CN104196258A - 一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，包括智能钢绞线（1）、涂覆剂层（2）、护套（3）以及锚头，智能钢绞线、涂覆剂层、护套形成体外预应力智能钢绞线，体外预应力智能钢绞线端部通过锚头与被加固体系连接，智能钢绞线（1）中设有光纤光栅传感器（11），光纤光栅传感器（11）分为监测光纤光栅传感器（111）和温度补偿光纤光栅传感器（112）。本发明将光纤光栅智能钢绞线和后张预应力技术有机结合起来将其应用到体外预应力加固体系中，使其满足加固所需的强度、稳定性和耐久性的同时兼具感知特性，形成智能加固体系，可广泛应用于采用钢绞线作为受力构件的既有砌体结构、混凝土结构、钢结构等后张预应力加固结构。

Description

一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系

技术领域

本发明涉及安全监测及建筑结构材料领域，尤其是涉及一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系。

背景技术

预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对结构构件或整体进行加固的方法，特点是通过预应力手段强迫后加部分一拉杆或撑杆受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除，因此，后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承载能力可显著提高。预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于大跨结构加固，以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力应变状态下的大型结构加固。体外预应力技术由于具有施工方便、经济可靠，预应力筋（束）可以单独防腐甚至可以更换等特点，近年来，已被广泛应用于旧桥的加固工程中。众多的工程实践证明，利用体外预应力加固旧桥，能显著提高结构承载力和抗裂度，有效改善结构的应力状态。

预应力加固体系的预应力减少将产生不可避免的使得被加固结构产生抗力衰减，降低结构正常使用功能和抵抗自然灾害的能力，甚至引发灾难性后果。在进行加固结构安全评估时，过高的估计预应力，没有充分发挥预应力的实际作用；过低的考虑预应力，将给结构构件带来安全隐患，所以确定预应力的大小成为预应力混凝土结构的一个重要工作。

从预应力的测试方法来看，目前的手段无外乎粘贴应变片或振弦应变计测试钢绞线应变；在相应预应力混凝土中埋入钢筋计或振弦传感器测试混凝土应变，再反算钢绞线应力；采用压力环测试整体张力；液压千斤顶通过油表测试其整体外张力等。但是，由于布设工艺和传感器自身的缺陷以及方法的不足，针对实际工程应用的预应力损失长期监测技术，还处于起步阶段。增强纤维光纤布里渊和光纤光栅（FRP-BOTDA-FBG）传感筋的出现为解决预应力监测提供了必要手段。增强纤维光纤布里渊和光纤光栅传感筋充分结合光纤布里渊的全尺度分布式测试和光纤光栅的准分布式、高精度、采样频率高等优点，并采用FRP材料对传感元件进行封装，使得智能复合筋兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于一体。因此针对后张预应力加固体系的特点，研制基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系显得十分迫切。

发明内容

本发明设计了一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其解决的技术问题是现有预应力加固体系无法兼顾加固和监测于一体，同时也没有考虑到固体系长期应用过程中温度肯定会变化的事实，最终导致得出的预应力钢绞线的力值与真实值存在偏差。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案： 

一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，包括智能钢绞线（1）、涂覆剂层（2）、护套（3）以及锚头，涂覆剂层（2）位于智能钢绞线（1）和环形护套（3）之间并且三者形成体外预应力智能钢绞线，体外预应力智能钢绞线端部通过锚头与被加固体系（6）连接，智能钢绞线（1）给被加固体系（6）施加的预加力，其特征在于：所述智能钢绞线（1）中设有光纤光栅传感器（11），光纤光栅传感器（11）分为监测光纤光栅传感器（111）和温度补偿光纤光栅传感器（112）；其中，监测光纤光栅传感器测量的对象是预应力钢绞线的应力，温度补偿光纤光栅传感器仅测量后张预应力智能加固体系的温度。

进一步，所述智能钢绞线（1）还包括光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）和多条边丝（13），光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）位于中心，围绕光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）缠绕的多条边丝（13）扭绞成型，所述光纤光栅传感器（11）贯穿光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）的轴向。

进一步，监测光纤光栅传感器（111）附着在光纤（14）表面并与光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）形成一体结构进行协同变形，温度补偿光纤光栅传感器（112）也附着在光纤（14）表面并且通过中空金属管（15）与光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）进行隔离不与光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）协同变形。

进一步，所述智能钢绞线（1）中进行信号传输的光纤（14）从锚头处随着所述智能钢绞线（1）自然引出，不额外增加施工工艺过程。

进一步，锚头包括锚垫板（4）和锚具（5），后张预应力智能加固体系通过锚垫板（4）与被加固体系（6）连接，锚具（5）将锚垫板（4）和后张预应力智能加固体系进行固定。

进一步，所述涂覆剂层（2）的材质为防腐剂。

进一步，光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）表面还缠绕高延性铜箔片。

一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其应用于采用钢绞线作为预应力筋的砌体结构、混凝土结构或钢结构中。

一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系中智能钢绞线的应力计算方法，其特征在于：

其中:

——智能钢绞线的应力（MPa）；

——智能钢绞线的弹性模量（MPa）；

——轴向应变与光纤光栅中心波长变化关系的灵敏度系数；

——光纤光栅传感器111的中心波长变化量（pm）；

——温度补偿光纤光栅传感器112的中心波长变化量（pm）。

光纤光栅测试技术是基于波长信息的绝对测量技术。由于光纤布拉格光栅具有波长选择性、与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体系小、成本低廉等特性，其突出的优点是：能避免电磁的干扰，电绝缘性好；不受潮湿环境影响；耐久性好，具有抵抗包括高温（小于600℃）在内的各种恶劣环境及化学侵蚀的能力，具有承受振动和冲击的能力；质量轻、体积小、对结构影响小、易于布置；既可以实现点测量，也可以实现分布式测量；绝对测量；节省线路，只用一根线就可以传送结构状态信号；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；频带宽，信噪比高等。目前，光纤光栅传感器已经广泛应用于土木工程、航空航天、石油化工、医学、环境工程等领域。

纤维增强复合筋是完全弹性材料，具有轻质、高强、耐蠕变、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，同时容易加工成型，且制作过程中能很方便地埋入光纤光栅传感器。

本发明将含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合传感筋作为钢绞线中心丝，使钢绞线具备感知特性，其具有光纤光栅的所有优点：传感精度高、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、稳定性与耐久性好等，可以方便地掌握钢绞线在施工和服役期间的受力情况，从而可以指导预应力张拉与施工，并未服役钢绞线的损伤识别提供直接的信息。同时，由智能钢绞线、外层涂覆剂、PE护套、锚具等组成的后张预应力体系可以胜任加固所需的几何和力学特征，从而形成一种耐久性、稳定性好的智能加固体系。

该基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系与传统预应力加固体系相比，具有以下有益效果：

（1）本发明将光纤光栅智能钢绞线和后张预应力技术有机结合起来将其应用到体外预应力加固体系中，使其满足加固所需的强度、稳定性和耐久性的同时兼具感知特性，形成智能加固体系。可广泛应用于采用钢绞线作为受力构件的既有砌体结构、混凝土结构、钢结构等后张预应力加固结构。

（2）本发明中使用光纤光栅传感器包括监测光纤光栅传感器和温度补偿光纤光栅传感器，温度补偿光纤光栅传感器使得更加准确的剔除温度的影响，更加真实的反映出智能钢绞线所负担的预应力大小。

（3）本发明光纤光栅纤维增强复合传感筋表面还缠绕高延性铜箔片，一方面增加了光纤光栅纤维增强复合传感筋的直径以及增加了边丝与光纤光栅纤维增强复合传感筋的摩擦力，能够使传感光纤光栅纤维增强复合传感筋和六根边丝更好的协同工作。另一方面光纤光栅纤维增强复合传感筋为脆性材料，其抗挤压能力弱，容易被挤压破坏，缠绕铜箔片可以增加高延性层，减少挤压破坏。

附图说明

图1：本发明基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系的结构示意图；

图2：图1中智能钢绞线的光纤光栅纤维增强复合传感筋结构示意图；

图3：图2的径向截面图；

图4：图1中智能钢绞线的结构示意图；

图5：图4的径向截面图；

图6：本发明中监测光纤光栅传感器与温度补偿光纤光栅传感器设置示意图。

附图标记说明：

1—智能钢绞线；11—光纤光栅传感器；111—监测光纤光栅传感器；112—温度补偿光纤光栅传感器；12—光纤光栅纤维增强复合传感筋；13—边丝；14—光纤；15—中空金属管；2—涂覆剂层；3—护套；4—锚垫板；5—锚具；6—被加固体系。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系包括智能钢绞线1、涂覆剂层2、PE材质的护套3、锚垫板4和锚具5，智能钢绞线1外表面包裹涂覆剂层2，涂覆剂层2的外表面包裹着护套3，并最终形成体外预应力智能钢绞线。体外预应力智能钢绞线的端部通过锚头与被加固体系6连接。锚头包括锚垫板4和锚具5，后张预应力智能加固体系通过锚垫板4与被加固体系6连接，锚具5将锚垫板4和后张预应力智能加固体系进行固定，智能钢绞线1给被加固体系6施加的预加力。同时，被加固体系6上的锚垫板4和锚头5一起承担加固带来的预加力。

如图2和图3所示，智能钢绞线1包括光纤光栅传感器11和光纤光栅纤维增强复合传感筋12，光纤光栅纤维增强复合传感筋12沿轴向光纤光栅传感器11。

如图4和图5所示，智能钢绞线1还包括多条边丝13，光纤光栅纤维增强复合传感筋12位于中心，围绕光纤光栅纤维增强复合传感筋12缠绕的多条边丝13扭绞成型，边丝可以是普通高强钢丝。由此可见，智能钢绞线1实质上是由含光纤光栅传感器11的光纤光栅纤维增强复合传感筋12代替普通钢绞线中丝制作而成的光纤光栅智能钢绞线。

如图6所示，光纤光栅传感器11分为监测光纤光栅传感器111和温度补偿光纤光栅传感器112。其中，监测光纤光栅传感器测量的对象是预应力钢绞线的应力，并且实时监测钢绞线的应力状态。监测光纤光栅传感器111与光纤光栅纤维增强复合传感筋12为一体结构，协同变形。

温度补偿光纤光栅传感器仅测量后张预应力智能加固体系的温度。由于光纤光栅传感器对温度和应变都敏感，考虑加固体系长期应用过程中温度肯定会变化，为了更加准确的剔除温度的影响，增加了悬空的仅测温度的温度补偿光纤光栅传感器112。

温度补偿光纤光栅传感器112是不与光纤光栅纤维增强复合传感筋12协同变形，因而其也是不与光纤光栅纤维增强复合传感筋12接触的。具体做法是通过在温度补偿光纤光栅传感器112外部套有一中空金属管15实现与光纤光栅纤维增强复合传感筋12的隔离。

因而，最终通过这一体系兼具加固受力和感知两个主要特性，从而实现此基于光纤光栅传感技术的后张预应力加固体系。

本发明基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系可以采用下述方法来制作：

步骤1、根据设计要求计算光纤光栅纤维增强复合传感筋12的下料长度，确定光纤光栅传感器11的位置；将合适长度的光纤光栅传感器11跟纤维14一起牵拉，采用热挤法制成含光纤光栅传感器11的光纤光栅纤维增强复合传感筋12。在适当位置剥离，并引出传感跳线头。

步骤2、按照设计要求计算普通钢绞线的下料长度。按顺序释放普通钢绞线的七根钢丝，去掉中丝后，余下六根边丝13备用。

步骤3、在光纤光栅纤维增强复合传感筋12上缠绕高延性铜箔片后，将备用的六根边丝13依次缠绕到光纤光栅纤维增强复合传感筋12上，制成智能钢绞线1。

缠绕铜箔片有两个目的：一是增加了光纤光栅纤维增强复合传感筋12的直径以及增加了边丝13与光纤光栅纤维增强复合传感筋12的摩擦力，能够使传感光纤光栅纤维增强复合传感筋12和六根边丝13更好的协同工作。二是光纤光栅纤维增强复合传感筋12为脆性材料，其抗挤压能力弱，容易被挤压破坏，缠绕铜箔片可以增加高延性层，减少挤压破坏。

步骤4、在智能钢绞线1外表面选用防腐剂制作涂覆剂层2，然后再制作护套3，拉制适合实际工程应用的体外预应力智能钢绞线。

步骤5、在被加固体系6上植入或预埋满足力学需要的锚垫板4，在强度达到设计要求后，采用锚具5将以上体外预应力智能钢绞线锚固到被加固体系6上，即完成基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系。

由此可见，本发明加固原理是：通过体外预应力智能钢绞线对被加固体系6施加预压力，从而使得被加固体系6具有一定的抗拉能力。实现加固目的。本发明加固原理中最主要的构件挨那是光纤光栅纤维增强复合传感筋12，其所赋予被加固体系6的预应力直接关系到加固的安全性和有效性，如果预应力值偏高，可能会压坏被加固体系6，如果预应力值偏低，没有加固效果，整个结构可能损坏。

此外，本发明监测原理是：智能钢绞线1的变形和光纤光栅纤维增强复合传感筋12的变形相同（也就是应变相同）。而同时，光纤光栅纤维增强复合传感筋12和其内的监测光纤光栅传感器111是一体的，也是具有相同应变的。因此通过监测光纤光栅传感器111可以获得钢绞线的应变。但是为了补偿温度影响，需要减去温度补偿光纤光栅传感器112的数值，最终可推导出智能钢绞线1的力值。这样使得本加固体系既有力学性能，又有测试性能，从而实现了智能加固体系。

公式部分：

其中:

——钢绞线的应力（MPa）；

——智能钢绞线的弹性模量（MPa）；

——轴向应变与光纤光栅中心波长变化关系的灵敏度系数；

——光纤光栅传感器111的中心波长变化量（pm）；

——温度补偿光纤光栅传感器112的中心波长变化量（pm）。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，包括智能钢绞线（1）、涂覆剂层（2）、护套（3）以及锚头，涂覆剂层（2）位于智能钢绞线（1）和环形护套（3）之间并且三者形成体外预应力智能钢绞线，体外预应力智能钢绞线端部通过锚头与被加固体系（6）连接，智能钢绞线（1）给被加固体系（6）施加的预加力，其特征在于：所述智能钢绞线（1）中设有光纤光栅传感器（11），光纤光栅传感器（11）分为监测光纤光栅传感器（111）和温度补偿光纤光栅传感器（112）；其中，监测光纤光栅传感器测量的对象是预应力钢绞线的应力，温度补偿光纤光栅传感器仅测量后张预应力智能加固体系的温度。

2.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其特征在于：所述智能钢绞线（1）还包括光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）和多条边丝（13），光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）位于中心，围绕光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）缠绕的多条边丝（13）扭绞成型，所述光纤光栅传感器（11）贯穿光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）的轴向。

3.根据权利要求1或2所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其特征在于：监测光纤光栅传感器（111）附着在光纤（14）表面并与光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）形成一体结构进行协同变形，温度补偿光纤光栅传感器（112）也附着在光纤（14）表面并且通过中空金属管（15）与光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）进行隔离不与光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）协同变形。

4.根据权利要求3所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其特征在于：所述智能钢绞线（1）中进行信号传输的光纤（14）从锚头处随着所述智能钢绞线（1）自然引出。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其特征在于：锚头包括锚垫板（4）和锚具（5），后张预应力智能加固体系通过锚垫板（4）与被加固体系（6）连接，锚具（5）将锚垫板（4）和后张预应力智能加固体系进行固定。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其特征在于：所述涂覆剂层（2）的材质为防腐剂。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系，其特征在于：光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）表面还缠绕高延性铜箔片。

8.一种权利要求1-7中任何一项所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系的应用，其特征在于：其应用于采用钢绞线作为预应力筋的砌体结构、混凝土结构或钢结构中。

9.一种权利要求1-7中任何一项所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系制作方法，包括以下步骤：

步骤1、根据设计要求计算光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）的下料长度，确定光纤光栅传感器（11）的位置；将合适长度的光纤光栅传感器（11）跟纤维（14）一起牵拉，采用热挤法制成含光纤光栅传感器（11）的光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）；

步骤2、按照设计要求计算普通钢绞线的下料长度，按顺序释放普通钢绞线的七根钢丝，去掉中丝后，余下六根边丝（13）备用；

步骤3、在光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）上缠绕高延性铜箔片后，将备用的六根边丝（13）依次缠绕到光纤光栅纤维增强复合传感筋（12）上，制成智能钢绞线（1）；

步骤4、在智能钢绞线（1）外表面选用防腐剂制作涂覆剂层（2），然后再制作护套（3），拉制适合实际工程应用的体外预应力智能钢绞线；

步骤5、在被加固体系（6）上植入或预埋满足力学需要的锚垫板（4），在强度达到设计要求后，采用锚具（5）将步骤4所得的体外预应力智能钢绞线锚固到被加固体系（6）上，即完成基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系。

10.一种权利要求1-7中任何一项所述基于光纤光栅传感技术的后张预应力智能加固体系中智能钢绞线的应力计算方法，其特征在于：

其中:

——智能钢绞线的应力（MPa）；

——智能钢绞线的弹性模量（MPa）；

——轴向应变与光纤光栅中心波长变化关系的灵敏度系数；

——光纤光栅传感器111的中心波长变化量（pm）；

——温度补偿光纤光栅传感器112的中心波长变化量（pm）。