CN108801792B - 一种缆索弹性模量测量装置及测量方法 - Google Patents

一种缆索弹性模量测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种缆索弹性模量测量装置及测量方法，一种缆索弹性模量测量装置，包括悬索桥主缆索，所述悬索桥主缆索上间隔设置有多组测量装置，每个测量装置的前部均安装有测量基准装置，每三组测量装置和测量基准装置构成一个测量系统。本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在悬索桥主缆索上分布测量装置和测量基准装置的形式，采集参数后，通过计算即可方便快捷的得出悬索桥主缆索的弹性模量的结果，测量方便，工作效率高，检测可靠性好。

Description

一种缆索弹性模量测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及测量装置技术领域，尤其是一种缆索弹性模量测量装置及测量方法。
背景技术
随着世界经济的发展和全球化进程的加快，交通运输的需求持续快速增长，桥梁建设已经向跨越海峡和海洋的方向发展，大跨度悬索桥正在世界各地规划、设计和实施。悬索桥是大跨度缆索桥的代表结构，缆索是悬索桥的关键结构，悬索桥主缆主要由高强度钢丝构成。随着悬索桥跨度的继续增大，主缆钢丝的用量会大大增加，由此造成主缆直径增大、质量增加，其他支撑结构体积和质量增大。面对悬索桥跨度增加，主缆钢丝用量增加的现实，首先考虑通过工艺技术进步提高主缆用钢丝的强度和综合性能，提高其承载能力，通过提高钢丝强度等级减少钢丝用量，减小主缆直径，减少风阻，改进结构设计和施工技术工艺。弹性模量是缆索成桥线形的主要参数之一，是工程设计和施工工艺设计的重要依据，必须通过试验精确给出。为了真实模拟大跨度缆索桥力学环境，一般要求索体很长(10米以上)，这就对长索体考核试验的载荷控制技术和变形测量技术提出了很高的要求，特别是为了精确获得缆索弹性模量，需要把现有测量精度等级提高一个等级。
弹性模量是表征固体材料弹性形变性质的基本力学参数，是材料在弹性变形阶段应力和应变的比例系数，弹性模量测定在科学研究和技术应用中都具有重要意义。测量杨氏模量的方法有很多，如静态拉伸法、梁弯曲法、百分表法、光杠杆法、干涉条纹法、共振法等，每种方法各有其特点，适合不同的测试条件。其中静态拉伸法通常利用光杠杆及望远镜尺组测量金属丝在拉伸状态下的微位移量，原理直观、设备简单，测量方法、仪器调整、数据处理等方面都具有代表性，但其测量设备并不适合缆索这种大尺度试件的测量，由于拉伸时伴随松弛过程且缆索是由多根钢丝按一定排列组成，不能真实反应索体内部结构的变化，测量精度不高；梁弯曲法仅适用于梁的测量，并不适用于索体结构；百分表法、光杠杆法、干涉条纹法、共振法等方法成本高，操作难度大，只适用于材料试件尺度的测量，并不适合于缆索的测量。因此，以上测量方法和测量设备不适用于缆索弹性模量的测量。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种缆索弹性模量测量装置及测量方法，从而满足缆索弹性模量测量要求，能够精确给出缆索弹性模量数据。
本发明所采用的技术方案如下：
一种缆索弹性模量测量装置，包括悬索桥主缆索，所述悬索桥主缆索上间隔设置有多组测量装置，每个测量装置的前部均安装有测量基准装置，每三组测量装置和测量基准装置构成一个测量系统。
其进一步技术方案在于：
每个测量系统接入采集系统，同时采集悬索桥主缆索从初始试验载荷到最终试验载荷过程中三个不同区间长度变化信号，采集系统计量后可根据测量装置检测到的长度变化信号的特征参数-电压值直接显示输出长度变化值，根据长度变化值和试验载荷值可计算出主缆索三个区间的弹性模量，悬索桥主缆索的弹性模量为三个区间弹性模量平均值。
所述测量装置的结构为：包括底板，所述底板成直角形结构，所述底板上通过第一螺栓安装有传感器，所述传感器的侧部有延伸有拉线，所述底板的一条直角边的外侧中部通过第二螺栓安装有上半卡箍，所述上半卡箍的下方连接与其配合的下半卡箍，所述上半卡箍和下半卡箍的两端分别通过第三螺栓锁紧，上半卡箍和下半卡箍中部围成六边形空腔，并在空腔边缘设置有第一刀口。
位移传感器拉线在主缆索轴向方向上呈间隔120度分布。
传感器为拉线式电阻位移传感器。
所述测量基准装置的结构为：包括上半紧固卡箍，所述上半紧固卡箍的下方连接有与其配合的下半紧固卡箍，上半紧固卡箍和下半紧固卡箍的两端分别通过第四螺栓锁紧，所述上半紧固卡箍和下半紧固卡箍的中部围成有六边形空腔，并在空腔的边缘设置有第二刀口，所述上半紧固卡箍和下半紧固卡箍的一端面均匀间隔分别有多个拉线固定器，每个拉线固定器的中部开有拉线孔，每个拉线固定器的上部安装紧定螺钉。
每组测量装置和测量基准装置之间的间距为两米。
三个测量装置在悬索桥主缆索的轴向方向上呈间隔120度分布。
悬索桥主缆索的截面成六边形结构。
一种缆索弹性模量测量装置的测量方法，包括如下操作步骤：
第一步：在试验用的悬索桥主缆索上每间隔两米距离安装一个测量装置并分别接入采集系统，以采用同一测量基准顺次排列的三个测量装置为一组测量系统阵列，三个测量装置以第一测量装置、第二测量装置、第三测量装置的顺序排列，每个测量装置的前面均安装测量基准装置，所述测量基准装置按相同的间隔距离安装；
第二步：三个测量装置分别同时采集悬索桥主缆索从初始试验载荷到最终试验载荷过程中三个不同区间长度变化信号；
第三步：采集系统计量后可根据测量装置检测到的长度变化信号的特征参数-电压值直接显示输出长度变化值；
第四步：第一测量装置与测量基准装置之间的弹性模量E1计算公式为：
Figure BDA0001782035030000031
其中：P2为最终试验载荷值，一般取0.5Pb(Pb为缆索最小破断载荷)；
P1为初始试验载荷值，一般取0.2Pb(Pb为缆索最小破断载荷)；
Lcp1为初始载荷时第一测量装置与测量基准装置之间的距离；
ΔLp1为从初始试验载荷到最终试验载荷第一测量装置与测量基准装置之间索长的伸长量；
A为主缆索的公称截面积；
第五步：按照上述相同的方法可求得第二测量装置与测量基准装置之间的弹性模量E2和第三测量装置与测量基准装置之间的弹性模量E3。
作为上述技术方案的进一步改进：
第六步：悬索桥主缆索的弹性模量E计算公式为：
Figure BDA0001782035030000032
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在悬索桥主缆索上分布测量装置和测量基准装置的形式，采集参数后，通过计算即可方便快捷的得出悬索桥主缆索的弹性模量的结果，测量方便，工作效率高，检测可靠性好。
本发明结构简单布置方便，测量方法简便且所需参数单一，采用三个区间取平均值的方法具有较高的精度，满足缆索弹性模量测量要求。适合大尺度试件的测量。
本发明采用测量缆索三个区间的弹性模量并取平均值的方法具有较高的精度，满足缆索弹性模量测量要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图3为本发明测量装置的结构示意图。
图4为本发明测量装置的爆炸图。
图5为本发明测量基准装置的结构示意图。
图6为本发明测量基准装置的爆炸图。
其中：1、测量装置；2、测量基准装置；3、悬索桥主缆索；
101、传感器；102、第一螺栓；103、拉线；104、第二螺栓；105、底板；106、下半卡箍；107、上半卡箍；108、第三螺栓；109、第一刀口；
201、紧定螺钉；202、拉线固定器；203、上半紧固卡箍；204、下半紧固卡箍；205、第二刀口；206、第四螺栓；207、拉线孔。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图6所示，本实施例的缆索弹性模量测量装置，包括悬索桥主缆索3，悬索桥主缆索3上间隔设置有多组测量装置1，每个测量装置1的前部均安装有测量基准装置2，每三组测量装置1和测量基准装置2构成一个测量系统。
每个测量系统接入采集系统，同时采集悬索桥主缆索3从初始试验载荷到最终试验载荷过程中三个不同区间长度变化信号，采集系统计量后可根据测量装置检测到的长度变化信号的特征参数-电压值直接显示输出长度变化值，根据长度变化值和试验载荷值可计算出主缆索三个区间的弹性模量，悬索桥主缆索3的弹性模量为三个区间弹性模量平均值。
测量装置1的结构为：包括底板105，底板105成直角形结构，底板105上通过第一螺栓102安装有传感器101，传感器101的侧部有延伸有拉线103，底板105的一条直角边的外侧中部通过第二螺栓104安装有上半卡箍107，上半卡箍107的下方连接与其配合的下半卡箍106，上半卡箍107和下半卡箍106的两端分别通过第三螺栓108锁紧，上半卡箍107和下半卡箍106中部围成六边形空腔，并在空腔边缘设置有第一刀口109。
位移传感器拉线在主缆索轴向方向上呈间隔120度分布。
传感器101为拉线式电阻位移传感器。
测量基准装置2的结构为：包括上半紧固卡箍203，上半紧固卡箍203的下方连接有与其配合的下半紧固卡箍204，上半紧固卡箍203和下半紧固卡箍204的两端分别通过第四螺栓206锁紧，上半紧固卡箍203和下半紧固卡箍204的中部围成有六边形空腔，并在空腔的边缘设置有第二刀口205，上半紧固卡箍203和下半紧固卡箍204的一端面均匀间隔分别有多个拉线固定器202，每个拉线固定器202的中部开有拉线孔207，每个拉线固定器202的上部安装紧定螺钉201。
每组测量装置1和测量基准装置2之间的间距为两米。
三个测量装置1在悬索桥主缆索3的轴向方向上呈间隔120度分布。
悬索桥主缆索3的截面成六边形结构。
本发明的具体结构为：
如图1所示，安装有三组测量装置，测量装置1的结构：主要包括拉线式电阻位移传感器101、六边形两半式螺栓紧固卡箍和传感器安装附件。悬索桥主缆索3外形为正六边形，六边形两半式螺栓紧固卡箍具有六边形卡紧刀口，刀口形状尺寸与主缆索外形匹配，分别安装上下两半卡箍后通过螺栓紧固连接上下卡箍，使卡箍的刀口牢固卡在悬索桥主缆索3上。六边形两半式螺栓紧固卡箍具有传感器安装附件固定螺纹孔，将传感器安装附件通过螺栓紧固在六边形两半式螺栓紧固卡箍上。传感器安装附件具有传感器安装螺栓孔，通过螺栓将拉线式电阻位移传感器1安装固定在传感器安装附件上，此时一个测量装置已安装完成，记这个测量装置为第一测量装置。用相同的方法安装第二测量装置，但应注意：第二测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍应与第一测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍相距两米且在主缆索轴线方向上顺时针间隔120度(由于主缆索界面形状为正六边形，故将第二测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍相对第一测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍顺时针转过两条边即可)。用相同的方法安装第三测量装置，但应注意：第三测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍应与第二测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍相距两米且在主缆索轴线方向上顺时针间隔120度(由于主缆索界面形状为正六边形，故将第三测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍相对第二测量装置六边形两半式螺栓紧固卡箍顺时针转过两条边即可)。
测量基准装置2的具体结构为：
测量基准装置2安装在第一测量装置之前，并与第一测量装置间隔两米，主要包括六边形两半式螺栓紧固卡箍和拉线固定器202。六边形两半式螺栓紧固卡箍具有呈一定规律分布的多个拉线固定器安装螺栓孔，拉线固定器202通过螺纹固定在六边形两半式螺栓紧固卡箍上，拉线固定器202配有紧定螺钉201，将拉线103塞入拉线固定器202中心孔并旋紧紧定螺钉201即可固定传感器拉线。但应注意以下问题：由于三个测量装置在主缆索轴线方向上呈间隔120度分布，拉线固定器202应安装在适当的螺栓孔上，确保拉线103与主缆索平行且与其他装置无干涉。
悬索桥主缆索3弹性模量计算方法
如图1所示，从左往后的测量装置1依次为第一测量装置、第二测量装置和第三测量装置。
第一测量装置与测量基准装置2之间的弹性模量E1计算公式为：
Figure BDA0001782035030000061
其中：P2为最终试验载荷值，一般取0.5Pb(Pb为主缆索最小破断载荷)；
P1为初始试验载荷值，一般取0.2Pb(Pb为主缆索最小破断载荷)；
Lcp1为初始载荷时第一测量装置与测量基准装置之间的距离；
ΔLp1为从初始试验载荷到最终试验载荷第一测量装置与测量基准装置之间索长的伸长量；
A为悬索桥主缆索3的公称截面积。
按照相同的方法可求得第二测量装置与测量基准装置2之间的弹性模量E2和第三测量装置与测量基准装置2之间的弹性模量E3。
悬索桥主缆索3的弹性模量E计算公式为：
Figure BDA0001782035030000062
即通过上述方法即可方便的完成悬索桥主缆索3的弹性模量的测试工作，测量方法简便且所需参数单一，采用三个区间取平均值的方法具有较高的精度，满足缆索弹性模量测量要求。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种缆索弹性模量测量装置，其特征在于：包括悬索桥主缆索(3)，所述悬索桥主缆索(3)上间隔设置有多组测量装置(1)，每个测量装置(1)的前部均安装有测量基准装置(2)，每三组测量装置(1)和测量基准装置(2)构成一个测量系统；每个测量系统接入采集系统，同时采集悬索桥主缆索(3)从初始试验载荷到最终试验载荷过程中三个不同区间长度变化信号，采集系统计量后可根据测量装置检测到的长度变化信号的特征参数-电压值直接显示输出长度变化值，根据长度变化值和试验载荷值可计算出主缆索三个区间的弹性模量，悬索桥主缆索(3)的弹性模量为三个区间弹性模量平均值；所述测量装置(1)的结构为：包括底板(105)，所述底板(105)成直角形结构，所述底板(105)上通过第一螺栓(102)安装有传感器(101)，所述传感器(101)的侧部有延伸有拉线(103)，所述底板(105)的一条直角边的外侧中部通过第二螺栓(104)安装有上半卡箍(107)，所述上半卡箍(107)的下方连接与其配合的下半卡箍(106)，所述上半卡箍(107)和下半卡箍(106)的两端分别通过第三螺栓(108)锁紧，上半卡箍(107)和下半卡箍(106)中部围成六边形空腔，并在空腔边缘设置有第一刀口(109)；位移传感器拉线在主缆索轴向方向上呈间隔120度分布；传感器(101)为拉线式电阻位移传感器；所述测量基准装置(2)的结构为：包括上半紧固卡箍(203)，所述上半紧固卡箍(203)的下方连接有与其配合的下半紧固卡箍(204)，上半紧固卡箍(203)和下半紧固卡箍(204)的两端分别通过第四螺栓(206)锁紧，所述上半紧固卡箍(203)和下半紧固卡箍(204)的中部围成有六边形空腔，并在空腔的边缘设置有第二刀口(205)，所述上半紧固卡箍(203)和下半紧固卡箍(204)的一端面均匀间隔分别有多个拉线固定器(202)，每个拉线固定器(202)的中部开有拉线孔(207)，每个拉线固定器(202)的上部安装紧定螺钉(201)。
2.如权利要求1所述的一种缆索弹性模量测量装置，其特征在于：每组测量装置(1)和测量基准装置(2)之间的间距为两米。
3.如权利要求1所述的一种缆索弹性模量测量装置，其特征在于：三个测量装置(1)在悬索桥主缆索(3)的轴向方向上呈间隔120度分布。
4.如权利要求1所述的一种缆索弹性模量测量装置，其特征在于：悬索桥主缆索(3)的截面成六边形结构。
5.一种利用权利要求1所述的缆索弹性模量测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下操作步骤：
第一步：在试验用的悬索桥主缆索(3)上每间隔两米距离安装一个测量装置(1)并分别接入采集系统，以采用同一测量基准顺次排列的三个测量装置(1)为一组测量系统阵列，三个测量装置(1)以第一测量装置、第二测量装置、第三测量装置的顺序排列，每个测量装置(1)的前面均安装测量基准装置(2)，所述测量基准装置(2)按相同的间隔距离安装；
第二步：三个测量装置(1)分别同时采集悬索桥主缆索(3)从初始试验载荷到最终试验载荷过程中三个不同区间长度变化信号；
第三步：采集系统计量后可根据测量装置(1)检测到的长度变化信号的特征参数-电压值直接显示输出长度变化值；
第四步：第一测量装置与测量基准装置(2)之间的弹性模量E1计算公式为：
Figure FDA0002641554610000021
其中：P2为最终试验载荷值，一般取0.5Pb(Pb为缆索最小破断载荷)；
P1为初始试验载荷值，一般取0.2Pb(Pb为缆索最小破断载荷)；
Lcp1为初始载荷时第一测量装置与测量基准装置(2)之间的距离；
ΔLp1为从初始试验载荷到最终试验载荷第一测量装置与测量基准装置(2)之间索长的伸长量；
A为主缆索的公称截面积；
第五步：按照上述相同的方法可求得第二测量装置与测量基准装置(2)之间的弹性模量E2和第三测量装置与测量基准装置(2)之间的弹性模量E3；
第六步：悬索桥主缆索(3)的弹性模量E计算公式为：
Figure FDA0002641554610000022
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