CN104198672B - 基于平面应力状态应力集中的桥梁缆索锈蚀监测方法 - Google Patents

基于平面应力状态应力集中的桥梁缆索锈蚀监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明是基于平面应力状态应力集中的桥梁缆索锈蚀监测方法，该方法取与缆索内钢丝同牌号的高强钢丝薄片作为敏感元件，预留钢丝薄片截面的一个侧面作为锈蚀监测面；在钢丝薄片截面上不同高度位置处设置连续的应变测点；对钢丝薄片施加与缆索恒载索力相同的预拉应力并锚固在辅助框架内，钢丝薄片形成平面应力状态；将锈蚀监测装置布置在缆索高密度聚乙烯护套内或锚头防护盖内；当锈蚀监测面，引起锈蚀监测面局部应变发生突变，根据监测数据，判断锈蚀或应力腐蚀初始时间并计算锈蚀程度、锈蚀速率和应力腐蚀裂纹深度。本方法具有灵敏性高、稳定、可靠，在不破坏钢丝表面局部微环境的条件下对缆索内钢丝的锈蚀和应力腐蚀状态进行长期、定量监测。

Description

基于平面应力状态应力集中的桥梁缆索锈蚀监测方法
技术领域
本发明属于土木工程结构健康监测技术，尤其是涉及桥梁缆索结构耐久性监测、检测技术，应用于桥梁缆索结构和体外预应力索的锈蚀监测。
背景技术
桥梁缆索锈蚀损伤与缆索的防护措施有关。近年普遍采用热挤高密度聚乙烯(HDPE)护套进行防护，索体由平行高强钢丝或平行钢绞线组成，缆索结构锈蚀损伤检测与监测方法有：(1)人工方法：主要是检查索系统是否遭受锈蚀，各紧固件是否松动，索体是否有破损。优点是可定性地直观检查；缺点是检测费人力物力，检查范围有限且检测结果仅可用于定性评估，难满足定量评定要求，对突发性事故无法实现及时检测与监测。(2)超声波方法：主要用来检测平行钢丝表面裂纹、锈坑，但由于缆索由多根平行钢丝或钢绞线组成，截面形状复杂、锈蚀损伤位置不确定，超声波仅仅能检测表面缺陷，此外，锚头部位形状复杂，超声波检测存在较大的盲区。(3)声发射方法：主要用在缆索内断丝的监测，但是信号衰减较严重。(4)漏磁方法：适用于检测缆索自由段腐蚀及断丝，缺点是效率较低，检测精度和灵敏性不高。(5)放射线方法：可以检测缆索内部损伤和缺陷，能较准确地得到索体索体内部的锈蚀和断丝等损伤，缺点是为了屏蔽对人体的辐射，射线装置往往较大，不适用于实时监测。(6)电化学方法：电化学方法主要针对单根钢筋或者钢绞线，对多根平行钢丝或者钢绞线组成的缆索其检测效果欠佳，尤其现在的评定方法基本上是根据电位差的范围判断缆索的锈蚀的可能性，但受测试局部区域环境因素如温度、湿度等影响显著。(7)基于锈蚀膨胀的光纤光栅监测方法：此类方法主要基于钢筋受蚀膨胀机理，其混凝土垫层避免了干扰腐蚀界面，但透气胶层与缠绕的光纤实质上影响了离子的侵入，与真实腐蚀环境存在差别，且膨胀受混凝土挤压限制，其灵敏性和有效性尚待工程实际检验。
发明内容
本发明的目的是根据解决桥梁缆索自由段和锚头区域锈蚀实时监测与定期检测需求，在不影响缆索实际的受力状态与服役环境的条件下，通过构造高强钢丝薄片处于平面应力状态，并预留锈蚀监测面，根据锈蚀或出现应力腐蚀裂纹后局部应力集中现象，监测缆索内钢丝锈蚀与钢丝应力腐蚀裂纹，实现对桥梁缆索结构内高强钢丝或钢绞线初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的监检测与预警。
为了实现本发明的目的，提出以下技术方案：
一种基于平面应力状态应力集中的桥梁缆索锈蚀监测方法，所述方法包括：
1)取与监测缆索内高强钢丝或钢绞线同牌号的钢丝，在中部进行切割，取出矩形薄片作为传感元件，将该薄片矩形截面一侧作为锈蚀监测面；
2)沿钢丝矩形距锈蚀监测面不同高度位置处设置连续的应变测点，将所述薄片与辅助框架连接形成锈蚀监测装置；
3)利用锈蚀监测装置对中间钢丝薄片施加预拉应力，高强钢丝薄片形成平面应力状态，钢丝薄片的预拉应力与缆索内钢丝或钢绞线恒载索力下的拉应力相同；
4)对钢丝薄片矩形截面其它3个表面方向采用聚酯材料进行防腐保护，聚酯材料与钢丝或钢绞线间进行防腐处理；
5)将所述锈蚀监测装置布置在桥梁缆索的缆索高密度聚乙烯护套内，或锚头防护盖内；
6)当侵蚀介质侵入达到锈蚀监测面，引起锈蚀监测面锈蚀，则局部锈蚀区域形成应力集中，局部应变发生突变，根据钢丝薄片截面不同高度处布设的连续应变测点监测数据，判断缆索内钢丝或钢绞线锈蚀初始时间并计算锈蚀程度与锈蚀速率；
7)当侵蚀介质侵入达到锈蚀监测面，引起锈蚀监测面发生应力腐蚀，则钢丝应力腐蚀裂纹区域形成应力集中，局部应变发生突变，则可根据连续测点的监测数据判断应力腐蚀初始时间并通过相应计算程序计算应力腐蚀裂纹深度。
所述锈蚀监测装置(1)包括辅助框架(5)、高强钢丝薄片(4)和锚固装置(6)，所述高强钢丝薄片(4)的一个截面为锈蚀监测面(11)，在矩形截面高度方向距所述锈蚀监测面(11)不同高度处设置连续应变测点(7)并通过锚固装置(6)安装在框架(5)中，所述锚固装置(6)对高强钢丝薄片(4)进行预应力加载并锚固。
所述高强钢丝薄片(4)除锈蚀监测面(11)外的三个表面设置防腐层(9)和聚酯材料保护套(8)，进行封装。
所述连续应变测点(7)为高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在高强钢丝薄片(4)截面上，通过传输光纤与相应解调仪连接。
所述连续应变测点(7)在靠近锚固装置(6)附近预留一段高空间分辨率分布式光纤不与高强钢丝薄片(4)粘贴，用于监测温度并进行温度补偿。
所述连续应变测点(7)采用链式应变片组，所述每个链式应变片组内有10个应变测量片和1个用于温度补偿的温度补偿片。
所述链式应变片组内应变片栅长0.6mm，相邻应变片中心距1mm，通过高性能胶水粘贴在高强钢丝薄片(4)截面上的不同高度处，所述应变片组通过焊接端子和导线与相应的应变仪连接，连续监测长度方向上各测点的平均应变。
本发明的效果是：实现对桥梁缆索自由段或锚头防护盖内高强钢丝或钢绞线锈蚀监测，钢丝薄片与实际缆索在恒载作用下受力相同，锈蚀监测面与实际缆索内钢丝或钢绞线的腐蚀情况一致，中部钢丝薄片处于平面应力状态，锈蚀监测面局部锈蚀或发生应力腐蚀后形成应力集中，根据钢丝薄片截面不同高度处的连续应变测点的应变变化，实现对缆索自由段、锚固区内高强钢丝或钢绞线的初始锈蚀时间、锈蚀程度或应力腐蚀裂纹深度的实时监测与定期检测。本发明的方法具有灵敏性高、稳定、可靠等优点，可以对缆索自由段和锚固区的高强钢丝或钢绞线的锈蚀状态进行长期、定量监测或定期检测，钢丝薄片预加应力与缆索内钢丝或钢绞线在恒载作用下的受力相同，且不破坏钢丝表面局部微环境。
附图说明
图1缆索结构中锈蚀监测装置布置示意图；
图2a锈蚀监测装置示意图；
图2b锈蚀监测装置钢丝薄片截面图；
图2c钢丝上应变测点布置示意图。
1锈蚀监测装置2锚头防护盖
3锚板4高强钢丝薄片
5辅助框架6钢丝锚固装置
7连续应变测点8聚酯材料保护套
9防腐层10缆索护套
11锈蚀监测面
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1：选取与缆索所用钢丝或钢绞线同牌号高强钢丝，截取一定长度并切割薄片如图2c所示，在两侧面不同高度处设置连续应变测点7(图2b、c所示)，连续应变测点采用高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在不同截面高度处，通过传输光纤与相应光纤解调仪连接，高空间分辨率分布式光纤可连续监测长度方向上(图2c)每毫米长度上的平均应变，预留一段光纤不与钢丝薄片粘贴，用于监测温度并进行温度补偿(下文监测应变均为补偿后应变)，采用聚酯材料封装其三个表面，仅保留一个侧面作为锈蚀监测面(如图2b所示)，通过两端钢丝锚固装置对钢丝进行预应力加载，通过连续应变测点监测实际加载应力，使中部钢丝薄片应力与所监测缆索内钢丝或钢绞线在恒载作用下的应力相同，中部钢丝薄片形成平面应力状态，将锈蚀监测面朝向HDPE护套，布置位置按照图1所示。服役过程中一旦锈蚀监测面发生局部锈蚀或应力腐蚀，该区域局部形成应力集中，局部应变发生突变，靠近该位置的高空间分辨率分布式光纤与该区域共同变形，因此应变信号发生突变，且不同截面高度上应变变化不同，越靠近锈蚀或应力腐蚀区域的应变变化越大，同一截面高度未发生锈蚀或应力腐蚀部位的应变变化很小，可根据钢丝薄片不同高度处连续应变测点监测数据变化采用相应计算程序计算缆索内钢丝初始锈蚀时间、锈蚀程度及应力腐蚀状态。
实施例2：选取与缆索所用钢丝或钢绞线同牌号高强钢丝，截取一定长度并切割薄片如图2c所示，在两侧面截面不同高度处设置连续应变测点7(图2b、c，所示)，连续应变测点采用链式应变片组(如HBMKY11-1/120)，每个链式应变片组内有10个测量片，1个温度补偿片用于温度补偿(下文监测应变均为补偿后应变)，单个应变片栅长0.6mm，相邻应变片中心距1mm，通过高性能胶水粘贴在不同截面高度处，通过焊接端子、导线与应变仪连接，链式应变片组可连续监测长度方向上(图2c所示)各测点的平均应变，测点间距1mm，采用聚酯材料封装其三个表面，仅保留一个侧面作为锈蚀监测面(如图2b所示)，通过两端钢丝锚固装置对钢丝进行预应力加载，通过连续应变测点监测实际加载应力，使中部钢丝薄片应力与所监测缆索内钢丝或钢绞线在恒载作用下的应力相同，中部钢丝薄片形成平面应力状态，将锈蚀监测面朝向HDPE护套，布置位置按照图1所示。服役过程中一旦锈蚀监测面发生局部锈蚀或应力腐蚀，该区域局部形成应力集中，局部应变发生突变，靠近该位置的链式应变片组与该区域共同变形，因此应变信号发生突变，且不同截面高度上应变变化不同，越靠近锈蚀或应力腐蚀裂纹区域的应变变化越大，同一截面高度未发生锈蚀或应力腐蚀部位的应变变化很小，可根据钢丝薄片不同高度处连续应变测点监测数据变化采用相应计算程序计算缆索内钢丝初始锈蚀时间、锈蚀程度及应力腐蚀状态。
图1显示缆索结构中本发明的锈蚀监测装置(1)的布置位置，一般可以将锈蚀监测装置(1)布置在桥梁缆索的缆索护套(10)内，放置在缆索内高强钢丝或钢绞线与护套(10)之间。以及在锚头防护盖与锚板间设置锈蚀监测装置(1)。锈蚀监测装置(1)的锈蚀检测面(11)一侧朝向HDPE护套。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于平面应力状态应力集中的桥梁缆索锈蚀监测方法，其特征在于，所述方法包括：
1）取与监测缆索内钢丝或钢绞线同牌号的高强钢丝，在中部进行切割，取出矩形薄片作为传感元件，预留该矩形薄片截面一侧作为锈蚀监测面；
2）在矩形截面高度方向距锈蚀监测面不同高度位置处设置连续的应变测点，将所述钢丝薄片与辅助框架连接形成锈蚀监测装置；
3）利用锈蚀监测装置对中间钢丝薄片施加预拉应力，钢丝薄片形成平面应力状态，钢丝薄片的预拉应力与缆索内钢丝或钢绞线恒载索力下的拉应力相同；
4）对薄片矩形其它3个表面采用聚酯材料进行防腐保护，聚酯材料与钢丝间进行防腐处理；
5）将所述锈蚀监测装置布置在桥梁缆索高密度聚乙烯护套内，或锚头防护盖内；
6）当侵蚀介质侵入达到锈蚀监测面，引起钢丝锈蚀监测面锈蚀，则钢丝锈蚀区域形成应力集中，局部应变发生突变，根据钢丝薄片截面上不同高度处布设的连续应变测点监测数据，判断缆索内高强钢丝或钢绞线初始锈蚀时间并计算锈蚀程度与锈蚀速率；
7）当侵蚀介质侵入达到锈蚀监测面，引起钢丝锈蚀监测面形成应力腐蚀裂纹，则钢丝应力腐蚀裂纹区域形成应力集中，局部应变发生突变，则可根据钢丝薄片截面上不同高度处布设的连续应变测点的监测数据判断应力腐蚀初始时间并通过相应计算程序计算应力腐蚀裂纹深度。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述锈蚀监测装置（1）包括辅助框架（5）、高强钢丝薄片（4）和锚固装置（6），所述高强钢丝薄片（4）的一个截面为锈蚀监测面（11），在钢丝薄片截面高度方向距离所述锈蚀监测面（11）不同高度处设置连续应变测点（7）并通过锚固装置（6）安装在辅助框架（5）中，所述锚固装置（6）对高强钢丝薄片（4）进行预应力加载并锚固。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述高强钢丝薄片（4）除锈蚀监测面（11）外的三个表面设置防腐层（9）和聚酯材料保护套（8），进行封装。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述连续应变测点（7）为高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在高强钢丝薄片（4）截面上，通过传输光纤与相应解调仪连接。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述连续应变测点（7）在靠近锚固装置（6）附近预留一段高空间分辨率分布式光纤不与高强钢丝薄片（4）粘贴，用于监测温度并进行温度补偿。
6.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述连续应变测点（7）采用链式应变片组，所述每个链式应变片组内有10个应变测量片和1个用于温度补偿的温度补偿片。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述链式应变片组内应变片栅长0.6mm，相邻应变片中心距1mm，通过高性能胶水粘贴在高强钢丝薄片（4）截面上的不同高度处，所述应变片组通过焊接端子和导线与相应的应变仪连接，连续监测钢丝长度方向上各测点的平均应变。
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