CN108442251B - 基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法，监测钢索包括钢索、电源和电阻信号采集仪，其中，适用于新建桥梁的监测钢索中，各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一和第二锚杯固定于第一和第二导电锚定板上并由第一和第二导电锚定板联接为一导体，第一绝缘导线的一端穿过第一锚杯固定于第一导电锚定板上且其端部的线芯与第一导电锚定板联接为一导体、另一端穿过第二锚杯和第二导电锚定板经电阻信号采集仪与电源连接，第二导电锚定板通过第二绝缘导线与电源连接。适用于现役桥梁的监测钢索中，各钢丝或钢绞线的两端分别穿过锚杯固定于导电锚定板上并通过导电锚定板联接为一导体；各电锚定板通过第三绝缘导线连接电源和电阻信号采集仪。

Description

基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法
技术领域
本发明属于钢索服役状态监测领域，涉及基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法，适用于中承式或下承式拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆等。
背景技术
截止目前，中国桥梁总量已超过70万座。随着科学技术的进一步发展，大跨度桥梁所占比重将越来越大。大跨度桥梁常使用缆索承重体系，在现有的以索力检测和损伤监测为主的监测手段下，仍然时有拉索骤断毁桥的事故发生，造成了巨大的生命财产损失，如隶属于314国道的新疆孔雀河大桥，于2011年吊杆断裂，造成桥面坠毁，6人受伤。
经统计，大部分桥梁缆索的使用寿命在20年以下，按照我国《公路桥涵设计通用规范》的规定，公路桥涵设计基准期为100年，在桥梁基准期内至少要换索4～6次。按照目前“疑断则换”、“换则全换”的换索技术，换索费用将会非常高，如委内瑞拉的马拉开波桥，在通车20年后全桥换索，整个工程耗资5000万美元，历时10个月。
钢索作为桥梁的主要承重构件，为体外构件，长期处于高应力状态下，对外界侵害比较敏感，在环境和荷载双重作用下，会出现应力腐蚀、疲劳腐蚀等腐蚀破坏。由于环境条件及载荷的不确定性，对于整个拉吊索来说，不同位置处钢丝的腐蚀程度、应力状态各不相同，可能有的钢丝已经处于断丝状态，而有的钢丝则完好无损，仍能继续承载。这对于如何确定性的保证拉吊索的服役安全性提出了巨大的挑战。
对于拉索与吊索，无论采用哪种防护措施，都不可能完全避免拉吊索的钢丝发生锈蚀。国内外学者也做了很多相关研究，但经统计，现有技术中有关腐蚀及疲劳腐蚀的实验，均没有对腐蚀程度(即何为轻微腐蚀、一般腐蚀、严重腐蚀)进行量化的定义，也没有得到确定的剩余强度与腐蚀程度(对应于不同的截面削弱)之间的相关关系，因此如何衡量钢索的服役状态，仍然是目前需要解决的重要问题之一。
ZL201620590695.8公开了一种钢索损伤或断丝信号控制系统，该控制系统基于钢索导电原理，通过对钢索中每根钢丝或选定的若干表层钢丝进行电流采集，利用电流与钢丝断丝的关系，可以判断被监测的钢丝是否断丝。但该控制系统要求对钢索中的钢丝之间进行绝缘处理才能顺利实现检测，对所有钢丝进行绝缘处理，不但使得监测系统的构造复杂，而且会增加钢索制造处理工序，不易实现。该控制系统只能判断被监测的钢丝是否发生断丝，无法识别当钢丝部分锈蚀后出现截面削弱和强度下降问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法，以解决现有监测钢索无法识别钢丝部分锈蚀后出现截面削弱和强度下降的问题。
本发明提供的适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索、钢索防护套、电源，钢索由若干根钢丝或钢绞线组成，钢索位于钢索防护套中，还包括第一绝缘导线、第二绝缘导线和电阻信号采集仪；
各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯和第二锚杯固定于第一导电锚定板和第二导电锚定板上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板和第二导电锚定板联接为一导体，第一绝缘导线位于钢索中心，第一绝缘导线的一端穿过第一锚杯固定于第一导电锚定板上且第一绝缘导线端部的线芯与第一导电锚定板联接为一导体，第一绝缘导线的另一端穿过第二锚杯和第二导电锚定板经电阻信号采集仪与电源的一端连接，第二导电锚定板通过第二绝缘导线与电源的另一端连接；电源、电阻信号采集仪、第一绝缘导线、第二绝缘导线和钢索形成一个电学回路。
上述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，所述电阻信号采集仪为电阻测试仪或者智能电量测量仪。
上述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，第一锚杯和第二锚杯分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈；或者，第一导电锚定板与第一锚杯之间设有绝缘垫圈，第二导电锚定板和第二锚杯之间设有绝缘垫圈。
本发明还提供了一种适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索、钢索防护套、电源，钢索由若干根钢丝或钢绞线组成，钢索位于钢索防护套中，还包括第三绝缘导线和电阻信号采集仪，
各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯和第二锚杯固定于第一导电锚定板和第二导电锚定板上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板和第二导电锚定板联接为一导体；第一导电锚定板和第二导电锚定板通过第三绝缘导线连接电源和电阻信号采集仪；电源、电阻信号采集仪、第三绝缘导线和钢索形成一个电学回路。
上述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，所述电阻信号采集仪为电阻测试仪或者智能电量测量仪。
上述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，第一锚杯和第二锚杯分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈。
本发明还提供了一种钢索服役状态监测方法，该方法的步骤如下：
①在新建桥梁上采用上述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，或者是将现役桥梁上的钢索改造成上述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索；
②选用材质与监测钢索材质相同的钢索作为电阻测试钢索，对电阻测试钢索进行不同程度的截面削弱，测定钢索在不同截面削弱程度下对应的电阻值，计算电阻测试钢索相对于初始状态下的电阻变化率，确定钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系；
选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同的钢索作为剩余强度测试钢索，对剩余强度测试钢索进行不同程度的腐蚀，测定不同腐蚀程度的钢索的截面削弱程度和对应的剩余强度，确定钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系；
③监测步骤①中的监测钢索的电阻，计算相对于初始状态下的电阻变化率，根据电阻变化率确定监测钢索截面削弱程度，进而确定监测钢索的剩余强度，计算监测钢索的剩余承载力，将监测钢索的剩余承载力与桥梁钢索的设计索力相比较，即可得知钢索的服役状态。
上述钢索服役状态监测方法的步骤②中，引入钢索应力历史及锈蚀程度对电阻变化率的影响作为修正因素，来进一步提高钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系的准确性；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同且服役到期后的钢索进行电阻测试，即可确定钢索应力历史和锈蚀程度对电阻变化率的影响。
上述钢索服役状态监测方法的步骤②中，引入钢索应力历史和锈蚀程度对剩余强度的影响作为修正因素，来进一步提高钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系的准确性；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同且服役到期后的钢索进行强度测试，即可确定钢丝应力历史和锈蚀程度对剩余强度的影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供了适用于新建桥梁和现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，该监测钢索将整个钢索作为一个电阻应变片，采用电阻信号采集仪实时采集电阻信号，当钢索发生拉伸变形、腐蚀等均会造成钢索截面削弱，相应地，钢索的电阻就会发生变化，而钢索截面削弱与钢索的剩余强度密切相关，由钢索电阻变化—截面削弱—剩余强度的相关关系，根据钢索电阻变化情况可确定钢索的剩余强度，进而确定钢索的剩余承载力，将钢索的剩余承载力与设计索力比较，可确定钢索的服役状态，即钢索是处于正常服役状态、还是存在断索危险，从而确定是否需要换索。采用本发明的监测钢索可实现对每根钢索进行单独的实时监测，实现“损一换一”的目的，对在役桥梁和新建桥梁均适用，对于现行的“换则全换”的方法，有巨大的经济效益。
2.本发明提供的适用于新建桥梁和现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，不改变现行钢索的结构构造，只对其进行绝缘和导联处理，适应现行设计规范，相对于现有对钢索中所有钢丝都要进行绝缘处理的监测钢索而言，本发明提供的监测钢索的结构更简单，钢索制造处理工序基本不变，容易实现，有利于推广应用。
3.本发明还提供了一种钢索服役状态监测方法，该方法在新建桥梁上采用本发明所述适用于新建桥梁的监测钢索，或者将现役桥梁上的钢索改造为本发明所述的适用于现役桥梁的监测钢索，在建立钢索电阻变化与钢索截面削弱率之间的定量相关关系、钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系的基础之上，通过电阻信号采集仪实时采集电阻信号，根据钢索电阻变化情况可确定钢索的剩余承载力，将其与设计索力比较，可确定钢索的服役状态。本发明提供的方法可识别当钢丝部分锈蚀后出现截面削弱和强度下降，而且将整个钢索作为一个整体监测，与现有通过某些被监测钢丝是否发生断丝来判断是否需要换索的方式相比，可更加准确和科学地了解钢索的服役状态。
附图说明
图1是本发明所述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索的结构示意图。
图2是图1所示监测钢索的横截面图。
图3是图1所示监测钢索的非监测端的结构示意图。
图4是图1所示监测钢索的监测端的结构示意图。
图5是本发明所述适用于在役桥梁的基于电阻变化的监测钢索的结构示意图。
图6是图5所示监测钢索的一端的结构示意图。
图7是图5所示监测钢索的另一端的结构示意图。
图8是实施例3中测定电阻测试钢索不同截面削弱程度下对应的电阻值的装置照片。
图9是实施例3中拟合得到的钢索电阻变化率与钢索截面削弱率之间的定量相关关系曲线。
图中，1—钢索、2—钢索防护套、3—电源、4—钢丝、5—钢绞线、6—第一绝缘导线、7—第二绝缘导线、8—电阻信号采集仪、9—第一锚杯、10—第二锚杯、11—第一导电锚定板、12—第二导电锚定板、13—绝缘垫圈、14—第三绝缘导线、15—螺母、16—锚固剂。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明所述基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明的保护范围。
实施例1
本实施例中，提供适用于新建桥梁(冷铸墩头锚)的基于电阻变化的监测钢索，该监测钢索的结构示意图如图1所示，包括钢索1、钢索防护套2、电源3、第一绝缘导线6、第二绝缘导线7和电阻信号采集仪8，钢索由若干根钢丝4组成，钢索也可以由若干根钢绞线5组成，第一绝缘导线6位于钢索内部并代替钢索的中心钢丝，以防止出现刚度不对称的情况，钢索1位于钢索防护套2中；所述电阻信号采集仪8为RK2511N型直流低电阻测试仪，钢索防护套2为PE防护套，第一绝缘导线6和第二绝缘导线均为纯铜阻燃BV线单芯硬线，第一绝缘导线6的横截面积与钢索中的钢丝4的横截面积相等。
各钢丝的两端分别穿过第一锚杯9和第二锚杯10固定于第一导电锚定板11和第二导电锚定板12上，第一锚杯和第二锚杯中填充锚固剂环氧钢丸，第一导电锚定板11和第二导电锚定板12为钢锚定板，各钢丝的锚固端头分别与第一导电锚定板11和第二导电锚定板12焊接为一体，形成一个导体，第一绝缘导线6的一端穿过第一锚杯9固定于第一导电锚定板11上且第一绝缘导线6端部的线芯与第一导电锚定板11焊接为一体，形成一个导体，第一锚杯和第一导电锚定板所处的一端为监测钢索的非监测端，如图3所示。第一绝缘导线6的另一端穿过第二锚杯10和第二导电锚定板12经电阻信号采集仪8与电源3的一端连接，第二导电锚定板12通过第二绝缘导线7与电源3的另一端连接，电阻信号采集仪8和电源3设置在靠近第二锚杯的位置，第二锚杯、第二导电锚定板、电阻信号采集仪和电源所处的一端为监测钢索的监测端，如图4所示；电源3、电阻信号采集仪8、第一绝缘导线6、第二绝缘导线7和钢索1形成一个电学回路。第一锚杯9和第二锚杯10分别通过螺母15固定在桥梁结构主体上，在螺母15与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈13，绝缘垫圈13将监测钢索与桥梁结构主体之间绝缘，避免对电学信号产生不良干扰。
实施例2
本实施例中，提供适用于现役桥梁(冷铸墩头锚)的基于电阻变化的监测钢索，该监测钢索的结构示意图如图5所示，包括钢索1、钢索防护套2、电源3、第三绝缘导线14和电阻信号采集仪8，电阻信号采集仪8为智能电量测量仪，钢索1由若干根钢丝4组成，钢索也可以由若干根钢绞线5组成，所述钢索防护套2为PE防护套，第三绝缘导线14为纯铜阻燃BV线单芯硬线。
各钢丝的两端分别穿过第一锚杯9和第二锚杯10固定于第一导电锚定板11和第二导电锚定板12上，第一锚杯和第二锚杯中填充锚固剂16环氧钢丸，第一导电锚定板11和第二导电锚定板12为钢锚定板，各钢丝的锚固端头分别与第一导电锚定板11和第二导电锚定板焊接为一体，形成一个导体；第一导电锚定板11和第二导电锚定板12通过第三绝缘导线连接电源3和电阻信号采集仪8，如图6～7所示；电源3、电阻信号采集仪8、第三绝缘导线14和钢索1形成一个电学回路。第一锚杯9和第二锚杯10分别通过螺母15固定在桥梁结构主体上，在螺母15与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈13，绝缘垫圈13将监测钢索与桥梁结构主体之间绝缘，避免对电学信号产生不良干扰。
本实施例提供的适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索是对现有桥梁的钢索进行改造形成的，对于现役桥梁的钢索而言，不方便对钢索内部的钢丝进行替换，现役桥梁上的钢索内部的钢丝两端与锚定钢板连接和接触良好，三者联接成为一个导体，在钢索两端通过第三绝缘导线连接电源和电阻信号采集仪，使得电源、电阻信号采集仪、第三绝缘导线和钢索形成一个电学回路，再在螺母15与桥梁结构主体之间增加绝缘垫圈使监测钢索与桥梁结构主体之间绝缘即可。
实施例3
本实施例中，提供钢索服役状态监测方法，步骤如下：
①在新建桥梁上采用实施例1所述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索。
②选用材质与监测钢索材质相同的钢索作为电阻测试钢索，对电阻测试钢索进行不同程度的截面削弱，测定钢索在不同截面削弱程度下对应的电阻值，计算电阻测试钢索相对于初始状态下的电阻变化率，确定钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系。
针对确定钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系的问题，我们在结构实验室进行了相关实验，考虑到实验造价，本实验采用铁丝来替代钢丝作为示例，来说明钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系的确定方法。如图8所示，使用若干根铁丝组合作为电阻测试钢索，电阻测试钢索两端用导线连接电源和RK2511N型直流低电阻测试仪测试电阻，逐渐剪断电阻测试钢索中的铁丝并测试电阻，计算电阻测试钢索相对于初始状态下的电阻变化率，电阻变化率S＝(测试得到的电阻值-初始电阻值)/初始电阻值，截面削弱程度用截面削弱率表示，截面削弱率P＝剪断的铁丝的数量/初始铁丝的总量，以截面削弱率为横坐标、电阻变化率为纵坐标作图并进行曲线拟合，确定钢索电阻变化率与钢索截面削率之间的定量相关关系式为：S＝0.021+1.187P，相关系数r＝0.99356，拟合曲线如图9所示。
选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同钢索作为剩余强度测试钢索，对剩余强度测试钢索进行不同程度的腐蚀，测定不同腐蚀程度的钢索的截面削弱率和对应的剩余强度，确定钢索截面削弱率与剩余强度之间的定量相关关系。强度采用拉伸强度实验进行测试，遵循GB/T228.1—2010《金属材料拉伸实验第1部分：室温实验方法》。
③监测步骤①中的监测钢索的电阻，计算相对于初始状态下的电阻变化率，根据电阻变化率确定监测钢索截面削弱率，进而确定监测钢索的剩余强度，计算监测钢索的剩余承载力，将监测钢索的剩余承载力与桥梁钢索的设计索力相比较，即可得知钢索的服役状态，即钢索是处于正常服役状态、还是存在断索危险。

Claims (6)

1.一种钢索服役状态监测方法，其特征在于，步骤如下：
①在新建桥梁上采用适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，或者是将现役桥梁上的钢索改造成适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索；
所述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索（1）、钢索防护套（2）、电源（3），钢索（1）由若干根钢丝（4）或钢绞线（5）组成，钢索（1）位于钢索防护套（2）中，还包括第一绝缘导线（6）、第二绝缘导线（7）和电阻信号采集仪（8）；各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯（9）和第二锚杯（10）固定于第一导电锚定板（11）和第二导电锚定板（12）上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板（11）和第二导电锚定板（12）联接为一导体，第一绝缘导线（6）位于钢索中心，第一绝缘导线（6）的一端穿过第一锚杯（9）固定于第一导电锚定板（11）上且第一绝缘导线（6）端部的线芯与第一导电锚定板（11）联接为一导体，第一绝缘导线（6）的另一端穿过第二锚杯（10）和第二导电锚定板（12）经电阻信号采集仪（8）与电源（3）的一端连接，第二导电锚定板（12）通过第二绝缘导线（7）与电源（3）的另一端连接；电源（3）、电阻信号采集仪（8）、第一绝缘导线（6）、第二绝缘导线（7）和钢索（1）形成一个电学回路；
所述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索（1）、钢索防护套（2）、电源（3），钢索（1）由若干根钢丝（4）或钢绞线（5）组成，钢索（1）位于钢索防护套（2）中，还包括第三绝缘导线（14）和电阻信号采集仪（8），各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯（9）和第二锚杯（10）固定于第一导电锚定板（11）和第二导电锚定板（12）上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板（11）和第二导电锚定板（12）联接为一导体；第一导电锚定板（11）和第二导电锚定板（12）通过第三绝缘导线（14）连接电源（3）和电阻信号采集仪（8）；电源（3）、电阻信号采集仪（8）、第三绝缘导线（14）和钢索（1）形成一个电学回路；②选用材质与监测钢索材质相同的钢索作为电阻测试钢索，对电阻测试钢索进行不同程度的截面削弱，测定钢索在不同截面削弱程度下对应的电阻值，计算电阻测试钢索相对于初始状态下的电阻变化率，确定钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系；
选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同的钢索作为剩余强度测试钢索，对剩余强度测试钢索进行不同程度的腐蚀，测定不同腐蚀程度的钢索的截面削弱程度和对应的剩余强度，确定钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系；
③监测步骤①中的监测钢索的电阻，计算相对于初始状态下的电阻变化率，根据电阻变化率确定监测钢索截面削弱程度，进而确定监测钢索的剩余强度，计算监测钢索的剩余承载力，将监测钢索的剩余承载力与桥梁钢索的设计索力相比较，即可得知钢索的服役状态。
2.根据权利要求1所述钢索服役状态监测方法，其特征在于，步骤②中，引入钢索应力历史及锈蚀程度对电阻变化率的影响作为修正因素，来进一步提高钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系的准确性；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同且服役到期后的钢索进行电阻测试，即可确定钢索应力历史和锈蚀程度对电阻变化率的影响。
3.根据权利要求1或2所述钢索服役状态监测方法，其特征在于，步骤②中，引入钢索应力历史和锈蚀程度对剩余强度的影响作为修正因素，来进一步提高钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系的准确性；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同且服役到期后的钢索进行强度测试，即可确定钢丝应力历史和锈蚀程度对剩余强度的影响。
4.根据权利要求1所述钢索服役状态监测方法，其特征在于，所述电阻信号采集仪（8）为电阻测试仪或者智能电量测量仪。
5.根据权利要求1所述钢索服役状态监测方法，其特征在于，所述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索中，第一锚杯（9）和第二锚杯（10）分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈（13）；或者，第一导电锚定板与第一锚杯之间设有绝缘垫圈（13），第二导电锚定板和第二锚杯之间设有绝缘垫圈（13）。
6.根据权利要求1所述钢索服役状态监测方法，其特征在于，所述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索中，第一锚杯（9）和第二锚杯（10）分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈（13）。
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