CN108953490A - 一种智能预应力拉索螺母及预应力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能预应力拉索螺母及预应力监测方法，包括拉索螺母，所述拉索螺母上设有多个应变传感器，所述应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件。本发明通过在拉索螺母上设置多个应变传感器，且应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件，由于索体锚固后，所有的钢绞线受力会传递至预应力拉索螺母，通过将传感器与拉索螺母进行集成设计，即可通过对拉索螺母进行监测，从而得到索体受力状况，相对于现有钢绞线抽样测量方式来说，能更加真实反映整个索体受力情况，且使用安装方便，能大大节约测量安装时间。
Description
技术领域
本发明涉及预应力锚具领域，具体涉及一种智能预应力拉索螺母及预应力监测方法。
背景技术
预应力锚索包括钢丝索、钢棒、钢绞线索等结构，它常利用预应力锚具的拉索螺母来进行传力，广泛用于混凝土预应力筋、桥梁拉索或吊索、岩土锚索等建筑工程结构之中。索体张拉锚固需要拉索螺母来进行传力，张拉过程常需要进行索力监控。此外，由于索体容易受到周围环境的影响，发生腐蚀生锈，出现预应力损失，进而影响其工作性能，对建筑物的正常使用和安全运营产生负面影响。因此，对预应力索体的工作状态进行长期实时的监测，掌握索体的应力状态，保障索体的使用安全，是预应力技术的发展重点。
目前对索体的受力监测一般是通过抽取单根或几根钢绞线进行受力测量后取平均值，将该平均值作为索体受力状况，因而该监测方式无法真实反映整个索体的受力情况，导致测量的数据与真实情况存在不一致；且在进行测量时需要先将传感器与钢绞线相连，测量安装过程繁琐耗时。
发明内容
本发明目的在于：针对索体受力情况进行监测时，目前采用的对钢绞线抽样测量的方式无法真实反映整个索体受力情况，以及测量安装过程繁琐耗时的问题，提供一种智能预应力拉索螺母，通过将传感器与拉索螺母进行集成设计，即可通过对拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有抽样测量方式来说，能更加真实反映整个索体的受力情况，且使用安装方便，能大大节约测量安装时间。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种智能预应力拉索螺母，包括拉索螺母，所述拉索螺母上设有多个应变传感器，所述应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件。
本发明通过在拉索螺母上设置多个应变传感器，且应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件，由于索体锚固后，所有的钢绞线受力会传递至预应力拉索螺母，通过将传感器与拉索螺母进行集成设计，即可通过对拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有钢绞线抽样测量方式来说，能更加真实反映整个索体的受力情况，且使用安装方便，能大大节约测量安装时间。
作为本发明的优选方案，所述测量段包括第一测量段和第二测量段，在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，所述第一测量段的截面积小于所述第二测量段的截面积。
通过将测量段设置为包括第一测量段和第二测量段，且在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，当拉索螺母发生形变时，第一测量段和第二测量段的应变是不一样的，截面积大的应变敏感性差，截面积小的应变敏感性好；另一方面截面积大的刚度和极限强度大，截面积小的刚度和极限强度小，当敏感元件布置在不同截面积的测量段上时，即可实现对测量灵敏度或量程进行调整，有利于应变传感器的适用范围。
需要说明的是，对于两端固定安装的应变传感器，根据测量段的应变计算公式：其中N为轴向力，E为弹性模量，A为各测量段在垂直于拉索螺母受力方向上所对应的截面积，由于两端安装轴向力N大小一样，材质弹性模量E一样，且在安装段内的总变形一样，但在不同截面积的测量段上，变形分配的比例不一样，所以截面积的大小决定着各测量段的应变，因而调整各测量段截面积的大小比例，可调整传感器的灵敏度或测量量程。该方案摒弃了以往通过调整敏感元件及其封装工艺来改变传感器的灵敏度或测量量程的做法，且该方案实施简单，实施成本低。
作为本发明的优选方案，所述测量段上有一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，所述敏感元件位于第一测量段上。通过在测量段上设置一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，由于第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，即该测量段呈两端大中间小的结构，当测量段两端固定时，由于敏感元件布置在第一测量段上，因而可以提升测量灵敏度，同时由于结构对称性，使得传感器制造及安装方便，第一测量段受力形变更加均匀，提高测量准确性。
需要说明的是，当将应变传感器布置在预应力拉索螺母上时，由于拉索螺母相对于钢绞线截面积更大，受力变形不敏感，因而存在测量不灵敏的问题；当将测量段设置为两端大中间小的结构时，即可较好的提升测量灵敏度。
作为本发明的优选方案，所述第一测量段和/或第二测量段为杆状结构。当第一测量段和/或第二测量段采用杆状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时能够承受较大的极限应力。
作为本发明的优选方案，所述第一测量段和/或第二测量段为板状结构。采用板状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时通过减小板厚尺寸，减少了测量段与拉索螺母连接后所占用的空间，且方便制造。
作为本发明的优选方案，所述测量段上还设有用于固定其位置的固定部，便于将该测量段与拉索螺母进行连接固定。
作为本发明的优选方案，所述固定部设于测量段的两端位置，便于该测量段的制造及安装。
作为本发明的优选方案，所述固定部为设于测量段两端的安装孔。
作为本发明的优选方案，所述敏感元件粘贴于测量段外表面，方便敏感元件的布置。
作为本发明的优选方案，所述敏感元件埋设于测量段内部，可以对敏感元件形成较好的保护。
作为本发明的优选方案，所述敏感元件为电阻应变片。
作为本发明的优选方案，所述敏感元件为光纤光栅。
作为本发明的优选方案，所有的应变传感器均布于拉索螺母周围，可以对拉索螺母进行多点均匀测量，以提高测量的准确性。
本发明还提供一种预应力监测方法，包括以下步骤：
a、制作应变传感器；
b、在拉索螺母上布置多个上述应变传感器；
c、采用上述拉索螺母对索体进行锚固；
d、通过应变传感器采集预应力数据。
通过制作应变传感器，并在拉索螺母上布置多个上述应变传感器，即可通过对预应力拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有的钢绞线抽样测量方式来说，能够更加真实反映整个索体的受力情况，同时该监测方法能大大节约测量安装时间。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过在拉索螺母上设置多个应变传感器，且应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件，由于索体锚固后，所有的钢绞线受力会传递至预应力拉索螺母，通过将传感器与拉索螺母进行集成设计，即可通过对拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有钢绞线抽样测量方式来说，能更加真实反映整个索体的受力情况，且使用安装方便，能大大节约测量安装时间；
2、通过将测量段设置为包括第一测量段和第二测量段，且在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，当拉索螺母发生形变时，第一测量段和第二测量段的应变是不一样的，截面积大的应变敏感性差，截面积小的应变敏感性好；另一方面截面积大的刚度和极限强度大，截面积小的刚度和极限强度小，当敏感元件布置在不同截面积的测量段上时，即可实现对测量灵敏度或量程进行调整，有利于应变传感器的适用范围；
3、通过在测量段上设置一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，由于第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，即该测量段呈两端大中间小的结构，当测量段两端固定时，由于敏感元件布置在第一测量段上，因而可以提升测量灵敏度，同时由于结构对称性，使得传感器制造及安装方便，第一测量段受力形变更加均匀，提高测量准确性。
附图说明
图1为本发明中的智能预应力拉索螺母立体图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1中的应变传感器示意图。
图中标记：1-测量段，11-第一测量段，12-第二测量段，2-敏感元件，3-安装孔，4-拉索螺母。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种智能预应力拉索螺母；
如图1和图2所示，本实施例中的智能预应力拉索螺母，包括拉索螺母4，所述拉索螺母4上设有多个应变传感器，所述应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段1和设于测量段1上的敏感元件2。
本发明通过在拉索螺母上设置多个应变传感器，且应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件，由于索体锚固后，所有的钢绞线受力会传递至预应力拉索螺母，通过将传感器与拉索螺母进行集成设计，即可通过对拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有钢绞线抽样测量方式来说，能更加真实反映整个索体的受力情况，且使用安装方便，能大大节约测量安装时间。
实施例2
本实施例提供一种应变传感器；
本实施例中的应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段1和设于测量段上1的敏感元件2，所述测量段1包括第一测量段11和第二测量段12，在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，所述第一测量段11的截面积小于所述第二测量段12的截面积。
通过将测量段设置为包括第一测量段和第二测量段，且在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，当拉索螺母发生形变时，第一测量段和第二测量段的应变是不一样的，截面积大的应变敏感性差，截面积小的应变敏感性好；另一方面截面积大的刚度和极限强度大，截面积小的刚度和极限强度小，当敏感元件布置在不同截面积的测量段上时，即可实现对测量灵敏度或量程进行调整，有利于应变传感器的适用范围。
需要说明的是，对于两端固定安装的应变传感器，根据测量段的应变计算公式：其中N为轴向力，E为弹性模量，A为各测量段在垂直于拉索螺母受力方向上所对应的截面积，由于两端安装轴向力N大小一样，材质弹性模量E一样，且在安装段内的总变形一样，但在不同截面积的测量段上，变形分配的比例不一样，所以截面积的大小决定着各测量段的应变，因而调整各测量段截面积的大小比例，可调整传感器的灵敏度或测量量程。该方案摒弃了以往通过调整敏感元件及其封装工艺来改变传感器的灵敏度或测量量程的做法，且该方案实施简单，实施成本低。
如图3所示，所述测量段1上有一个第一测量段11，且第一测量段11位于两个第二测量段12之间，所述敏感元件2位于第一测量段11上。通过在测量段上设置一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，由于第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，即该测量段呈两端大中间小的结构，当测量段两端固定时，由于敏感元件布置在第一测量段上，因而可以提升测量灵敏度，同时由于结构对称性，使得传感器制造及安装方便，第一测量段受力形变更加均匀，提高测量准确性。
本实施例中，所述第一测量段和/或第二测量段为杆状结构。当第一测量段和/或第二测量段采用杆状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时能够承受较大的极限应力。
本实施例中，所述第一测量段和/或第二测量段也可以为板状结构。采用板状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时通过减小板厚尺寸，减少了测量段与拉索螺母连接后所占用的空间，且方便制造。
本实施例中，所述测量段上还设有用于固定其位置的固定部，便于将该测量段与拉索螺母进行连接固定。
本实施例中，所述固定部设于测量段的两端位置，便于该测量段的制造及安装。
本实施例中，所述固定部为设于测量段两端的安装孔3。
本实施例中，所述敏感元件粘贴于测量段外表面，方便敏感元件的布置。
本实施例中，所述敏感元件也可以埋设于测量段内部，可以对敏感元件形成较好的保护。
本实施例中，所述敏感元件为电阻应变片或光纤光栅。
实施例3
本实施例提供一种智能预应力拉索螺母；
如图1-图3所示，本实施例中的智能预应力拉索螺母，包括拉索螺母4，所述拉索螺母上设有多个应变传感器，所述应变传感器包括与拉索螺母4产生一致形变的测量段1和设于测量段1上的敏感元件2。
本发明通过在拉索螺母上设置多个应变传感器，且应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件，由于索体锚固后，所有的钢绞线受力会传递至预应力拉索螺母，通过将传感器与拉索螺母进行集成设计，即可通过对拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有钢绞线抽样测量方式来说，能更加真实反映整个索体的受力情况，且使用安装方便，能大大节约测量安装时间。
本实施例中，所述测量段1包括第一测量段11和第二测量段12，在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，所述第一测量段11的截面积小于所述第二测量段12的截面积。
通过将测量段设置为包括第一测量段和第二测量段，且在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，当拉索螺母发生形变时，第一测量段和第二测量段的应变是不一样的，截面积大的应变敏感性差，截面积小的应变敏感性好；另一方面截面积大的刚度和极限强度大，截面积小的刚度和极限强度小，当敏感元件布置在不同截面积的测量段上时，即可实现对测量灵敏度或量程进行调整，有利于应变传感器的适用范围。
需要说明的是，对于两端固定安装的应变传感器，根据测量段的应变计算公式：其中N为轴向力，E为弹性模量，A为各测量段在垂直于拉索螺母受力方向上所对应的截面积，由于两端安装轴向力N大小一样，材质弹性模量E一样，且在安装段内的总变形一样，但在不同截面积的测量段上，变形分配的比例不一样，所以截面积的大小决定着各测量段的应变，因而调整各测量段截面积的大小比例，可调整传感器的灵敏度或测量量程。该方案摒弃了以往通过调整敏感元件及其封装工艺来改变传感器的灵敏度或测量量程的做法，且该方案实施简单，实施成本低。
本实施例中，所述测量段1上有一个第一测量段11，且第一测量段11位于两个第二测量段12之间，所述敏感元件2位于第一测量段11上。通过在测量段上设置一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，由于第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，即该测量段呈两端大中间小的结构，当测量段两端固定时，由于敏感元件布置在第一测量段上，因而可以提升测量灵敏度，同时由于结构对称性，使得传感器制造及安装方便，第一测量段受力形变更加均匀，提高测量准确性。
需要说明的是，当将应变传感器布置在预应力拉索螺母上时，由于拉索螺母相对于钢绞线截面积更大，受力变形不敏感，因而存在测量不灵敏的问题；当将测量段设置为两端大中间小的结构时，即可较好的提升测量灵敏度。
本实施例中，所述第一测量段和/或第二测量段为杆状结构。当第一测量段和/或第二测量段采用杆状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时能够承受较大的极限应力。
本实施例中，所述第一测量段和/或第二测量段也可以为板状结构。采用板状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时通过减小板厚尺寸，减少了测量段与拉索螺母连接后所占用的空间，且方便制造。
本实施例中，所述测量段上还设有用于固定其位置的固定部，便于将该测量段与拉索螺母进行连接固定。
本实施例中，所述固定部设于测量段的两端位置，便于该测量段的制造及安装。
本实施例中，所述固定部为设于测量段两端的安装孔3。
本实施例中，所述敏感元件粘贴于测量段外表面，方便敏感元件的布置。
本实施例中，所述敏感元件也可以埋设于测量段内部，可以对敏感元件形成较好的保护。
本实施例中，所述敏感元件为电阻应变片或光纤光栅。
本实施例中，所有的应变传感器均布于拉索螺母周围，可以对拉索螺母进行多点均匀测量，以提高测量的准确性。
实施例4
本实施例还提供一种预应力监测方法，包括以下步骤：
a、制作应变传感器；
b、在拉索螺母上布置多个上述应变传感器；
c、采用上述拉索螺母对索体锚固；
d、通过应变传感器采集预应力数据。
如图1-图3所示，步骤a中的应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段1和设于测量段1上的敏感元件2，所述测量段1包括第一测量段11和第二测量段12，在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，所述第一测量段11的截面积小于所述第二测量段12的截面积。
通过将测量段设置为包括第一测量段和第二测量段，且在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，当拉索螺母发生形变时，第一测量段和第二测量段的应变是不一样的，截面积大的应变敏感性差，截面积小的应变敏感性好；另一方面截面积大的刚度和极限强度大，截面积小的刚度和极限强度小，当敏感元件布置在不同截面积的测量段上时，即可实现对测量灵敏度或量程进行调整，有利于应变传感器的适用范围。
需要说明的是，对于两端固定安装的应变传感器，根据测量段的应变计算公式：其中N为轴向力，E为弹性模量，A为各测量段在垂直于拉索螺母受力方向上所对应的截面积，由于两端安装轴向力N大小一样，材质弹性模量E一样，且在安装段内的总变形一样，但在不同截面积的测量段上，变形分配的比例不一样，所以截面积的大小决定着各测量段的应变，因而调整各测量段截面积的大小比例，可调整传感器的灵敏度或测量量程。该方案摒弃了以往通过调整敏感元件及其封装工艺来改变传感器的灵敏度或测量量程的做法，且该方案实施简单，实施成本低。
本实施例中，所述测量段1上有一个第一测量段11，且第一测量段11位于两个第二测量段12之间，所述敏感元件2位于第一测量段11上。通过在测量段上设置一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，由于第一测量段的截面积小于第二测量段的截面积，即该测量段呈两端大中间小的结构，当测量段两端固定时，由于敏感元件布置在第一测量段上，因而可以提升测量灵敏度，同时由于结构对称性，使得传感器制造及安装方便，第一测量段受力形变更加均匀，提高测量准确性。
本实施例中，所述第一测量段和/或第二测量段为杆状结构。当第一测量段和/或第二测量段采用杆状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时能够承受较大的极限应力。
本实施例中，所述第一测量段和/或第二测量段也可以为板状结构。采用板状结构时，截面形状规则，且截面上的应力分布均匀，同时通过减小板厚尺寸，减少了测量段与拉索螺母连接后所占用的空间，且方便制造。
本实施例中，所述测量段上还设有用于固定其位置的固定部，便于将该测量段与拉索螺母进行连接固定。
本实施例中，所述固定部设于测量段的两端位置，便于该测量段的制造及安装。
本实施例中，所述固定部为设于测量段两端的安装孔3。
本实施例中，所述敏感元件粘贴于测量段外表面，方便敏感元件的布置。
本实施例中，所述敏感元件也可以埋设于测量段内部，可以对敏感元件形成较好的保护。
本实施例中，所述敏感元件为电阻应变片或光纤光栅。
本实施例中，步骤b在预应力拉索螺母的四周沿母线方向，等周向布设三个或四个或八个应变传感器。在布置传感器时，敏感元件变形方向与拉索螺母受力方向一致，同时将测量段两端的安装孔与拉索螺母进行螺栓连接，或者将测量段两端与拉索螺母进行焊接。在采用上述拉索螺母对索体进行锚固后，并将应变传感器信号线引出至测量仪器中，即可通过应变传感器采集预应力数据，从而实现对索体进行监测。
通过制作应变传感器，并在拉索螺母上布置多个上述应变传感器，即可通过对预应力拉索螺母进行监测，从而得到索体的受力状况，相对于现有的钢绞线抽样测量方式来说，能够更加真实反映整个索体的受力情况，同时该监测方法能大大节约测量安装时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种智能预应力拉索螺母，包括拉索螺母，其特征在于，所述拉索螺母上设有多个应变传感器，所述应变传感器包括与拉索螺母产生一致形变的测量段和设于测量段上的敏感元件。
2.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述测量段包括第一测量段和第二测量段，在垂直于拉索螺母受力方向的截面上，所述第一测量段的截面积小于所述第二测量段的截面积。
3.根据权利要求2所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述测量段上有一个第一测量段，且第一测量段位于两个第二测量段之间，所述敏感元件位于第一测量段上。
4.根据权利要求2所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述第一测量段和/或第二测量段为杆状结构。
5.根据权利要求2所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述第一测量段和/或第二测量段为板状结构。
6.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述测量段上还设有用于固定其位置的固定部。
7.根据权利要求6所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述固定部设于测量段的两端位置。
8.根据权利要求7所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述固定部为设于测量段两端的安装孔。
9.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述敏感元件粘贴于测量段外表面。
10.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述敏感元件埋设于测量段内部。
11.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述敏感元件为电阻应变片。
12.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所述敏感元件为光纤光栅。
13.根据权利要求1所述的智能预应力拉索螺母，其特征在于，所有的应变传感器均布于拉索螺母周围。
14.一种预应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、制作应变传感器；
b、在拉索螺母上布置多个上述应变传感器；
c、采用上述拉索螺母对索体进行锚固；
d、通过应变传感器采集预应力数据。
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