CN107024306A - 一种监测复杂荷载作用的智能螺栓及方法 - Google Patents

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Abstract

一种监测复杂荷载作用的智能螺栓及方法，属于光纤传感技术领域。所述的智能螺栓包括螺栓杆轴、通孔和光纤，螺栓杆轴的轴截面中心以及轴截面中心与轴截面径向互成120°角的位置设有通孔，共4个通孔，通孔的直径为1.5mm；互成120°的3个通孔到轴截面中心的距离相等，且都为螺栓杆轴截面半径的二分之一，在通孔全长范围粘贴固定光纤。在螺栓轴心以及径向夹角为120°的3个贯通孔内安装光纤，通过测量的应变分布确定杆轴最大应变截面，基于该截面上轴心应变和径向3个点的应变得到截面的最大应变，继而判断截面的安全状况。本发明能够实现螺栓复杂应力状况下的实时监测，具有测量精度高，长期稳定性好，结构简的优点。

Description

一种监测复杂荷载作用的智能螺栓及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及到一种监测复杂荷载作用的智能螺栓及方法。
背景技术
随着高强度钢材在建筑和桥梁工程中的推广应用，连接破坏已经成为影响钢结构安全的主要因素。作为各种工程结构和机械设备关键构件连接处的螺栓的性能稳定性也越发受到重视。实际工程中，螺栓的破坏普遍是由于螺栓杆轴截面边缘产生的拉应力超过极限应力导致的。这是由于构件上的弯矩、剪力以及轴力传递到螺栓上，使螺栓产生较大的弯曲变形，最终使螺栓超过其自身的承载能力而失效。因此监测螺栓在复杂应力状态下的应力状态，对于钢结构的安全具有重大意义。但由于某些构件的特殊性或位置的特殊性，很难监测螺栓自身在复杂应力工作状态下的安全性能。目前，我国关于螺栓应力的监测与测量的研究主要是针对螺栓轴向应力，对于螺栓复杂应力状态下的监测鲜有涉及。现有的关于螺栓受力监测的专利CN104964713A能够测量螺栓轴心的拉压应变，但是这种测量方法只适用于螺栓受轴向荷载作用的情况。在弯矩做用下，螺栓轴心是螺栓截面应力最小的位置，在螺栓轴心安装传感器无法测量这种情况下的应力、应变。因此有需要研究一种能够实现复杂荷载作用下的螺栓应力监测的方法。
光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀，长期工作稳定性好，传输距离远等诸多优点。近年来已经在建筑、桥梁等领域安全监测中成功应用。为了实现螺栓剪切应力的监测，本发明基于一种分布式应变测量技术，其基本原理是：背向瑞利散射的光谱响应变化主要受应变和温度的影响，光纤中任意区域瑞利散射的变化会导致该区域对应的背向散射光谱的变化，这些变化可以被标定，并将其转化为温变和应变。可将光纤中每段区域看作一个传感器，整条光纤可当作一个个传感器的连续组合。该分布式光纤传感系统所采用的可调谐波长干涉技术，使得分布式温度和应变的测量可在几十长的标准光纤上具有毫米级别的空间分辨率，应变和温度的测试精度可达到1微应变和0.1℃。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监测复杂荷载作用的智能螺栓及方法。
本发明的技术方案：
一种监测复杂荷载作用的智能螺栓，包括螺栓杆轴、通孔和光纤，螺栓杆轴的轴截面中心以及轴截面中心与轴截面径向互成120°角的位置设有通孔，共4个通孔，通孔的直径为1.5mm；互成120°的3个通孔到轴截面中心的距离相等，且都为螺栓杆轴截面半径的二分之一，在通孔全长范围粘贴固定光纤。
一种监测智能螺栓复杂荷载作用的方法，包括以下步骤：
(1)基于分布式光纤应变测量系统，测得螺栓杆轴截面中心处以及与截面径向互成120°角的3个通孔位置处沿螺栓杆轴全长的应变分布；
(2)通过螺栓杆轴轴向的应变分布，确定螺栓杆轴轴向应变最大的截面；
(3)对于轴向应变最大的截面， 分别为该截面最大的压应变和拉应变；
其中，ε0、ε1、ε2、ε3分别为螺栓杆轴截面中心处、与截面径向互成120°角的3个通孔位置处通孔内光纤测量到的应变值；
(4)通过最大拉应变、压应变判断出最危险截面的应力、应变是否超出材料的极限强度。
本发明的有益效果：该智能螺栓能够实现螺栓自身在复杂应力状况下的实时监测，具有测量精度高，长期稳定性好，结构简的优点。
附图说明
图1是螺栓杆轴截面上光纤位置图。
图中：1螺栓杆轴；2通孔；3光纤。
具体实施方式
以下结合技术方案和说明书附图详细叙述本发明的具体实施方式：
一种监测复杂荷载作用的智能螺栓及监测方法，如附图1所示，在螺栓杆轴1的中轴线打1个通孔；在截面半径的1/2位置处打3个通孔，相邻两个通孔与圆心连线的夹角为120°。为避免通孔径过大影响到螺栓的承载力，通孔孔径为1.5mm。
将光纤穿插到通孔内，在预拉伸的状态下，用胶粘剂将光纤粘贴在所述通孔的中心位置，并且确保光纤沿螺栓杆轴全长粘贴。所述的胶粘剂为环氧树脂或者丙烯酸酯类胶。
将螺栓杆轴的轴截面中心以及轴截面中心与轴截面径向互成120°角的三个位置光纤分别编号为0#、1#、2#、3#。通过分布式光纤应变测量系统测量0#、1#、2#、3#号光纤位置处沿螺栓杆轴轴向的应变分布，基于螺栓杆轴向的应变分布确定螺栓杆轴应变最大的截面。
对应变最大的截面进行分析，得到该截面的最大压应变和最大拉应变分别等于其中ε0、ε1、ε2、ε3分别为0#、1#、2#、3#通孔内光纤测量的应变，利用最大应变就可以评价螺栓的应力状态和安全状况。

Claims (2)

1.一种监测复杂荷载作用的智能螺栓，其特征在于，包括螺栓杆轴、通孔和光纤，螺栓杆轴的轴截面中心以及轴截面中心与轴截面径向互成120°角的位置设有通孔，共4个通孔，通孔的直径为1.5mm；互成120°的3个通孔到轴截面中心的距离相等，且都为螺栓杆轴截面半径的二分之一，在通孔全长范围粘贴固定光纤。
2.权利要求1所述的一种监测复杂荷载作用的智能螺栓的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)基于分布式光纤应变测量系统，测得螺栓杆轴截面中心处以及与截面径向互成120°角的3个通孔位置处沿螺栓杆轴全长的应变分布；
(2)通过螺栓杆轴轴向的应变分布，确定螺栓杆轴轴向应变最大的截面；
(3)对于轴向应变最大的截面， 分别为该截面最大的压应变和拉应变；
其中，ε0、ε1、ε2、ε3分别为螺栓杆轴截面中心处、与截面径向互成120°角的3个通孔位置处通孔内光纤测量到的应变值；
(4)通过最大拉应变、压应变判断出最危险截面的应力、应变是否超出材料的极限强度。
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