CN109163826A - 基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统及方法，属于混凝土应力测量技术领域。所述基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统包括钢管及钢管内的混凝土，钢管内沿钢管的径向固设有多根钢筋，相邻的钢筋上设有传感器，传感器包括阶梯杆、固设于阶梯杆的中部上的敏感元件及设于阶梯杆外的保护罩，阶梯杆的两端固设有端板，端板的远离阶梯杆的凸部均与混凝土连接，保护罩的两端分别与两端上的端板固定连接，钢筋上还固设有传感器定位件。本发明通过设置包括不同段截面面积不等的阶梯杆的传感器，起到了增大传感器测量时的敏感度或扩大传感器的测量量程的作用。

Description

基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统及方法

技术领域

本发明涉及混凝土应力测量技术领域，具体涉及基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统及方法。

背景技术

钢管混凝土结构建设好后,将承受恒载及活荷载作用,结构内产生应力及应力分布场。常常不同位置钢管混凝土截面以及同截面的不同位置的应力应变是不一样,其量值往往差异较大。而应力是评估结构性能的重要指标。为了解结构的受力状态，常常需要准确测量钢管混凝土的应力场。钢管混凝土结构的应力场测量，可通过布设传感器来实现。传感器的布设需要准确定位，需要安装支架，而支架的安装，一方面为传感器提供定位平台，且不能影响原结构力学性能，另一方面在混凝土灌注过程中，还能抵抗混凝土流动作用不损坏、不错位。此外钢管混凝土结构内的混凝土自灌注后，存在收缩徐变的问题，如果存在过大的收缩，将会导致钢管与混凝土之间脱离，影响结构的整体受力性能，需要测量钢管内混凝土沿钢管的收缩性能。钢管内混凝土的收缩性能，可类似应变测量的方法进行测量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统及方法，进而准确测量出钢管内混凝土的应力及应力分布。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，包括钢管及灌注于所述钢管内的混凝土，所述钢管内沿钢管的径向固设有多根钢筋，相邻的钢筋上设有传感器，所述传感器包括阶梯杆、固设于所述阶梯杆的中部上的敏感元件及设于所述阶梯杆外的保护罩，所述阶梯杆的两端固设有端板，所述端板的远离所述阶梯杆的凸部均与所述混凝土连接，所述保护罩的两端分别与两端上的所述端板固定连接，所述钢筋上还固设有用以穿套所述传感器的传感器定位件，以使传感器一端固定一端自由，或两端自由；所述端板上及钢管的管壁上均开设有用于引出所述敏感元件的信号线的通孔，所述信号线与一设于所述钢管外的测量仪电连接；

所述阶梯杆为两端大中部小的阶梯杆或两端小中部大的阶梯杆，当将敏感元件设于两端大中部小的阶梯杆的中部时，则扩大所述传感器的敏感性；当将敏感元件设于两端小中部大的阶梯杆的中部时，则扩大所述传感器的测量量程。

进一步地，所述传感器为多个，多个所述传感器于所述钢筋上从上至下间隔设置且以圆形钢管内的圆心为对称点对称设置。

进一步地，所述传感器的一端通过所述端板与所述钢筋固定连接，所述传感器的另一端通过所述传感器定位件定位，以使所述传感器的一端固定另一端自由。

进一步地，所述传感器的两端均通过所述传感器定位件定位，以使所述传感器的两端自由，两个所述传感器定位件分别与相邻的所述钢筋固定连接。

进一步地，所述传感器还可包括等截面杆，所述等截面杆的两端均固设于所述端板上且与所述阶梯杆间隔设置。

进一步地，所述阶梯杆可为两根，所述等截面杆为一根，且所述等截面杆设于两根所述阶梯杆之间。

进一步地，所述等截面杆可为两根，所述阶梯杆为一根，且所述阶梯杆设于两根所述等截面杆之间。

进一步地，所述敏感元件包括光纤光栅或电阻应变片。

进一步地，所述传感器定位件为定位套或定位绳。

进一步地，所述通孔中设有填充材料，所述填充材料为铁胶泥。

本发明还提供了一种应用所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统测量应力的方法，包括如下步骤：

(1)在架设空钢管结构过程中，灌注混凝土前在钢管的内壁上沿钢管的径向固设多根钢筋，在钢筋上固设传感器定位件；

(2)将阶梯杆或阶梯杆和等截面杆的两端固设于端板上，并在阶梯杆上设置敏感元件,以制作传感器；

(3)将制作好的所述传感器设于步骤(1)所述的相邻钢筋上，并利用所述传感器定位件定位所述传感器的至少一端；

(4)在端板上和钢管管壁上开设通孔，将所述传感器中敏感元件的信号线从所述通孔中穿出后，采用填充材料堵住所述通孔，往所述钢管内灌注混凝土；

(5)将从所述通孔中穿出的所述敏感元件的信号线与钢管外的测量仪连接，即可测量出钢管内混凝土的应力及应力分布。

对于本发明，由于对于不同截面串接的轴心受力构件，不同段的变形量或应变是不一样的，受力面积大的敏感性差，受力面积小的敏感性好，另一方面受力面积大的极限强度大，受力面积小的极限强度小。将敏感元件布置在不同截面的部分，可达到增敏或扩大测量量程的目的。因为两端通过端板固定安装，在安装段内的总变形一样，但不同截面的部分，分配的比例不一样。调整受力面积的大小比例，可调整灵敏度或测量量程。不同面积之间的过渡段，可用圆弧过渡处理。

轴心受力构件的公式：

式中，A表示面积，下标1、2等表示不同的截面，N表示轴向力，E表示弹性模量。

两端安装轴向力大小一样N，材质的弹性模量E一样,而总的应变ε一样，所以根据截面大小确定各段的应变，由此可实现增敏或扩大传感器的测量量程。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在传感器中设置不同段的截面面积不等的阶梯杆，并在阶梯杆中设置敏感元件，一方面增大了传感器测量时的敏感度，起到增敏作用，使钢管内混凝土的相对小的应力值测量更准确，另一方面扩大了传感器的测量量程，用于同截面钢管的不同位置应力应变测量,以及钢管不同位置的应力应变测量。且为了将钢管内的传感器固定，在灌注混凝土前首先在钢管内设置钢筋并在钢筋上固设传感器定位件，不仅使传感器一端固定,一端自由,或者两端自由，还可使传感器得以在钢管内混凝土中准确定位，解决了灌注混凝土时，混凝土的流动影响传感器的定位问题，进而准确测出钢管内混凝土的应力及应力分布。

(2)本发明还将多个所述传感器于所述钢筋上以圆形钢管内的圆心为对称点对称设置，使传感器不仅可测量钢管内靠近管壁的混凝土的应力，还可测量钢管内位于钢管中心的的混凝土的应力，使混凝土的应力及应力分布得以充分、均匀测量，进一步提高了钢管内混凝土的应力及应力分布的测量准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例2一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统的结构示意图；

图3为本发明实施例1一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统中传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例2一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统中传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例3一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统中传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例4一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统中传感器的结构示意图。

图中，1-钢管，2-混凝土，3-钢筋，4-传感器，41-阶梯杆，42-敏感元件，43-保护罩，44-端板，45-等截面杆，5-传感器定位件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

如图1和图3，一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，包括钢管1及灌注于所述钢管1内的混凝土2，所述钢管1内沿钢管1的径向固设有多根钢筋3，相邻的钢筋3上设有传感器4。所述传感器4包括阶梯杆41、固设于所述阶梯杆41的中部上的敏感元件42及设于所述阶梯杆41外的保护罩43。所述敏感元件42可以为光纤光栅或电阻应变片等，本实施例中优选为光纤光栅。所述阶梯杆41的两端还固设有端板44，所述端板44的远离所述阶梯杆41的凸部均与所述混凝土2连接(即端板44埋置于混凝土2内，以使混凝土2内的受力通过端板44传递至传感器4中)。所述保护罩43的两端分别与两端上的所述端板44固定连接，保护罩43可使传感器4在保护罩43的长度范围内,随两端板44的变形而变形,但传感器4与混凝土2隔离,无接触。所述钢筋3上还固设有用以穿套所述传感器4的传感器定位件5。该传感器定位件5可以为定位套或定位绳等，本实施例中优选为定位绳。

所述端板44上及钢管1的管壁上均开设有用于引出所述敏感元件42的信号线(图未示)的通孔(图未示)，所述通孔中填充有铁胶泥这一填充材料，由于铁胶泥具有耐热快固的特点，适用于对本申请中的通孔的填充(或堵塞)。当然也可选用其他合适的填充材料。所述信号线与一设于所述钢管1外的测量仪(图未示)电连接。

所述阶梯杆41为两端大中部小的阶梯杆41或两端小中部大的阶梯杆41，当将敏感元件42设于两端大中部小的阶梯杆41的中部时，则可扩大所述传感器4的敏感性；当将敏感元件42设于两端小中部大的阶梯杆41的中部时，则扩大所述传感器4的测量量程。本实施例中，所述阶梯杆41为两端大中部小的阶梯杆41，如图2。当将敏感元件42布设于该两端大中部小的阶梯杆41的中部时，则测量时所述传感器4的敏感性增大，既达到了对传感器4的增敏目的。

进一步地，所述传感器4可以为多个(如3-8个)，多个所述传感器4于所述钢筋3上从上至下间隔设置且以圆形钢管1内的圆心为对称点对称设置。本实施例中，所述传感器4优选为四个。

进一步地，本实施例中，所述传感器4的一端通过所述端板44与所述钢筋3固定连接，另一端通过所述传感器定位件5定位，以使所述传感器4的一端固定，另一端自由(即通过所述传感器定位件5定位的一端自由)。

本发明实施例一种应用所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统测量应力的方法，包括如下步骤：

(1)在架设空钢管结构过程中，灌注混凝土2前在钢管1的内壁上沿钢管1的径向固设多根钢筋3，在钢筋3上固设传感器定位件5；

(2)将阶梯杆41的两端固设于端板44上，并在阶梯杆41上设置敏感元件42,以制作传感器4；

(3)将制作好的所述传感器4设于步骤(1)所述的相邻钢筋3上，并利用所述传感器定位件5定位所述传感器的一端，传感器4的另一端通过端板44焊接在钢筋3上；

(4)在端板44上和钢管1管壁上开设通孔，将所述传感器4中敏感元件42的信号线421从所述通孔中穿出后，采用填充材料堵住所述通孔，往所述钢管1内灌注混凝土2；

(5)将从所述通孔中穿出的所述敏感元件42的信号线与钢管1外的测量仪连接，即可测量出钢管1内混凝土2的应力及应力分布。

实施例2

所述传感器4除了包括上述提到的阶梯杆41等外，还可包括等截面杆45(即传感器4为组合式传感器)，所述等截面杆45的两端均固设于所述端板44上且与所述阶梯杆41间隔设置。本实施例基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统中，所述传感器4包括的等截面杆45为一根，所述阶梯杆41为两根，且所述等截面杆45设于两根所述阶梯杆41之间(如图4)。当然其他实施例中，阶梯杆41和等截面杆45的数量也可以端板45的长度适当增加。即其他实施例中还可采用其他不同截面积的结构形式。此外，所述传感器4的两端均通过所述传感器定位件5定位，以使所述传感器4的两端自由，两个所述传感器定位件5分别与相邻的所述钢筋3固定连接(如图2)。其他均与实施例1的测量系统相同。

本发明实施例一种应用所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统测量应力的方法，包括如下步骤：

(1)在架设空钢管结构过程中，灌注混凝土2前在钢管1的内壁上沿钢管1的径向固设多根钢筋3，在钢筋3上固设传感器定位件5；

(2)将阶梯杆41和等截面杆45的两端固设于端板44上，并在阶梯杆41上设置敏感元件42,以制作传感器4；

(3)将制作好的所述传感器4设于步骤(1)所述的相邻钢筋3上，并利用所述传感器定位件5定位所述传感器4的两端；

(4)在端板2上和钢管1管壁上开设通孔，将所述传感器4中敏感元件42的信号线421从所述通孔中穿出后，采用填充材料堵住所述通孔，往所述钢管1内灌注混凝土2；

(5)将从所述通孔中穿出的所述敏感元件42的信号线与钢管外的测量仪连接，即可测量出钢管1内混凝土2的应力及应力分布。

实施例3

本实施例基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统中，传感器4中所设置的等截面杆45为两根，阶梯杆41为一根，且阶梯杆41设于两根等截面杆45之间(如图5)。其他均与实施例2的测量系统相同。

实施例4

本实施例中，所述阶梯杆41为两端小中部大的阶梯杆(如图6)。当将敏感元件42设于该两端小中部大的阶梯杆41的中部时，则可达到扩大传感器4的测量量程的目的。除此之外，其他均与实施例2相同。

本发明通过在传感器4中设置不同段的截面面积不等的阶梯杆41(即两端大中部小或两端小中部大的阶梯杆)，并在阶梯杆51中设置敏感元件42，一方面增大了传感器4测量时的敏感度，起到增敏作用，使钢管1内混凝土2的相对小的应力值测量更准确，另一方面扩大了传感器4的测量量程，用于同截面钢管1的不同位置应力应变测量,以及钢管1不同位置的应力应变测量。且为了将钢管1内的传感器4固定，在灌注混凝土2前首先在钢管1内设置钢筋3并在钢筋3上固设用于固定传感器4的端板44，使传感器4得以在钢管1内混凝土2中准确定位，解决了灌注混凝土2时，混凝土2的流动影响传感器4的定位问题，进而准确测出钢管1内混凝土2的应力及应力分布。

本发明还将多个传感器4于所述钢筋3上以圆形钢管1内的圆心为对称点对称设置，使传感器4不仅可测量钢管1内靠近管壁的混凝土2的应力，还可测量钢管1内位于钢管1中心的的混凝土2的应力，使混凝土2的应力及应力分布得以充分、均匀测量，进一步提高了钢管1内混凝土2的应力及应力分布的测量准确性。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，包括钢管及灌注于所述钢管内的混凝土，其特征在于，所述钢管内沿钢管的径向固设有多根钢筋，相邻的钢筋上设有传感器，所述传感器包括阶梯杆、固设于所述阶梯杆的中部上的敏感元件及设于所述阶梯杆外的保护罩，所述阶梯杆的两端固设有端板，所述端板的远离所述阶梯杆的凸部均与所述混凝土连接，所述保护罩的两端分别与两端上的所述端板固定连接，所述钢筋上还固设有用以穿套所述传感器的传感器定位件；所述端板上及钢管的管壁上均开设有用于引出所述敏感元件的信号线的通孔，所述信号线与一设于所述钢管外的测量仪电连接；

所述阶梯杆为两端大中部小的阶梯杆或两端小中部大的阶梯杆，当将敏感元件设于两端大中部小的阶梯杆的中部时，则扩大所述传感器的敏感性；当将敏感元件设于两端小中部大的阶梯杆的中部时，则扩大所述传感器的测量量程。

2.根据权利要求1所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述传感器为多个，多个所述传感器于所述钢筋上从上至下间隔设置且以圆形钢管内的圆心为对称点对称设置。

3.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述传感器的一端通过所述端板与所述钢筋固定连接，所述传感器的另一端通过所述传感器定位件定位，以使所述传感器的一端固定另一端自由。

4.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述传感器的两端均通过所述传感器定位件定位，以使所述传感器的两端自由，两个所述传感器定位件分别与相邻的所述钢筋固定连接。

5.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述传感器还包括等截面杆，所述等截面杆的两端均固设于所述端板上且与所述阶梯杆间隔设置。

6.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述阶梯杆为两根，所述等截面杆为一根，且所述等截面杆设于两根所述阶梯杆之间。

7.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述等截面杆为两根，所述阶梯杆为一根，且所述阶梯杆设于两根所述等截面杆之间。

8.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述敏感元件包括光纤光栅或电阻应变片。

9.根据权利要求2所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统，其特征在于，所述传感器定位件为定位套或定位绳。

10.一种应用权利要求1-9任一项所述的基于阶梯截面的拱桥钢管内混凝土应力分布测量系统测量应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在架设空钢管结构过程中，灌注混凝土前在钢管的内壁上沿钢管的径向固设多根钢筋，在钢筋上固设传感器定位件；

(2)将阶梯杆或阶梯杆和等截面杆的两端固设于端板上，并在阶梯杆上设置敏感元件,以制作传感器；

(3)将制作好的所述传感器设于步骤(1)所述的相邻钢筋上，并利用所述传感器定位件定位所述传感器的至少一端；

(4)在端板上和钢管管壁上开设通孔，将所述传感器中敏感元件的信号线从所述通孔中穿出后，采用填充材料堵住所述通孔，往所述钢管内灌注混凝土；

(5)将从所述通孔中穿出的所述敏感元件的信号线与钢管外的测量仪连接，即可测量出钢管内混凝土的应力及应力分布。