（a）图中的B-B方向的剖面图。

附图说明：

1-销轴，2-激光发射端，3-激光接收端，4-限位小槽，5-耳板，6-销钉。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种索力测量装置，包括销轴1、耳板5，所述销轴1的轴向中轴线上开有一轴向通孔，在轴向通孔两端对称放置光学测量系统的发射端和接收端，所述光学测量系统的测量平面与销轴轴向轴线及荷载作用方向共面，所述耳板设置限位装置与销轴连接。

如图3所示，所述轴向通孔的直径d为10mm以上，且轴向通孔面积占销轴面积≤12%，设轴向通孔的销轴截面惯性矩与未设轴向通孔的销轴截面惯性矩的比值≥97.5%。

所述光学测量系统的分辨率≤0.01mm。

所述光学测量系统包括激光发射端2和激光接收端3。

如图4（a）（b）所示，所述销轴1设置两个销钉6，所述耳板5设置限位装置，所述限位装置包括两个限位小槽4，所述销钉6与两个限位小槽4相匹配，用于保证激光光幕平面和拉索拉力方向在同一平面。

为了达到测量结果，激光发射端2和激光接收端3可采用日本基恩士公司的光透型激光传感器IG010或者高精度CCD测量仪器LS7010，或者真尚有公司的激光幕帘直径测量仪Z100-25等，也可以采用自行设计的高精度线阵CCD传感器。

如表1，其中A和I分别表示未开孔的销轴横截面面积和截面惯性矩，A₀和I₀分别表示开孔后的销轴横截面面积和截面惯性矩，以直径D为40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、160mm的销轴为例，并分别在销轴的轴向中轴线上开有轴向通孔，所述轴向通孔直径为10mm至50mm。

表1

由表1可知，销轴开孔后截面的截面面积A₀和截面惯性矩I₀与原有截面的对比，能发现开孔后的截面性能（EI和GA）削减较少，EI表示截面的抗弯刚度，GA表示截面的剪切刚度。其中，E为材料的弹性模量，G为材料的切边模量，对于同一种材料，E和G均为常量，即抗弯刚度EI和剪切刚度GA仅仅与截面面积A₀和截面惯性矩I₀有关。因此本发明是无损检测技术，是在不影响原有结构的基础上进行测量。

在建筑结构中拉索一般通过锚具和节点板相连，传力路径为：拉索→索头→耳板→销轴→节点板→主结构。拉索本身具有典型的非线性特性，且长时间的受力状态会令拉索应力相应减少从而产生应力松弛的现象。而销轴作为连接拉索和节点板的关键部件，采用的材料大部分是30CrMo和42CrMo，其屈服强度分别要求大于785Mpa和930Mpa，在受力的过程中，销轴将处于线弹性状态，可将其视为理想的弹性体。

当拉索受到张拉时，销轴将会产生的相应弹性形变，也就是在索力T的作用下，开有轴向通孔的销轴会产生相应变形，此时销轴的直径不宜小于40mm，当销轴直径过小时，销轴中的轴向通孔成孔就比较困难，本发明是采用有限元分析软件对经过处理的销轴进行变形分析。

如图1所示，当销轴1未发生变形时，激光接收端3所感应的光幕宽度为L；如图2所示，当拉索的索力经过销轴传递给主结构时，销轴1因受力而发生变形。销轴变形将对光幕形成了阻挡，使得激光接收端所感应的光幕宽度为L₁。通过对标准构件的标定，即通过记录不同索力作用所对应的激光光幕宽度变化值△L，可以明确索力的大小和前后两次光幕的宽度差值△L的对应关系（得到比例系数K），这就通过对光幕宽度改变量的测量从而测量出索力的大小。

实施例2

一、标准试件在工厂环境下的标定；

一种索力测量方法，包括如下步骤：

S1对销轴1和耳板5进行预处理；

在销轴中轴线处开有轴向开孔，在耳板处设置限位装置连接销轴，使激光光幕平面和拉索拉力方向共平面，限位装置不限，本实施例耳板处设置限位装置连接销轴具体为：在销轴处设置两个销钉，耳板上开有两个限位小槽，所述销钉和限位小槽相匹配，在实际的结构受力中，现有的销轴都会相对耳板自由转动，由于测量仪器都是安装在销轴处，当销轴发生转动后，激光光幕平面和拉索受力方向不在一个平面，造成测量效果不精确，采用限位装置可解决上述原因造成的测量不精确问题，并能取代因安装测量仪器而无法安装的销轴盖。

S2安装激光发射端和激光接收端；

S3对测量时的现场温度进行测定；

S4待设备仪器安装完毕后，索体未张拉时，销轴未变形时，记录激光接收端接收光幕宽度L；

S5对索体进行张拉，销轴变形后，记录激光接收端接收光幕宽度L1，确定S4和S5的光幕宽度的差值；

S6对索体卸载；

S7多次重复S4-S6，得到多个在不同拉力时对应的激光光幕宽度的差值；

S8根据拉力和光幕宽度差值（销轴变形）的线性关系，确定比例系数K；

本实施例是待K值稳定后，对最后3次试验结果的K值取平均值，即确定不同索力情况下，销轴变形的大小。

实际上每条索出厂前都必须进行数次预张拉，故以上标定步骤可以结合拉索预张步骤同时进行。

二、实际现场的测量；

S1根据销轴直径，在销轴上开有一轴向通孔，在耳板上设置限位装置连接销轴，使激光光幕平面和拉索拉力方向在一个平面；

S2在销轴两侧安装激光发射端和激光接收端；

S3对测量时的现场温度进行测定；

S4当索体未张拉时，销轴未变形时，记录激光接收端接收光幕的宽度L；

S5当索体进行张拉时，记录激光接收端接收光幕的宽度L₁；

S6计算两次测量数值的差值△L，根据装置出厂标定中比例系数的值，经过现场仪器温度修正，确定索力。

本发明不仅适用于拉索节点，而且对于只要利用销轴连接节点相互连接的结构构件，都可通过测量销轴的变形推算其传递的荷载（轴力）。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种索力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（3）对测量时的现场温度进行测定；

（7）根据不同拉力时光幕宽度的差值与拉力的线性关系，确定拉力和光幕宽度的差值之间的比例系数K。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复前5个步骤得到光幕宽度的差值，根据拉力和光幕宽度的差值之间的比例系数K，得到索力值。

3.实现权利要求1或2所述方法的装置，包括销轴、耳板，其特征在于，所述销轴的轴向中轴线上开有一轴向通孔，在轴向通孔两端对称放置光学测量系统的发射端和接收端，所述光学测量系统的测量平面与销轴轴向轴线及荷载作用方向共面，所述耳板设置限位装置与销轴连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述轴向通孔的直径为10mm以上，且轴向通孔面积占销轴面积≤12%，且轴向通孔的销轴截面惯性矩与未设轴向通孔的销轴截面惯性矩的比值≥97.5%。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光学测量系统的分辨率≤0.01mm。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光学测量系统包括激光发射端和激光接收端。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述限位装置包括两个限位小槽。