CN105355015B - 一种基于无线传输的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传输的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法，摒弃传统焊接式等会对钢拉杆表面造成损伤的传感器安装方式，通过一种接触式无损伤传感器安装夹具，实现无线振弦传感器在钢拉杆上的快速无损安装，并且能实现传感器与夹具、夹具与钢拉杆之间良好地协同变形，该接触式无损伤传感器安装夹具包括钢拉杆环箍、钢拉杆环箍锁紧螺栓、传感器固定箍、传感器固定箍锁紧螺栓、突起、安装定位器；同时，与无线传感器网络技术相结合，通过灵活的组网模式，实现无线振弦传感器与现场服务器之间的指令、数据交互，从而形成一整套简洁、高效的钢拉杆应力监测方法。

Description

一种基于无线传输的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，更具体地说，涉及一种基于无线传感器网络技术，可快速安装、准确测量的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法及其配套装置。

背景技术

随着材料与技术的不断发展，高强钢拉杆作为替代柔性索材的刚性构件，已越来越多地应用于诸多建设领域，特别是在体育场馆、会展中心、火车站房等大跨度空间结构，适用于张弦梁、钢管桁架等多种结构形式。钢拉杆在作为结构关键受拉承重构件的同时，还可以作为支撑为结构提供平面外刚度，因而其应用可以降低建筑物用钢量，使建筑物整体结构更轻便、优美。同时，钢拉杆的安装施工往往是整个施工过程的重点、难点，预张拉是否达到设计要求、并列各拉杆之间张拉是否同步、受力是否均匀等都将是钢拉杆能否发挥设计预期作用的关键，也将因此直接影响结构的整体受力性能。因而，对钢拉杆应力进行实时跟踪监测，掌握其应力变化特性，既可以辅助控制施工安装过程，确保施工安全进行及钢拉杆充分有效受力；也可以把握其在服役过程中的受力状态，确保结构正常使用与社会公共安全，从而为同类钢拉杆结构的进一步结构设计及施工分析提供宝贵实测数据与分析经验。

然而，将目前常用的一般监测技术直接应用于钢拉杆的应力监测，其不足主要表现在以下两个方面：

1、线缆布设。传统的应力测试系统主要为有线测试，其技术成熟，应用广泛。但是大量连接线路的存在，尤其对于大跨度空间结构所用钢拉杆而言，往往还需要进行高空操作，线路布设和维护工作将极其耗时费力。此外，在施工过程的监测中，繁杂的连接线路不仅会影响施工的正常进行，还可能会因复杂的施工环境遭到破坏。再者，高空连接线路处置不当会影响建筑整体美观。

2、传感器安装方式。无论是电阻应变片、振弦式传感器，还是光纤光栅传感器，它们的安装方式一般采用传统的粘贴式或焊接式。粘贴式往往需要在构件表面打磨出一块光滑区域用以粘贴，如此会对构件表面造成略微损伤，而焊接式则将更为严重破坏构件表面，对构件造成不可预知的损伤。钢拉杆是结构的关键受拉承重构件，承受较大轴向拉力，该类传感器安装方式产生的表面损伤在长期高应力水平作用下将会产生较大积累，影响钢拉杆正常安全使用。此外，在钢拉杆上安装传感器也往往需要高空作业，采用粘贴式或焊接式的安装方式难度极大，十分费时费力，且对于传感器的重复回收利用不利。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有常用监测技术应用于钢拉杆应力监测时的不足，提供一种基于无线传输的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明将传感器无损安装方式和无线传感技术相结合，建立起一整套完整的钢拉杆应力监测方法。本方法采用振弦式应变测试原理，技术成熟且应用广泛，其结果稳定可靠；摒弃了传统的焊接方式，采用接触式无损伤传感器安装夹具安装传感器；同时采用无线网络实现指令、数据传输。通过钢拉杆与夹具、夹具与振弦传感器之间的协同变形，获取因钢拉杆受力变化而产生的应变变化。通过灵活的组网技术，实现无线传感器测试单元通过路由节点与基站节点，与现场服务器之间的指令、数据传输交互。现场服务器可将应变转换为钢拉杆应力或内力，绘制变化曲线显示或输出。

所述传感器安装夹具，是一种可在钢拉杆上快速安装拆卸的接触式无损伤传感器安装夹具，可实现钢拉杆与夹具，夹具与传感器之间的协同变形。一套接触式无损伤传感器安装夹具由两个钢拉杆环箍组成，每个钢拉杆环箍又由两个半箍组成，其上设有钢拉杆环箍锁紧螺栓、传感器固定箍及传感器固定箍锁紧螺栓，其中传感器固定箍的数量可由实际需要确定。另外，为确保夹具与钢拉杆紧密接触，实现钢拉杆与夹具充分协同变形，在钢拉杆环箍内壁，传感器固定箍的下方，设置突起这一构造。

本发明的有益效果是：无线组网技术的应用可避免传统有线监测繁重的线路布设维护工作；采用接触式无损伤传感器安装夹具安装传感器又可避免传统的焊接等安装方式损伤钢拉杆、高空安装困难且耗时等缺陷，而突起构造的设置很好地实现了协同变形，确保了测量的准确性，真正实现了快速无损安装、无线实时监测、可拆重复利用。本发明提供的钢拉杆应力监测方法，其安装灵活、测试可靠性高、环境适应性强。

附图说明

图1是本发明所提供钢拉杆应力监测方法的整套系统实施示意图；

图2是本发明所提供钢拉杆应力监测方法的流程示意框图；

图3是本发明所提供钢拉杆应力监测方法针对不同工程结构特点可采用的多种无线网络拓扑结构，(a)星状组网,(b)树状分簇组网，(c)链状分簇组网，(d)环状分簇组网；

图4是本发明所提供接触式无损伤传感器安装夹具结构示意图；

图5是本发明所提供接触式无损伤传感器安装夹具立面示意图；

图6是本发明所提供接触式无损伤传感器安装夹具突起构造示意图；

图7是本发明所提供钢拉杆应力监测方法的实验验证结果。

图中：钢拉杆被测件1、接触式无损伤传感器安装夹具2、无线振弦传感器3、路由节点4、基站节点5、现场服务器6、钢拉杆环箍7、钢拉杆环箍锁紧螺栓8、传感器固定箍9、传感器固定箍锁紧螺栓10、突起11、安装定位器12。

具体实施方式

本发明在无线传感器网络的应力采集系统基础上，设计一种应用于钢拉杆的接触式无损伤传感器安装夹具，实现传感器无损快速安装、有效准确测量的目的。如图1、2所示，利用钢拉杆与夹具、夹具与传感器之间的变形协同，可测得由于钢拉杆受力变化而产生的应变变化，从而可进一步分析计算获得钢拉杆的内力状态。通过本发明提供的钢拉杆应力监测方法，可实时快速获得钢拉杆的内力变化情况，既可以辅助控制钢拉杆的施工安装过程，也可以在服役阶段判断其是否处于正常工作状态，从而进一步判断结构是否存在安全隐患。

以下对本发明提供的钢拉杆应力监测方法具体实现过程进行详细描述。

1、接触式无损伤传感器安装夹具2的设计制作与安装

1)确定接触式无损伤传感器安装夹具2规格数量

根据工程所用钢拉杆被测件1的规格确定接触式无损伤传感器安装夹具2的尺寸，内径略大于钢拉杆被测件1外径；根据测点布置要求确定数量。

2)接触式无损伤传感器安装夹具2的设计制作

如图4、5所示，每一套接触式无损伤传感器安装夹具2包含两个对称的钢拉杆环箍7，每一个钢拉杆环箍7同时又由两个对称的半箍组成，两个半箍通过两个钢拉杆环箍锁紧螺栓8连接，可实现钢拉杆环箍7在钢拉杆1上的快速无损安装拆卸。每个钢拉杆环箍7上设置有传感器固定箍9，用以安装无线振弦传感器3，通过传感器固定箍锁紧螺栓10将其固定。其中，传感器固定箍9的数量可由实际需求设定，钢拉杆在理论上主要承受轴拉力，设置一个传感器固定箍9即可；也可设置四个传感器固定箍9，在钢拉杆上下左右四个表面均安装传感器3，综合考虑初始弯矩与附加弯矩的影响。如图6所示，在钢拉杆环箍7内壁，传感器固定箍9下方设置突起11这一构造，突起表面曲率与钢拉杆被测件1外表面曲率相同，其高度加上钢拉杆被测件1外径等于钢拉杆环箍7内径，可确保紧密接触，使无线振弦传感器3与接触式无损伤传感器安装夹具2、接触式无损伤传感器安装夹具2与钢拉杆被测件1之间真实地变形协同。

3)接触式无损伤传感器安装夹具2的安装

通过两个钢拉杆环箍锁紧螺栓8，先将一个钢拉杆环箍7安装固定于钢拉杆被测件1上，利用安装定位器12(规格与无线振弦传感器3相同)，再对称安装另一个钢拉杆环箍7。

2、无线传感器网络应变采集系统

1)无线振弦传感器3安装

配套的无线振弦传感器3符合可安装要求，外径与传感器固定箍9内径相同，两端可固定于传感器固定箍9，能与接触式无损伤传感器安装夹具2紧密连接，确保协同变形，获得真实有效的钢拉杆应变数据。

2)无线组网

如图3所示，采用多跳自组网的智能化无线组网技术，可根据实际工程结构特点，通过无线通信协议，建立星、树、簇状等多种网络拓扑形式。无线振弦传感器能够根据无线信号强度在邻近路由节点4中选择信号最强的作为通信节点，从而和基站节点5之间建立起最优的、稳定的通信网络，实现无线振弦传感器3与现场服务器6之间的指令、数据传输交互。

3)数据采集与处理

应变采集系统可自动执行数据采集、传输任务，将应变值直接计算为应力值或内力值，并绘制应力或内力变化曲线输出显示。此外，还可自动定期对监测数据进行备份，保证数据的安全性。

本发明所提供的钢拉杆应力监测方法简洁高效，既能快速无损实现传感器的安装，又能获得准确完整的应变数据。所提供的接触式无损伤传感器安装夹具2，在不损伤钢拉杆的基础上，仍具有优越的变形协同性能。利用本发明所提供应力监测方法测量钢拉杆被测件1的应变，400με以下几乎与应变片所测结果相同，当应变达到800με，误差也仅20～30με，如图7所示。本发明提供的基于无线传输的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法，已成功试用于实际工程，同时满足结构施工阶段及服役阶段钢拉杆应力的监测要求。

Claims (1)

1.一种基于无线传输的接触式无损伤钢拉杆应力监测方法，其特征在于，该方法包括：在钢拉杆被测件(1)外表面设置接触式无损伤传感器安装夹具(2)，所述接触式无损伤传感器安装夹具(2)包括两个对称的钢拉杆环箍(7)，每个钢拉杆环箍(7)由两个半箍组成，两个半箍通过两个钢拉杆环箍锁紧螺栓(8)连接；每个钢拉杆环箍(7)还包括至少一个传感器固定箍(9)和两个传感器固定箍锁紧螺栓(10)，传感器固定箍(9)内径与无线振弦传感器(3)外径相同；所述钢拉杆环箍(7)内径略大于钢拉杆被测件(1)外径，在与传感器固定箍(9)对应的钢拉杆环箍(7)内壁上设有突起(11)，所述突起(11)为环状构造，表面为曲面，曲率与钢拉杆被测件(1)外表面曲率相同；所述突起(11)高度2～3mm，宽度5～6mm，其高度加上钢拉杆被测件(1)外径等于钢拉杆环箍(7)内径，从而实现接触式无损伤传感器安装夹具(2)与钢拉杆被测件(1)紧密接触；通过传感器固定箍(9)将无线振弦传感器(3)沿轴向固定于钢拉杆被测件(1)上，当钢拉杆被测件(1)受拉或受压时，由于协同变形，无线振弦传感器(3)所测得的应变即为钢拉杆被测件(1)产生的应变；通过无线组网技术，根据实际工程结构特点，建立星、树、簇状多种网络拓扑形式，无线振弦传感器(3)根据无线信号强度在邻近路由节点(4)中选取信号最强的作为通信节点，从而与基站节点(5)建立起稳定的通信网络，实现指令与数据的无线传输交互。

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