CN105928646B - 基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法，该方法通过在锚杯内植入分布式光纤应变传感器获取应变数据，通过应变数据得到初始应力衰变函数，在后续过程中，通过应变数据实时得到当前应力衰变函数，根据初始应力衰变函数和当前应力衰变函数计算出锚头健康度的量化指标，从而实现锚头性能的实时监测；本发明的有益技术效果是：提出了一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法，该方法可以实现锚头病害的及时发现以及连续监测。

Description

基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种锚头性能监测技术，尤其涉及一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法。

背景技术

斜拉索作为斜拉桥的主要承重结构，具有承力大、质量轻、尺寸紧凑、柔性好、使用方便等优点；锚头是缆索与大跨度结构的受力连接点，是斜拉索结构上最为复杂的承力结构；虽然斜拉索锚头结构及其制作工艺均考虑了耐久性要求，但其仍不可避免地会出现性能衰退，根据调研与分析，锚头性能衰退主要呈以下三种情况：①锚头结构中，缆索索身护套破损或锚头防护体系破损，水、汽进入锚头，导致钢丝锈蚀，使得钢丝与环氧砂浆填料的粘接锚固效果发生改变，引起性能衰退；②作为锚固填充料的环氧砂浆填料，在长期静荷载、动荷载及热冲击循环作用下，环氧砂浆填料的力学性能、粘接性能、热稳定性及耐热老化性能均不可避免地会出现一定程度的衰退，进而改变环氧砂浆填料、钢丝与锚杯的整体锚固效果，引起锚头性能衰退；③另外，锚头制作过程中的疏漏也会成为锚头服役过程中导致锚头失效的诱因。

吴育苗、蒋湘成等调查了海口世纪大桥全桥176根缆索体系的损伤情况，发现梁端防水系统发生病害占比97％以上，梁端减振器中的内置减振器发生病害占比100％，外设减振器发生病害占比1.7％，但是，这两个部件对结构安全性和耐久性的影响评级为轻微；索体中的PE护套发生病害占比70％，钢丝发生病害占比0.5％，索体对结构安全性和耐久性的影响评级为严重；锚头发生病害占比76％以上，锚头对结构安全性和耐久性的影响评级也为严重；张俊岱对委内瑞拉马拉开波桥多根缆索病害检查的结果，与吴育苗的调查结论基本一致。由此可见，在对桥梁结构安全性和耐久性影响评级较高的索体部件中，锚头的病害发生率是全桥最为严重的，为了保证桥梁结构安全，有必要对锚头病害的发生和发展趋势进行重点监测。

现有技术中，常用的无损监测方法主要有：常规超声检测法、超声成像检测法、红外热波检测法；这三种无损检测方法均可检测结构内部缺陷和粘结质量，但若将前述三种方法用于锚头病害监测，则存在如下问题：首先，前述三种方法最优的应用对象是规则、简单的结构，锚头属于复杂组合体结构，将上述方法应用于锚头的无损检测仍存在一定的问题；其次，无损检测方法仅能用于定期的安全检查，无法实现在线的实时监测；另外，锚头是承力的关键部件，它的性能衰退是一个渐变的过程，即从钢丝和锚固料间的强握裹，到弱握裹，再到出现脱粘、缺陷和裂纹，最后是破坏，因此，最有价值的无损检测方法是能在早期就能发现出现性能衰退的锚头，从而判断锚头目前处于性能衰退的哪个阶段，而上述三种方法均没有这种能力。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法，所述斜拉索锚头由锚杯、分丝板、多根钢丝和环氧砂浆填料组成，分丝板固定在锚杯的底部，分丝板上设置有多个预留孔，钢丝的内端穿过分丝板上的预留孔后墩头固定，多根钢丝与多个预留孔一一对应，锚杯内钢丝周围的区域由环氧砂浆填料填充；其创新在于：所述斜拉索锚头性能衰退状态监测方法包括：

1)在分丝板上的实心部分预制多个植入孔；锚头制作过程中，在灌注环氧砂浆填料之前，在每个植入孔内均植入一根细条状的分布式光纤应变传感器，分布式光纤应变传感器的轴向与钢丝轴向平行，分布式光纤应变传感器的端头延伸至锚杯深处，分布式光纤应变传感器的尾纤置于分丝板外，然后灌注环氧砂浆填料，环氧砂浆填料将分布式光纤应变传感器和钢丝包裹在内与锚杯一起形成整体结构；

2)锚头制作好后，在安装之前，对锚头进行超张拉试验；试验过程中，通过分布式光纤应变传感器获取锚杯内不同深度位置的应变数据；将获得的多个应变数据拟合为如下的初始应力分布函数：

σ_x＝σ₀(a₁·x+a₂·x²+a₃·x³+a₄·x⁴+1)

其中，x为锚头起始端至分布式光纤应变传感器上某一应变监测点的轴向距离，所述锚头起始端为锚头上与分丝板相对的那一端，x简记为锚固深度，σ₀为超张拉过程中检测到的锚头起始端位置处钢丝所受的轴向应力，σ_x为锚固深度为x处钢丝所受轴向应力，a₁、a₂、a₃、a₄为初始应力衰减系数；根据分布式光纤应变传感器检测到的对应不同锚固深度的多组σ_x和x，按初始应力分布函数求解出σ₀、a₁、a₂、a₃、a₄：获得初始应力衰变函数f(x)：

f(x)＝a₁·x+a₂·x²+a₃·x³+a₄·x⁴+1；

3)将锚头投入使用；锚头服役期间，通过分布式光纤应变传感器实时监测锚杯内不同锚固深度位置的应变数据；将实时监测到的应变数据实时拟合为如下的监测应力分布函数：

σ_x'＝σ₀'(a₁'·x+a₂'·x²+a₃'·x³+a₄'·x⁴+1)

其中，σ₀'为服役期间监测到的锚头起始端位置处钢丝所受的轴向应力，σ_x'为服役期间监测到的锚固深度x处钢丝所受轴向应力，a₁'、a₂'、a₃'、a₄'为当前应力衰减系数；根据分布式光纤应变传感器检测到的对应不同锚固深度的多组σ_x'和x，求解出σ₀'、a₁'、a₂'、a₃'、a₄'，获得当前应力衰变函数f'(x)：

f'(x)＝(a₁'·x+a₂'·x²+a₃'·x³+a₄'·x⁴+1)；

4)根据下式计算出锚头健康度A：

其中，h为分布式光纤应变传感器监测范围内锚固深度的最大值；

将A与一报警阈值T₀进行比较，若A>T₀，则说明锚头已存在隐患；T₀由仿真试验和理论计算获得。

本发明的原理是：由于锚头内钢丝众多且呈辐射状分布，因此多根钢丝的受力状况较为复杂，为了简化分析，选取其中一根钢丝及包裹在该钢丝外的环氧砂浆填料为一个受力分析单元，则单个受力分析单元中钢丝的受力状态如图1所示，设钢丝上锚固区域的总长度为x，锚头起始端钢丝所受应力为σ₀，钢丝在锚头内受到环氧砂浆填料的握裹力τ作用；在钢丝未与环氧砂浆填料发生相对滑移的情况下，钢丝处于静载平衡状态；在图1中锚固深度为x₁的位置选取1个钢丝微元，其受力状态如图2所示，设钢丝微元前端应力为σ_i，钢丝微元后端应力为σ_i+1，受到的环氧砂浆填料握裹作用力为τ_i，由静载平衡条件可知，σ_i、σ_i+1和τ_i存在如下关系：

(σ_i-σ_i+1)πr²＝2πrτ_i·dx (1)

其中，r为钢丝半径。

将式(1)变形后可得下式：

从式(2)可见，沿锚固深度方向，钢丝轴向应力的衰减速度与环氧砂浆填料对钢丝的握裹作用力成正比，握裹力越大，钢丝应力的衰减速度越快；缆索长期服役后，锚头制作过程中的某些缺陷以及环氧砂浆填料本身的性能衰退都会导致环氧砂浆填料对钢丝的握裹力τ_i减小，而一旦握裹力τ_i减小，钢丝受到的轴向应力衰减趋势就会变缓(参见图5，图中两条曲线分别为锚头性能状态良好时测得的“初始应力衰减曲线”与锚头性能发生衰退时测得的“实时监测应力衰减曲线”，从图中可以看出锚头内环氧砂浆粘接能力下降后，锚头内轴向应力的衰减趋势比性能良好时轴向应力的衰减趋势更缓，)，环氧砂浆填料对钢丝应力的均化与衰减作用也随之减弱，相应地，锚头上由锚杯承担的作用力就会减小，分丝板承担的作用力就会增大，钢丝与环氧砂浆填料的层间滑移量将会不断累加，并最终产生层间剥离的现象，导致锚头失效；

基于前述分析，发明人认为，可以用钢丝轴向应力分布来表征环氧砂浆填料对钢丝的握裹力大小，进而间接地获知锚头的性能状态，具体应用时，只需对钢丝轴向应力分布进行监测，就可以实现对锚头病害发生及其发展进度的监测。考虑到光纤分布式应力监测技术已十分成熟，在具体实施时，本发明采用分布式光纤应变传感器来对钢丝轴向应力分布进行监测。

本发明的有益技术效果是：提出了一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法，该方法可以实现锚头病害的及时发现以及连续监测。

附图说明

图1、单个受力分析单元中钢丝的受力状态示意图；

图2、钢丝微元受力状态示意图；

图3、本发明的分布式光纤应变传感器设置方式示意图；

图4、分丝板外端面结构示意图；

图5、初始应力衰减曲线和实时监测应力衰减曲线示意图。

具体实施方式

一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法，所述斜拉索锚头由锚杯、分丝板、多根钢丝和环氧砂浆填料组成，分丝板固定在锚杯的底部，分丝板上设置有多个预留孔，钢丝的内端穿过分丝板上的预留孔后墩头固定，多根钢丝与多个预留孔一一对应，锚杯内钢丝周围的区域由环氧砂浆填料填充；其创新在于：所述斜拉索锚头性能衰退状态监测方法包括：

1)在分丝板上的实心部分预制多个植入孔；锚头制作过程中，在灌注环氧砂浆填料之前，在每个植入孔内均植入一根细条状的分布式光纤应变传感器，分布式光纤应变传感器的轴向与钢丝轴向平行，分布式光纤应变传感器的端头延伸至锚杯深处，分布式光纤应变传感器的尾纤置于分丝板外，然后灌注环氧砂浆填料，环氧砂浆填料将分布式光纤应变传感器和钢丝包裹在内与锚杯一起形成整体结构；

2)锚头制作好后，在安装之前，对锚头进行超张拉试验；试验过程中，通过分布式光纤应变传感器获取锚杯内不同深度位置的应变数据；将获得的多个应变数据拟合为如下的初始应力分布函数：

σ_x＝σ₀(a₁·x+a₂·x²+a₃·x³+a₄·x⁴+1)

其中，x为锚头起始端至分布式光纤应变传感器上某一应变监测点的轴向距离，所述锚头起始端为锚头上与分丝板相对的那一端，x简记为锚固深度，σ₀为超张拉过程中检测到的锚头起始端位置处钢丝所受的轴向应力，σ_x为锚固深度为x处钢丝所受轴向应力，a₁、a₂、a₃、a₄为初始应力衰减系数；根据分布式光纤应变传感器检测到的对应不同锚固深度的多组σ_x和x，按初始应力分布函数求解出σ₀、a₁、a₂、a₃、a₄：获得初始应力衰变函数f(x)：

f(x)＝a₁·x+a₂·x²+a₃·x³+a₄·x⁴+1；

3)将锚头投入使用；锚头服役期间，通过分布式光纤应变传感器实时监测锚杯内不同锚固深度位置的应变数据；将实时监测到的应变数据实时拟合为如下的监测应力分布函数：

σ_x'＝σ₀'(a₁'·x+a₂'·x²+a₃'·x³+a₄'·x⁴+1)

其中，σ₀'为服役期间监测到的锚头起始端位置处钢丝所受的轴向应力，σ_x'为服役期间监测到的锚固深度x处钢丝所受轴向应力，a₁'、a₂'、a₃'、a₄'为当前应力衰减系数；根据分布式光纤应变传感器检测到的对应不同锚固深度的多组σ_x'和x，求解出σ₀'、a₁'、a₂'、a₃'、a₄'，获得当前应力衰变函数f'(x)：

f'(x)＝(a₁'·x+a₂'·x²+a₃'·x³+a₄'·x⁴+1)；

4)根据下式计算出锚头健康度A：

其中，h为分布式光纤应变传感器监测范围内锚固深度的最大值；

将A与一报警阈值T₀进行比较，若A>T₀，则说明锚头已存在隐患；T₀由仿真试验和理论计算获得。

Claims (1)

1.一种基于光纤分布式测量的斜拉索锚头性能衰退状态监测方法，所述斜拉索锚头由锚杯、分丝板、多根钢丝和环氧砂浆填料组成，分丝板固定在锚杯的底部，分丝板上设置有多个预留孔，钢丝的内端穿过分丝板上的预留孔后墩头固定，多根钢丝与多个预留孔一一对应，锚杯内钢丝周围的区域由环氧砂浆填料填充；其特征在于：所述斜拉索锚头性能衰退状态监测方法包括：

1)在分丝板上的实心部分预制多个植入孔；锚头制作过程中，在灌注环氧砂浆填料之前，在每个植入孔内均植入一根细条状的分布式光纤应变传感器，分布式光纤应变传感器的轴向与钢丝轴向平行，分布式光纤应变传感器的端头延伸至锚杯深处，分布式光纤应变传感器的尾纤置于分丝板外，然后灌注环氧砂浆填料，环氧砂浆填料将分布式光纤应变传感器和钢丝包裹在内与锚杯一起形成整体结构；

2)锚头制作好后，在安装之前，对锚头进行超张拉试验；试验过程中，通过分布式光纤应变传感器获取锚杯内不同深度位置的应变数据；将获得的多个应变数据拟合为如下的初始应力分布函数：

σ_x＝σ₀(a₁·x+a₂·x²+a₃·x³+a₄·x⁴+1)

其中，x为锚头起始端至分布式光纤应变传感器上某一应变监测点的轴向距离，所述锚头起始端为锚头上与分丝板相对的那一端，x简记为锚固深度，σ₀为超张拉过程中检测到的锚头起始端位置处钢丝所受的轴向应力，σ_x为锚固深度为x处钢丝所受轴向应力，a₁、a₂、a₃、a₄为初始应力衰减系数；根据分布式光纤应变传感器检测到的对应不同锚固深度的多组σ_x和x，按初始应力分布函数求解出σ₀、a₁、a₂、a₃、a₄：获得初始应力衰变函数f(x)：

f(x)＝a₁·x+a₂·x²+a₃·x³+a₄·x⁴+1；

3)将锚头投入使用；锚头服役期间，通过分布式光纤应变传感器实时监测锚杯内不同锚固深度位置的应变数据；将实时监测到的应变数据实时拟合为如下的监测应力分布函数：

σ_x'＝σ₀'(a₁'·x+a₂'·x²+a₃'·x³+a₄'·x⁴+1)

其中，σ₀'为服役期间监测到的锚头起始端位置处钢丝所受的轴向应力，σ_x'为服役期间监测到的锚固深度x处钢丝所受轴向应力，a₁'、a₂'、a₃'、a₄'为当前应力衰减系数；根据分布式光纤应变传感器检测到的对应不同锚固深度的多组σ_x'和x，求解出σ₀'、a₁'、a₂'、a₃'、a₄'，获得当前应力衰变函数f'(x)：

f'(x)＝a₁'·x+a₂'·x²+a₃'·x³+a₄'·x⁴+1；

4)根据下式计算出锚头健康度A：

其中，h为分布式光纤应变传感器监测范围内锚固深度的最大值；

将A与一报警阈值T₀进行比较，若A>T₀，则说明锚头已存在隐患；T₀由仿真试验和理论计算获得。