CN106405762A - 一种可分布式测量的智能钢绞线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可分布式测量的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝，所述中心丝包括金属管，所述金属管内设有光纤，所述金属管内设的光纤为两根以上的偶数根光纤，所述光纤位于所述金属管外的端部连接；所述光纤外套有塑料松套管，所述塑料松套管与所述金属管之间设有填充物，所述光纤和填充物上涂覆有粘结剂，使所述光纤和填充物通过粘结剂与所述金属管粘结形成整体。本发明的中心丝外套装的金属管力学性能良好，造价低廉，屈服性较好，有更好的抗剪性能，且弹性模量与钢绞线边丝差异不大，可在使用中更好的协调受力变形，不易发生脱丝现象，增加智能钢绞线的使用寿命。同时本发明可同时测量温度和应变，提高了中心丝的智能化。
Description
技术领域
本发明涉及钢绞线技术领域，具体涉及一种可分布式测量的智能钢绞线。
背景技术
钢绞线是由多根钢丝捻制而成的单股钢丝绳，因其强度高、柔性好等特性，广泛用于混凝土预应力筋、桥梁拉索、岩土锚索等建筑工程结构之中，是主要的受力构件。钢绞线容易受到周围环境的影响，发生腐蚀生锈，预应力损失，进而影响其工作性能，对建筑物的正常使用和安全运营产生负面影响。所以，对钢绞线的工作状态进行长期实时的监测，掌握钢绞线的应力状态，保障钢绞线的使用安全，是预应力技术的发展重点。
近年来，一种可以监测预应力钢绞线应力状态的智能钢绞线技术受到研究人员们的广泛重视和研究，并开始逐步应用于实际工程之中。该技术的原理是用以纤维增强光纤光栅复合筋(FRP-OFBG)为代表的新型复合材料替换普通钢绞线的中丝，运用光学仪器对光纤信号进行解调，以达到检测钢绞线受力状态的目的。但FRP筋的力学性能和钢筋差异较大，横向抗剪切能力差，没有明显屈服特征，弹性模量一般小于钢材，如果技术处理不到位，智能钢绞线还容易发生脱丝现象。
公开号为CN101210983A的中国专利公开了光纤光栅智能钢绞线及其制作方法，该发明中的中心丝是含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋；该智能筋包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光纤外套有塑料松套管，该塑料松套管隔离光纤与纤维增强筋相连结，光纤光栅传感器传输光纤从钢绞线端部引出；其制作方法是首先制作光纤光栅纤维增强复合智能筋，再将与智能筋等长度的钢绞线机械打散，并用光纤光栅纤维增强复合智能筋替换钢绞线的中心丝，重新扭绞粘胶成型。但该发明的中心丝未采用套管套住，在生产制作过程中还需要通过模子，加温固化，完成整个过程需要一成套装置，制作过程复杂、成本高。此外，该发明同根光纤只能串接20个数量内的光纤光栅传感器，未能形成分布式的任意位置的测量。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种可分布式测量的智能钢绞线，该智能钢绞线内的中心丝只需利用金属管即可成型，制作过程简单。金属管不仅能保护内部裸光纤，使其能很好的传输光信号，同时还能很好的与钢绞线边丝协调受力变形，不易发生脱丝现象，且本身具有很好的力学性能。由该中心丝构成的智能钢绞线，能很好解决受力性能欠缺和脱丝的问题，满足钢绞线的长久使用和分布式应力监测两大功能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可分布式测量的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝，所述中心丝包括金属管，所述金属管内设有偶数根光纤，所述光纤位于所述金属管外的端部连接，以形成布里渊测量回路，每一所述光纤外套有塑料松套管，所述塑料松套管的直径小于所述金属管的直径，所述光纤与所述金属管之间设有填充物，所述光纤、塑料松套管和填充物通过粘结剂与所述金属管粘结形成整体。
进一步地，所述金属管内的光纤外间隔和/或全长套有塑料松套管，以形成光纤应变传感器和/或光纤温度传感器。其中光纤温度传感器，是采用全长范围外套有塑料松套管以隔离粘结作用，使其能自由伸缩形成，光纤应变传感器是间隔外套塑料松套管，使光纤与筋同步变形。两种可同设在一根绞线内或分别位于不同绞线内。所述塑料松套管的目的是引出尾纤；未套设塑料松套管的裸露部分裸露的目的是使光纤与中心丝粘结。
进一步地，所述金属管为不锈钢管或铜管。
进一步地，所述填充物为混杂纤维或混杂纤维/粒子混合物。
进一步地，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，所述混杂纤维/粒子混合物为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与玻璃微珠的混合物或碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物。
进一步地，所述混杂纤维/粒子混合物的制备过程为先将混杂纤维进行表面改性，改性后的混杂纤维与粒子混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。
进一步地，所述混杂纤维/粒子混合物中混杂纤维与粒子的质量比为6-10:1。
进一步地，所述粘结剂为环氧树脂。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.该光纤智能钢绞线将布里渊测量原理光纤与高强钢绞线钢丝相结合，能有效的保护光纤和光纤传感器，实现分布式测量，较好地解决了将光纤传感器布设于普通钢绞线中的防护问题和布设工艺问题；
2、该中心丝外套由金属管构成，该金属管套力学性能良好，和一般的FRP筋相比，生产简单，造价低廉，屈服性较好，有更好的抗剪性能，且弹性模量与钢绞线边丝差异不大，可在使用中更好的协调受力变形，从而提高光纤传感器的测量精度，且不易发生脱丝现象，增加智能钢绞线的使用寿命；由于采用了金属管将金属管中心丝成型，因此，本发明采用该金属管中心丝扭绞成钢绞线时，直接将该金属管中心丝与边丝扭绞成钢绞线即可，无需再另设模子固定金属管中心丝，省略了后续加温固化的步骤，制作过程简单、成本低。
3、光纤可形成光纤温度传感器和光纤应变传感器，可同时分布式测量温度和应变，并实现长距离分布式测量，提高了中心丝的监测功能，智能化提高；
4、光纤与混杂纤维丝/粒子混合物同时拉入金属管内，拉挤入管内时粘结环氧树脂，和金属管固化后形成整体。采用纤维与粒子结合形成的混杂纤维丝/粒子混合物，能保证光纤与金属管具有良好的整体性，不会产生空隙和脱落现象，使光纤与整个智能钢绞线能协调变形，有利于提高测量精度，且增强了中心丝的压缩强度、弹性模量以及稳定性。同时，混杂纤维/粒子混合物和粘结的环氧树脂能很好的保护内部光纤不被外界环境腐蚀，保障光纤的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种可分布式测量的智能钢绞线的结构示意图；
图2为本发明实施例1一种可分布式测量的智能钢绞线内中心丝的结构示意图；
图3为本发明实施例2一种可分布式测量的智能钢绞线内中心丝的结构示意图；
图4为本发明实施例3一种可分布式测量的智能钢绞线内中心丝的结构示意图；
图5为本发明实施例4一种可分布式测量的智能钢绞线内中心丝的结构示意图。
图中，1-金属管，2-光纤，3-塑料松套管，4-填充物，5-边丝。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细描述，但不是对本发明的限定。
实施例1：
如图1和图2，一种可分布式测量的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝5，所述中心丝包括金属管1，所述金属管1内设有光纤2，所述光纤2外套设有塑料松套管3，所述塑料松套管3的直径小于所述金属管1的直径，所述光纤2与所述金属管1之间还填充有填充物4，所述光纤2、塑料松套管3和填充物4通过粘结剂与所述金属管1粘结形成整体。在本实施例中，所述粘结剂为环氧树脂。所述金属管1内设的光纤2为两根裸光纤，所述光纤位于金属管外的端部连接，以形成布里渊测量回路。其中，所述的边丝5为普通的高强钢丝。
本实施例中，为了使光纤与复合筋同步变形受力，塑料松套管3间隔套装，制成测量应变的光纤应变传感器。
本发明实施例中，所采用的金属管1为不锈钢管，当然其他实施例中还可采用其他材料做成的金属管，如铜管。
本发明实施例中，所述填充物4为混杂纤维/粒子混合物，即选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维组成的混杂纤维与玻璃微珠的混合物，其制备过程为先将碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，改性后的混杂纤维与玻璃微珠按质量比为10:1混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。
本发明实施例中所述的一种可分布式测量的智能钢绞线的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据钢绞线的制作长度，计算双裸光纤2的长度，金属管1内的两根光纤2的端部需在外部连接，与双接口分布式测量仪形成布里渊测试回路；
(2)根据钢绞线型号，计算所用金属管1的长度及直径；
(3)在光纤外套上塑料松套管3，再采用拖拉法将光纤2、塑料松套管3与填充物4一起牵拉，平行埋入金属管1内，埋入时利用粘结剂使所述光纤2、塑料松套管3和填充物4与所述金属管1粘结形成整体，以得到金属管中心丝；
(4)将与上述金属管中心丝等长度的钢绞线用机械打散，并用所得金属管中心丝替换钢绞线的原中心丝，与边丝重新扭绞成钢绞线，即可制成智能钢绞线。
当然，在其他实施例中，为了能同时测量温度和应变，可在金属管内形成多个回路，或分别布置在不同绞线内，形成应变测量中心丝(图2)和温度测量中心丝(图3)。
实施例2：
如图1和图3，一种可分布式测量的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝5，所述中心丝包括金属管1，所述金属管1内设有光纤2，所述光纤2外全长套设有塑料松套管3，所述塑料松套管3的直径小于所述金属管1的直径，所述光纤2与所述金属管1之间还填充有填充物4，所述光纤2、塑料松套管3和填充物4通过粘结剂与所述金属管1粘结形成整体。在本实施例中，所述粘结剂为环氧树脂。所述金属管1内设的光纤2为两根裸光纤，所述光纤位于金属管外的端部连接，以形成布里渊测量回路。其中，所述的边丝5为普通的高强钢丝。
在本实施例中，为了使光纤在内部自由伸缩变形，完全只受温度影响，将金属管内的光纤全长全部塑料松套管以隔离粘结作用，制成测量温度的光纤温度传感器。
本发明实施例中，所采用的金属管1为铜管，当然其他实施例中还可采用其他材料做成的金属管。
本发明实施例中，所述填充物4为混杂纤维，鸡选自选自碳纤维与玻璃纤维的混合物。
本发明实施例所述的一种智能钢绞线的制作方法包括如下步骤：
(1)根据钢绞线的制作长度，计算双裸光纤2的长度，金属管1内的两根光纤2的端部需在外部连接，与双接口分布式测量仪形成布里渊测试回路；
(2)根据钢绞线型号，计算所用金属管的长度及直径；
(3)在光纤外套上塑料松套管3，再采用拖拉法将光纤2、塑料松套管3与填充物4一起牵拉，平行埋入金属管1内，埋入时利用粘结剂使所述光纤2、塑料松套管3和填充物4与所述金属管1粘结形成整体，以得到金属管中心丝；
(4)将与上述金属管中心丝等长度的钢绞线用机械打散，并用所得金属管中心丝替换钢绞线的原中心丝，与边丝重新扭绞成钢绞线，即可制成智能钢绞线。
实施例3：
如图4，一种可分布式测量的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝5，所述中心丝包括金属管1，所述金属管1内设有光纤2，所述光纤2外套有塑料松套管3，所述塑料松套管3的直径小于所述金属管1的直径，所述光纤2与所述金属管1之间还填充有填充物4，所述光纤2、塑料松套管3和填充物4通过粘结剂与所述金属管1粘结形成整体。在本实施例中，所述粘结剂为环氧树脂。所述金属管1内设的光纤2为两根光纤，所述光纤位于金属管外的端部连接，以形成布里渊测量回路。本实施例中，为了使光纤2与中心丝同步变形受力，同时使光纤2在内部自由伸缩变形，完全只受温度影响，即可对智能中心丝同时测量应变和温度，其中一根光纤外的塑料松套管3为间隔套装，另一根光纤外的塑料松套管3为全长套装。即利用单个光纤回路，进行一次测量，就可测得应变和温度。
本发明实施例中，所采用的金属管1为不锈钢管，当然其他实施例中还可采用其他材料做成的金属管，如铜管。
本发明实施例中，所述填充物4为为混杂纤维/粒子混合物，即选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物，其制备过程为先将碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，改性后的混杂纤维与二氧化硅颗粒按质量比为6:1混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。
本发明实施例中一种可分布式测量的智能钢绞线的制作方法与实施例1相同，在此不再复述。
实施例4：
如图5，一种可分布式测量的智能钢绞线中心丝，包括金属管1，所述金属管1内设有光纤2，所述光纤2外间隔地套设有若干塑料松套管3，所述塑料松套管3的直径小于所述金属管1的直径，所述光纤2与所述金属管1之间还填充有填充物4，所述光纤2、塑料松套管3和填充物4通过粘结剂与所述金属管1粘结形成整体。在本实施例中，所述粘结剂为环氧树脂。所述金属管1内设的光纤2为四根裸光纤，所述光纤两两在金属管外部连接，以形成布里渊测量回路。
本发明实施例中填充物4为混杂纤维/粒子混合物，混杂纤维/粒子混合物中的混杂纤维与二氧化硅颗粒的质量比改为8:1外，其制备方法与实施例3相同。
本发明实施例中一种可分布式测量的智能钢绞线的制作方法与实施例1相同，在此不再复述。
可以理解，所述光纤2的数量不限于本发明的实施方式，只要是偶数根即可。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (8)
1.一种可分布式测量的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝，其特征在于，所述中心丝包括金属管，所述金属管内设有偶数根光纤，所述光纤位于所述金属管外的端部连接，以形成布里渊测量回路，每一所述光纤外套有塑料松套管，所述塑料松套管的直径小于所述金属管的直径，所述光纤与所述金属管之间设有填充物，所述光纤、塑料松套管和填充物通过粘结剂与所述金属管粘结形成整体。
2.根据权利要求1所述的可分布式测量的智能钢绞线，其特征在于，所述金属管内的光纤外间隔和/或全长套有塑料松套管。
3.根据权利要求1所述的可分布式测量的智能钢绞线，其特征在于，所述金属管为不锈钢管或铜管。
4.根据权利要求1所述的可分布式测量的的智能钢绞线，其特征在于，所述填充物为混杂纤维或混杂纤维/粒子混合物。
5.根据权利要求4所述的可分布式测量的智能钢绞线，其特征在于，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，所述混杂纤维/粒子混合物为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与玻璃微珠的混合物或碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物。
6.根据权利要求4所述的可分布式测量的智能钢绞线，其特征在于，所述混杂纤维/粒子混合物的制备过程为先将混杂纤维进行表面改性，改性后的混杂纤维与粒子混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。
7.根据权利要求4所述的可分布式测量的智能钢绞线，其特征在于，所述混杂纤维/粒子混合物中混杂纤维与粒子的质量比为6-10:1。
8.根据权利要求1所述的可分布式测量的智能钢绞线，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂。
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