CN107144387B - 一种平行钢丝桥梁智能悬索 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平行钢丝桥梁智能悬索，解决了现有技术中悬索的索体无法做到实时监测的缺陷，包括由多股钢丝平行设置而成的索体，索体内至少有两股钢丝的外周上设置有凹槽，并在凹槽内封闭式设置有光纤光栅应变传感器，设置光纤光栅应变传感器的钢丝在索体内呈竖向方向上分层布置。凹槽内封闭式埋入光纤光栅应变传感器，避免光纤光栅应变传感器暴露在钢丝外而出现挤破，能对光纤光栅进行保护，光纤光栅应变传感器即可对索体实时进行监测，设置光纤光栅应变传感器的钢丝在索体内竖向分层布置，处于上层的光纤光栅应变传感器的监测结果与处于下层的光纤光栅应变传感器的监测结果的差异可以计算出悬垂的影响。

Description

一种平行钢丝桥梁智能悬索

技术领域

本发明涉及一种悬索结构，尤其是一种平行钢丝桥梁智能悬索。

背景技术

悬索，在两个悬挂点之间承受载荷的缆索。悬索中各点只能承受张力，且各点的张力都是沿该点悬索的切线方向。

由于悬索的优点是其中各点只承受张力而无弯矩，受力分析比较简单，因而设计简便可靠且能充分发挥钢材性能，以达到节省材料、减轻重量的经济效果。索系悬挂结构在现代已较广泛地被采用于某些大跨度的建筑结构中。例如悬索桥。

悬索桥，又名吊桥(suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的悬索作为上部结构主要承重构件的桥梁。其悬索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，因此对悬索的监控是桥梁施工和维护过程中保持其使用寿命和使用安全的重要工作。

悬索的索体是采用多跟钢丝相互平行捆扎并包覆外套而成，其实际受力是内部的钢丝来实现。目前，常用的监测方法有：压力环监测方法、磁通量传感器监测方法、液压传感器监测方法。但是对拉索系统的受力监测是一项需长期测量并实时监测的工作，需要考虑监测器件的耐久性、存活率和稳定性。现有的监测器件大都属于锚具外加件，成本较高，安装后体积增大。

还有一种监测方法是在索体内编入光纤传感器，将光纤传感器编入于钢丝之间的间隙处，但是这种方式在使用的时候，光纤容易被钢绞线或钢丝挤破，影响光纤的工作性能。

随着技术的发展，钢丝外表加工凹槽，将光纤光栅粘贴到凹槽壁，然后填充保护层。这种方式虽然能提高光纤光栅在钢丝中的布设成活率及使用寿命，但是，索体的受力过程中会吸收钢丝的应变、降低应变测量的灵敏度。因此对光纤光栅的安装提出了新的要求。

而且光纤光栅的测量应变最大值远达不到钢丝屈服应变值，前期能获得较佳的监测结果，但是无法实现对钢丝服役期全寿命过程的监测，因此又对光纤光栅与钢丝之间的结合提出新的要求。

悬索虽然承受拉力，但是由于其作用的形状呈抛物线，因此在竖向上会产生悬垂的特性，现有的监测方法无法对悬索的悬垂进行监测。

发明内容

本发明解决了现有技术中悬索的索体无法做到实时监测的缺陷，提供一种平行钢丝桥梁智能悬索，钢丝内设置凹槽，凹槽内设置光纤光栅，实现斜拉索实时监测，同时还能对光纤光栅进行保护。

本发明还解决了现有的监测方法不能对悬索的悬垂作出监测的缺陷，提供一种平行钢丝桥梁智能悬索，通过悬索内部的层级监测布置方式，经过不同层级的监测结果比较，从而对悬索的悬垂方向上的力的变化作出监测。

本发明还解决了现有的光纤光栅粘贴到凹槽内壁，索体的受力过程中会降低应变测量的灵敏度的缺陷，提供一种平行钢丝桥梁智能悬索，光纤光栅与凹槽内壁隔离不直接粘贴，进而降低钢丝受力过程中对应变测量灵敏度的影响。

本发明还解决了现有的光纤光栅粘贴到凹槽内壁直接填充环氧树脂胶进行保护，环氧树脂胶的弹性模量较低，使得光纤光栅与钢丝之间会产生拉伸位移，保护力度较低的缺陷，提供一种平行钢丝桥梁智能悬索，环氧树脂胶填充时对钢丝进行预拉伸，钢丝自然回缩的时候对环氧树脂形成预压，挤出环氧树脂胶内部的气泡，同时提高环氧树脂胶的弹性模量，进而提高对光纤光栅的封装保护，也相应提高了光纤光栅的极限抗拉能力。

本发明还解决了现有的光纤光栅无法对温度变化做出反应，测量结构无法根据温度变化进行修正的缺陷，提供一种平行钢丝桥梁智能悬索，利用共线技术，光纤光栅与温度传感器并行同时设置与凹槽内，进行温度补偿。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平行钢丝桥梁智能悬索，包括由多股钢丝平行设置而成的索体，索体内至少有两股钢丝的外周上设置有凹槽，并在凹槽内封闭式设置有光纤光栅应变传感器，设置光纤光栅应变传感器的钢丝在索体内呈竖向方向上分层布置。凹槽内封闭式埋入光纤光栅应变传感器，避免光纤光栅应变传感器暴露在钢丝外而出现挤破，能对光纤光栅进行保护，光纤光栅应变传感器即可对索体实时进行监测；设置光纤光栅应变传感器的钢丝在索体内竖向分层布置，主要是由于索体施工后呈抛物线形状时，上方和下方的钢丝由于弯曲的弧度不同，会产生不同的拉力，也就是悬垂产生的拉力差异，分层布置后，处于上层的光纤光栅应变传感器的监测结果与处于下层的光纤光栅应变传感器的监测结果的差异可以计算出悬垂的影响，进而监测出悬索的实际受力情况。

作为优选，同一钢丝上的凹槽具有分布在钢丝外表且间隔180°的上直线段和下直线段，上直线段处于索体安装后朝上的位置，下直线段处于索体安装后朝下的位置，上直线段和下直线段在钢丝轴向上相错开。上直线段和下直线段按照索体安装后凹槽在钢丝表面的位置，同一钢丝上的上直线段和下直线段在轴向上间隔布置，沿着钢丝轴向分布一段上直线段、一段下直线段，再一段上直线段和一段下直线段，如此循环。索体安装后呈抛物线弯曲形状，相应的钢丝也呈抛物线，如果上直线段和下直线段是相互连通的、使用同一根光纤光栅应变传感器，则上直线段上的光栅和下直线段上的光栅就会产生一个综合效果，形成钢丝的应变；如果上直线段和下直线段相分离，所有上直线段连通使用一根光纤光栅应变传感器，所有下直线段连通使用一根光纤光栅应变传感器，则同一钢丝具有两个应变监测结果，两个结果的差异就可以得出该钢丝受到的悬垂影响。

作为优选，上直线段与下直线段之间通过半螺旋段连接，相邻两半螺旋段正好围合钢丝的外表。

作为优选，上直线段与半螺旋段之间、下直线段与半螺旋段之间为圆角过渡，夹角为90°至180°。

作为优选，光纤光栅应变传感器包括内部的光纤光栅及外表的保护层，上直线段和下直线段上均具有光栅分布。

作为优选，光纤光栅应变传感器与凹槽内壁之间由环氧树脂胶隔离，凹槽由环氧树脂胶填充并固定保护光纤光栅传感器。

作为优选，环氧树脂胶分两次填充，两次填充均是钢丝在预拉下进行；两次填充中，第一次以刷胶的方式涂覆到凹槽内壁，第二次是放置光纤光栅应变传感器后以填充的方式注入到凹槽内；环氧树脂胶在凹槽的口部位置呈凹弧状。两次填充环氧树脂胶即可对凹槽内壁做预处理，避免光纤光栅应变传感器直接与凹槽内壁相接触；填充在钢丝预拉下进行，这样填充后钢丝回缩，使得环氧树脂胶产生预压效果，预压后能挤出环氧树脂胶内部的气泡，从而提高环氧树脂胶的弹性模量，进而提高对光纤光栅的封装保护，也相应提高了光纤光栅的极限抗拉能力，使得工作时，光纤光栅应变传感器不受力或者受微小应力，避免产生疲劳破坏，提高疲劳寿命，实现对索体施工和服役全生命周期的监测；凹弧相对钢丝外周属于凹陷，这样外围钢丝就不会对凹槽内的环氧树脂胶产生挤压。

作为优选，凹槽的横截面呈矩形，凹槽两侧内壁间断设置有凸起的夹部；夹部的截面呈矩形，夹部的高度为凹槽深度的1/2。夹部的两端形成台阶，台阶能对环氧树脂胶的轴向起到阻挡作用，减小环氧树脂胶轴线产生的位移对光纤光栅应变传感器的影响。

作为优选，凹槽两侧内壁的夹部相对设置，两相对的夹部之间留出间隙，间隙的宽度大于光纤光栅应变传感器的外部厚度，凹槽同一侧内壁上的夹部之间间隔距离相等。

作为优选，索体内的钢丝至少分成三个层级，分别为上层、中层和下层，每一层级至少有一根钢丝外表封装有光纤光栅应变触感器。

作为优选，光纤光栅应变传感器内部共线并排平行设置有温度传感器。光纤光栅应变传感器共线温度传感器后，在索体使用环境温度变化较大时，能进行温度补偿，解决应力和温度交叉敏感问题。尤其是索体内部处于上层的钢丝内的光纤光栅应变传感器内部设置温度传感器。

本发明的有益效果是：凹槽内封闭式埋入光纤光栅应变传感器，避免光纤光栅应变传感器暴露在钢丝外而出现挤破，能对光纤光栅进行保护，光纤光栅应变传感器即可对索体实时进行监测；设置光纤光栅应变传感器的钢丝在索体内竖向分层布置，主要是由于索体施工后呈抛物线形状时，上方和下方的钢丝由于弯曲的弧度不同，会产生不同的拉力，也就是悬垂产生的拉力差异，分层布置后，处于上层的光纤光栅应变传感器的监测结果与处于下层的光纤光栅应变传感器的监测结果的差异可以计算出悬垂的影响，进而监测出悬索的实际受力情况。

附图说明

图1是本发明一种结构示意图；

图2是本发明图1中I的局部放大图；

图3是本发明一种钢丝结构示意图；

图4是本发明钢丝第二种局部放大示意图；

图中：1、外套，2、胶物，3、钢丝，4、凹槽，5、夹部，6、光纤光栅应变传感器，7、光纤光栅，8、环氧树脂胶，9、上直线段，10、半螺旋段，11、下直线段，12、温度传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：一种平行钢丝桥梁智能悬索（参见图1图2图3），包括由多股钢丝3平行设置而成的索体，钢丝外部包覆有外套1，外套内填充有胶物2。钢丝在索体内按照索体安装后的位置分为多层结构，本实施例中分为13层，其中第一层、第三层、第五层、第七层、第九层、第十一层和第十三层上均有钢丝的外表封闭式埋入光纤光栅应变传感器6，凹槽由环氧树脂胶8填充并封闭，光纤光栅应变传感器在索体竖向方向形成分层布置。

埋入光纤光栅应变传感器的钢丝的外周上设置有凹槽4，凹槽的横截面呈矩形，凹槽两侧内壁间断设置有凸起的夹部5，夹部的截面呈矩形，夹部的高度为凹槽深度的1/2，夹部的两端与凹槽内壁相垂直形成阻挡肩部，凹槽两侧内壁的夹部相对设置，两相对的夹部之间留出间隙，间隙的宽度大于光纤光栅应变传感器的外部厚度，凹槽同一侧内壁上的夹部之间间隔距离相等。同一钢丝上的凹槽具有分布在钢丝外表且间隔180°的上直线段9和下直线段11，上直线段处于索体安装后朝上的位置，下直线段处于索体安装后朝下的位置。上直线段与下直线段之间通过半螺旋段10连接，相邻两半螺旋段正好围合钢丝的外表。上直线段与半螺旋段之间、下直线段与半螺旋段之间为圆角过渡，夹角为122°。上直线段和下直线段内均设置有夹部。光纤光栅应变传感器包括内部的光纤光栅7及外表的保护层，上直线段和下直线段上均具有光栅分布。

光纤光栅应变传感器与凹槽内壁之间由环氧树脂胶隔离，凹槽由环氧树脂胶填充并固定保护光纤光栅传感器。环氧树脂胶分两次填充，两次填充均是钢丝在预拉下进行，两次填充中，第一次以刷胶的方式涂覆到凹槽内壁，涂覆的厚度为0.01mm，第二次是放置光纤光栅应变传感器后以填充的方式注入到凹槽内，环氧树脂胶在凹槽的口部位置呈凹弧状。钢丝预拉的持荷为0.3Pb，Pb为钢丝的极限承载力。光纤光栅传感器两端伸出到钢丝端部外。

实施例2：一种平行钢丝桥梁智能悬索（参见图4），与实施例1的不同之处在于：光纤光栅应变传感器内部共线并排平行设置有温度传感器12 ，光纤光栅应变传感器截面呈扁平状，设置入凹槽内时，光纤光栅处于夹部之间，温度传感器处于夹部外。其余结构参照实施例1。

以上所述的实施例只是本发明的两种较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于包括由多股钢丝平行设置而成的索体，索体内至少有两股钢丝的外周上设置有凹槽，并在凹槽内封闭式设置有光纤光栅应变传感器，设置光纤光栅应变传感器的钢丝在索体内呈竖向方向上分层布置；同一钢丝上的凹槽具有分布在钢丝外表且间隔180°的上直线段和下直线段，上直线段处于索体安装后朝上的位置，下直线段处于索体安装后朝下的位置，上直线段和下直线段在钢丝轴向上相错开；上直线段与下直线段之间通过半螺旋段连接，相邻两半螺旋段正好围合钢丝的外表。

2.根据权利要求1所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于上直线段与半螺旋段之间、下直线段与半螺旋段之间为圆角过渡，夹角为90°至180°。

3.根据权利要求1或2所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于光纤光栅应 变传感器包括内部的光纤光栅及外表的保护层，上直线段和下直线段上均具有光栅分布。

4.根据权利要求1所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于光纤光栅应变传感器与凹槽内壁之间由环氧树脂胶隔离，凹槽由环氧树脂胶填充并固定保护光纤光栅传感器。

5.根据权利要求4所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于环氧树脂胶分两次填充，两次填充均是钢丝在预拉下进行；两次填充中，第一次以刷胶的方式涂覆到凹槽内壁，第二次是放置光纤光栅应变传感器后以填充的方式注入到凹槽内；环氧树脂胶在凹槽的口部位置呈凹弧状。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于凹 槽的横截面呈矩形，凹槽两侧内壁间断设置有凸起的夹部；夹部的截面呈矩形，夹部的高度 为凹槽深度的1/2。

7.根据权利要求6所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于凹槽两侧内壁的夹部相对设置，两相对的夹部之间留出间隙，间隙的宽度大于光纤光栅应变传感器的外部厚度，凹槽同一侧内壁上的夹部之间间隔距离相等。

8.根据权利要求1或2或4或5所述的一种平行钢丝桥梁智能悬索，其特征在于 索体内的钢丝至少分成三个层级，分别为上层、中层和下层，每一层级至少有一根钢丝外表 封装有光纤光栅应变触感器。