CN106767479A - 一种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索 - Google Patents

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郑欢
杨樟成
桑卫兵
葛辉良
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Abstract

本发明公开了一种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，包括多根拉索钢绞线和至少一根应变铠装光缆，拉索钢绞线和应变铠装光缆截面直径相同，其中应变铠装光缆包括钢丝、紧包光纤和护套，护套内有多根钢丝，钢丝的模量与拉索钢绞线模量相同；护套中间为紧包光纤并通过钢丝绕制构成钢丝铠装结构，用于实现分布式光纤应变传感的功能。本发明将分布式光纤测应变技术和传统的斜拉索钢绞线技术相结合，从而解决斜拉索健康。通过对光缆进行钢丝铠装，可以有效的保护光纤，提高光缆的抗拉和抗压强度，而且具有良好的柔韧性。同时在对铠装钢丝进行PE护套挤压保护，可以提高光缆的防水和防腐蚀能力，提高光缆的长期稳定性。

Description

一种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索
技术领域
本发明涉及光缆领域和桥梁拉索健康监测技术领域，尤其涉及一种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索。
背景技术
近年来，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDA)得到广泛的应用，利用受激布里渊散射效应，测量背向散射的斯托克斯光的频率信息，其频移量满足：
f＝2nv/λ
其中，n为光纤的折射率，v为光纤中的声速，λ为激光脉冲的波长。
由于声速v与光纤的应变和温度有关，故可以将光纤制作成光缆与被测物粘贴，利用光纤中的布里渊频移量间接测量被测物所受的形变和温度，因此能够实现应变或温度测量的传感光缆是基于布里渊散射的分布式光纤传感的一项核心部分。
另外桥梁结构健康监测也是未来土木工程的重点发展方向，目前桥梁拉索的安全监测主要是采用点式传感器，振弦式或者应变片。传统的点式电学传感器仅能监测桥梁斜拉索局部某一位置点的应变信息，不能完整的反应整根拉索的受力情况，而且，而且传统的电学传感器体积大，难安装，抗电磁干扰能力差，耐久性差。之前也有相关专利欧进萍、张志春、周智等人将钢绞线内嵌FRP中研制开发纤维增强塑料-钢绞线复合筋(ZL200610009936.6)，提高了材料的模量和强度，但是其自身不能感知自身的受力状态或相应结构的受力状态。欧进萍、周智等人基于FRP封装技术研制开发了系列光纤光栅FRP复合智能筋(CN1208653C)和光纤智能结构，如光纤光栅智能锚头、光纤光栅智能钢绞线、光纤光栅智能拉索等，并在许多工程中得到了很好的应用。但是，作为结构材料的智能FRP依然具有模量低、强度低的致命弱点。另外何建平、周智等人有专利CN102146713A将钢绞线、光纤或光纤光栅置于FRP中，通过挤压成型工艺构成一体，其中钢绞线置于FRP筋中间，此种结构虽然使得拉索有较高的抗拉模量，但是弯曲性不高，易折断，而且FRP筋不能跟其他钢绞线组合使用，所以只能用于较细的吊杆、拉索，局限性打应用范围小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，是一种用于能够实时反映桥梁建康信息的智能拉索，该智能拉索抗拉强度高、抗弯曲强度高、模量大并具备传感功能于一身。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，包括多根拉索钢绞线和至少一根应变铠装光缆，拉索钢绞线和应变铠装光缆截面直径相同，其中应变铠装光缆包括钢丝、紧包光纤和护套，护套内有多根钢丝，钢丝的模量与拉索钢绞线模量相同；护套中间为紧包光纤并通过钢丝绕制构成钢丝铠装结构，用于实现分布式光纤应变传感的功能。
更进一步的，所述的应变铠装光缆置于拉索钢绞线的中间位置，或者边缘其中的一根。
更进一步的，所述紧包光纤为0.9mm的普通单模光纤，6根0.9mm的钢丝以一定的螺距在绕制在0.9mm的普通单模光纤周围，并采用PE封装形成5mm应变铠装光缆。
本发明的有益效果为：
1.对0.9mm光纤进行钢丝铠装保护，并进行PE封装保护，具备良好的机械特性，抗拉、抗压、抗弯曲特性，并且应变传递性好；
2.铠装光缆的尺寸为5mm，与钢绞线钢丝的直径相同，并且光缆的模量与钢丝相近，可以在不影响拉索自身的结构特性和外形尺寸情况下，方便拉索的安装和使用；
3.可以采用2根或两根以上的铠装光缆替代拉索的钢丝，为分布式光纤应变传感提供了冗余备份。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例1：如图1所示，这种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，包括6根拉索钢绞线1和1根应变铠装光缆，所述的应变铠装光缆置于拉索钢绞线1的中间位置。拉索钢绞线1和应变铠装光缆截面直径相同，其中应变铠装光缆包括钢丝2、紧包光纤3和护套4，护套4内有6根直径0.9mm的钢丝2，钢丝2的模量与拉索钢绞线1模量相同，具有良好的抗拉性，抗压性，而且弯曲性能好。护套4中间为直径0.9mm的紧包光纤3并通过钢丝2绕制构成钢丝铠装结构，用于实现分布式光纤应变传感的功能。通过钢丝铠装PE护套封装的光缆，可以良好的匹配原来的钢绞线，在不影响原来拉索尺寸结构、物理特性的情况下，可以让拉索自身具备应变传感功能。
所述紧包光纤3为0.9mm的普通单模光纤(应变传感光纤)，6根0.9mm的钢丝2以一定的螺距在绕制在0.9mm的普通单模光纤周围，并采用PE封装形成5mm应变铠装光缆。直径为5mm应变铠装光缆的护套为PE结构，PE材料具有良好的长期稳定性，防腐蚀，防高温，防水等特性。
本发明将分布式光纤测应变技术和传统的斜拉索钢绞线技术相结合，从而解决斜拉索健康。通过对光缆进行钢丝铠装，可以有效的保护光纤，提高光缆的抗拉和抗压强度，而且具有良好的柔韧性。同时在对铠装钢丝进行PE护套挤压保护，可以提高光缆的防水和防腐蚀能力，提高光缆的长期稳定性。
分布式铠装光缆采用热挤塑工艺制成，首先将0.9mm的紧抱光纤与6根0.9mm的钢丝置于光缆生产线上，让光纤置于钢丝中间。然后同步拉伸光纤和钢丝，并将钢丝以一定的螺距绕制在光纤周围。绕制完成后进入PE护套挤塑区，通过对PE粒子加热，将光纤通过磨具孔挤塑成直径5mm的光缆，然后进入水冷却区。
冷却后的光缆与同直径的六根钢丝在钢绞线生产线上相互绕制，将光缆置于六根钢丝中间位置，一同送入环氧漆喷雾室，经过环氧漆喷漆后粘接固定在一起形成智能钢绞线。
该智能拉索测量应变的公式如下：
Δν1＝CtΔt+CεΔε
Δν2＝CtΔt
其中Δv1为拉索测量得到的布里渊频移量，CT和Cε为布里渊温度频移系数和应变频移系数，Δv2为温度补偿光缆的布里渊频移量
该智能拉索使用时，可以配合温度补偿光缆使用，通过温度补偿光缆补偿掉。
智能拉索使用过程中，首先将拉索周围的环氧漆除去，将钢丝分离开，然后将光缆周围的钢丝切割掉，留出0.5m长的光以便熔接使用，切割时要注意以免把光缆切断。预留出的光缆首先将外护套PE用光缆剥线钳剥除，然后把细钢丝松开，剪去钢丝剩下后，剩下的光纤可以制作跳线引入解调仪。
该结构的分布式光纤传感器可采用BOTDR、BOTDA、ROTDR以及OTDR等分布式光纤传感技术进行解调，是用于桥梁斜拉索应变、温度分布式监测。具有耦合性好、灵敏度高、安装便利、分布式监测等特点。
实施例2：如图2所示，这种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，包括6根拉索钢绞线1和2根应变铠装光缆，1根应变铠装光缆置于拉索钢绞线1的中间位置，另1根置于拉索钢绞线1的边缘位置(周围六根其中的一根)；采用2根应变铠装光缆替代拉索的钢丝，为分布式光纤应变传感提供了冗余备份。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，其特征在于：包括多根拉索钢绞线(1)和至少一根应变铠装光缆，拉索钢绞线(1)和应变铠装光缆截面直径相同，其中应变铠装光缆包括钢丝(2)、紧包光纤(3)和护套(4)，护套(4)内有多根钢丝(2)，钢丝(2)的模量与拉索钢绞线(1)模量相同；护套(4)中间为紧包光纤(3)并通过钢丝(2)绕制构成钢丝铠装结构，用于实现分布式光纤应变传感的功能。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，其特征在于：所述的应变铠装光缆置于拉索钢绞线(1)的中间位置，或者边缘其中的一根。
3.根据权利要求1所述的用于桥梁分布式光纤应变监测的智能拉索，其特征在于：所述紧包光纤(3)为0.9mm的普通单模光纤，6根0.9mm的钢丝(2)以一定的螺距在绕制在0.9mm的普通单模光纤周围，并采用PE封装形成5mm应变铠装光缆。
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