CN110469125B - 一种平行束钢绞线拉索光纤等张法智能张拉装置与方法 - Google Patents

一种平行束钢绞线拉索光纤等张法智能张拉装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于预应力构件张拉施工、安全监测领域，涉及一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法。包括平行束钢绞线拉索装置、智能张拉装置、监测装置、锚固装置和顶压装置,本发明在张拉施工时，首先张拉自感知钢绞线，在后续逐根张拉普通钢绞线张拉过程中，监测装置保持对光纤光栅自感知钢绞线的力的监测，实时获知张拉控制力，并无线控制智能张拉装置的智能液压油泵控制系统，使其张拉控制应力与实时获得的光纤光栅自感知钢绞线的张拉力相等。本发明可应用于需逐根等力张拉的平行束钢绞线拉索、吊杆、岩土锚索及各类体内外预应力构件中。

Description

一种平行束钢绞线拉索光纤等张法智能张拉装置与方法
技术领域
本发明属于预应力构件张拉施工、安全监测领域，涉及一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法。
背景技术
随着预应力技术的日趋发展，越来越多的钢绞线、钢丝在大型工程如桥梁拉索、吊杆、岩土锚索、预应力混凝土、大跨度构件等方面得到大量应用，预应力在承重部位关系到结构的安全运营及使用寿命。预应力是通过张拉装置对预应力钢绞线进行张拉产生的，其核心问题是张拉结束后预应力结构或构件中有效预应力能保持多少，目前主要是通过理论计算及预估预应力损失确定张拉控制力。在张拉过程中采用一些常规的手段对张拉控制力进行监控，这些常规的手段主要有：通过油压表控制张拉力、应变传感器和磁通量传感器监测钢绞线的拉力，钢绞线的伸长值进行校核等等。对于由多根平行束钢绞线或钢丝组成的拉索、吊杆、岩土锚索等构件，预应力的产生是采用等力张拉的方法，即钢绞线在其设计位置安装好后，逐根等力张拉，常规的张拉顺序如下：1、在张拉第一根钢绞线时安装测力传感器，根据理论设计的张拉控制力值进行张拉，在力值张拉到位后进行临时锚固；2、在张拉第二根钢绞线时的张拉力以第一根钢绞线上的测力传感器读数为依据进行张拉，张拉力值到位后进行锚固；3、其余钢绞线的张拉方法全部依照第二根钢绞线的张拉方法进行张拉；4、待全部钢绞线张拉完成后根据传感器读数对第二根钢绞线进行力值补拉，力值补拉到位后取出第一根钢绞线上的测力传感器，而后再张拉锚固该根钢绞线。常用的传感器有应变传感器和磁通量传感器，传感器处加在第一根钢绞线是通过工装放在该根钢绞线的锥孔后面，而后用单孔锚临时锚固。撤走时需松开单孔锚。常规的等张法存在以下缺陷：1、由于传感器是外加的，安装和撤走时工艺复杂，工作效率低下，撤走时需松开单孔锚，具有一定的危险性，安全度不高；2、传感器无论是采用应变传感器还是磁通量传感器，由于受锚具结构限制，外径受限，安装稍有偏差对测力结果影响大，监测精度低；3、施工质量易受操作人员影响，施工流程难以规范性化，尤其对第二根钢绞线的补拉和第一根钢绞线撤走传感器后的张拉，只能通过操作人员在张拉时根据油压控制张拉力；此外，4、常规的传感器只是对施工进行监测，难以实现拉索服役时的长期远程在线监测。
发明内容
本发明设计了一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法，其装置设计的光纤光栅传感器耦合在钢绞线的中心丝上形成光纤光栅自感知钢绞线，使其兼具受力与传感特性、集受力和监测于一体，可解决目前常规的等张法的工艺复杂，工作效率低、安全度低、监测精度低、施工质量差、难以长期监测等缺陷。
为了达到上述目的，本发明提供一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法，包括平行束钢绞线拉索装置1、智能张拉装置2、监测装置3、锚固装置4和顶压装置5；
所述平行束钢绞线拉索装置1包括光纤光栅自感知钢绞线11和普通钢绞线12,光纤光栅自感知钢绞线11是由自感知钢绞线多缕边丝111与光纤光栅自感知中心丝112扭绞而成；普通钢绞线12由普通钢绞线多缕边丝121与普通中心丝122扭绞而成；光纤光栅自感知中心丝112上设有凹槽1121，凹槽1121内设有光纤光栅传感器13，光纤光栅传感器13由光纤131和光纤上刻有的一个或多个光栅132组成，光纤光栅传感器13设有光纤光栅传感器端部引线133；
所述智能张拉装置2包括智能张拉千斤顶21、高压油管22和智能液压油泵控制装置23；智能张拉千斤顶21由穿心张拉夹持装置211、第一工作锚具210、第二工作锚具212组成；穿心张拉夹持装置211与智能张拉千斤顶21可拆卸静连接，第一工作锚具210设置于智能张拉千斤顶21的尾部，第二工作锚具212设置于穿心张拉夹持装置211的头部；智能液压油泵控制装置23包括无线传输装置、电机、控制阀、液压变送器和油箱，智能液压油泵控制装置23通过高压油管22动力连接智能张拉千斤顶21；
所述监测装置3包括跳线31、光纤光栅解调仪32、数据线33和电脑34，电脑34设有无线传输装置，电脑34通过数据线33电连接解调仪32；
所述锚固装置4包括锚垫板41、工作锚板42、单孔锚具43、螺母45和保护罩44；
所述光纤光栅解调仪32通过跳线31电连接光纤光栅传感器端部引线133，电脑34无线连接智能液压油泵控制装置23。
优选的，所述光纤光栅传感器13在凹槽1121内用胶粘剂14粘贴封装。
优选的，所述穿心张拉夹持装置211与智能张拉千斤顶21可拆卸静连接方式包括螺栓连接、螺纹连接。
优选的，所述单孔锚具43数量与拉索中的钢绞线数量相等。
优选的，所述保护罩44设有螺帽口441。
优选的，所述凹槽1121宽为0.5～1.0mm，深为0.5～0.8mm。
优选的，所述光纤光栅自感知钢绞线11位于钢绞线的最外层。
一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置的安装方法，包括如下步骤：
步骤一：根据承载力设计，确定平行束钢绞线拉索装置1中钢绞线的根数、型号、强度相关系数，并确定一根或多根钢绞线为光纤光栅自感知钢绞线11，为便于张拉和引线，光纤光栅自感知钢绞线11位于拉索外侧，其余钢绞线为普通钢绞线12；
步骤二：光纤光栅自感知钢绞线11制作如下：取普通钢绞线，机械打散为自感知钢绞线多缕边丝111与中心丝112，在中心丝112上设置深为0.5～0.8mm，宽为0.5～1.0mm的凹槽1121，凹槽1121内用胶粘剂14粘贴封装光纤光栅传感器13，形成光纤光栅自感知中心丝112，再将自感知钢绞线多缕边丝111与光纤光栅自感知中心丝112扭绞成光纤光栅自感知钢绞线11；光纤光栅传感器13由光纤131和光纤上设有的一个或多个光栅132组成，要求粘贴封装好的光栅132与自感知钢绞线11协同变形，对光纤光栅自感知钢绞线11进行标定工作，确定光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
步骤三：按照设计，确定光纤光栅自感知钢绞线11在平行束钢绞线拉索装置1中的位置，进行穿索，穿索完成后，按如下方法安装：光纤光栅自感知钢绞线11张拉端穿过锚垫板41、工作锚板42、单孔锚具43、顶压装置5、智能张拉千斤顶21，安装过程中对光纤光栅传感器13的光纤光栅传感器端部引线133进行保护；光纤光栅传感器端部引线133与光纤光栅解调仪32通过跳线31连接，电脑34通过数据线33与光纤光栅解调仪32相连；智能液压油泵控制装置23与智能张拉千斤顶21通过高压油管22相连；电脑34与智能液压油泵控制装置23通过无线连接；电脑34根据预先标定的方程处理所述光纤光栅解调仪32数据，并计算得出油压来控制智能液压油泵控制装置23；
步骤四：待以上所有装置安装就位后，对光纤光栅自感知钢绞线11进行张拉，张拉过程中电脑34处理光纤光栅解调仪32数据，得出有效预应力值，直至达到设计值时停止张拉，同时记录智能液压油泵控制装置23的油压，作为后续逐根张拉普通钢绞线12时张拉控制应力的油压，张拉完成后对光纤光栅自感知钢绞线11进行锚固，取出智能张拉千斤顶21；
步骤五：重复步骤三与步骤四，逐根完成普通钢绞线12的安装和张拉工作，在对每根普通钢绞线12张拉力过程中，监测装置3始终保持对光纤光栅自感知钢绞线11的有效预应力的监测，按照步骤四中光纤光栅自感知钢绞线11完成张拉时电脑34记录的油压，作为张拉普通钢绞线12时张拉控制应力的油压，在最后一根普通钢绞线12张拉完成锚固后，取出智能张拉千斤顶21，拆掉顶压装置5，拆掉监测装置3，完成整束钢绞线的张拉；
步骤六：整束钢绞线张拉完成后，工作锚板42外用配套螺母45扭紧，对光纤光栅自感知钢绞线11露出单孔锚具43以外的部分的边丝打散，将光纤光栅传感器13的光纤光栅传感器端部引线133从光纤光栅自感知中心丝112的凹槽1121中取出并注意保护，对光纤光栅自感知钢绞线11和普通钢绞线12多余长度进行切除，离单孔锚具43的留有长度应符合设计要求和相关规范，装上保护罩44，取出的光纤光栅传感器端部引线133从保护罩44的螺帽口441中引出，为后期拉索服役后在线监测使用。
优选的，所述步骤二中光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数按如下公式计算：
Figure GDA0002883152450000061
其中：Kε--光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
Es--光纤光栅自感知钢绞线11的弹性模量(MPa)；
As--光纤光栅自感知钢绞线11的公称面积(mm2)；
λ1、λ2--张拉力为p1、p2时光纤光栅传感器13所对应的中心波长(nm)；
p1、p2--标定时的张拉力(N)；
标定时逐级张拉，最终Kε可按以上公式线性回归获得。
优选的，所述步骤四、步骤五中光纤光栅自感知钢绞线11的有效预应力值的计算公式如下：
Figure GDA0002883152450000062
其中：ps--光纤光栅自感知钢绞线11的有效预应力(N)；
Kε--标定时获得的光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
Es--光纤光栅自感知钢绞线11的弹性模量(MPa)；
As--光纤光栅自感知钢绞线11的公称面积(mm2)；
Δλ--光纤光栅传感器13所对应的中心波长变化量(nm)。
本发明的有益效果是：
1、数据精准、张拉质量好。本发明之光纤光栅自感知钢绞线集受力和监测于一体，兼具受力与传感特性，光纤光栅传感器所反映的力即为钢绞线的有效预应力，无须根据理论计算公式和经验值计算各种预应力损失反推张拉控制应力，张拉过程中即可对张拉装置和锚固装置进行标定，从而确定普通钢绞线的张拉控制应力。
2、无安装误差。本发明之光纤光栅传感器体积小，直接耦合在钢绞线的中心丝的凹槽内，无须额外安装，可解决传统的外加传感器安装偏差引起监测数据失真的弊端。
3、等张法张拉过程中工艺简便，工作效率高，安全度高：本发明去除了原常规等张法张拉过程中安装和拆卸获外加传感器的工序，简化了张拉工艺流程，使得整个张拉过程的工作效应和安全度得以提高。
4、为后期拉索服役期的长期远程在线监测提供实现途径：张拉过程中不破坏光纤光栅传感器，张拉完成后将光纤光栅传感器端部从保护罩的螺帽孔引出，在拉索后期服役时，可用跳线熔接光纤光栅传感器连接解调仪，配套监测装置，即可实现长期的远程在线监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：为平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置原理图；
图2：为平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置示意图；
图3：为等力张拉智能千斤顶结构及安装状态示意图；
图4：为光纤光栅自感知中心丝纵向结构示意图；
图5：为光纤光栅自感知中心丝横剖面示意图；
图6：为光纤光栅自感知钢绞线横截面示意图；
图7：为普通钢绞线横截面示意图；
图8：为张拉结束状态示意图。
图中，1-平行束钢绞线拉索装置，2-智能张拉装置，3-监测装置，4-锚固装置，5-顶压装置，11-光纤光栅自感知钢绞线，12-普通钢绞线，13-光纤光栅传感器，14-胶粘剂，21-智能张拉千斤顶，22-高压油管，23-智能液压油泵控制装置，31-跳线，32-光纤光栅解调仪，33-数据线，34-电脑，41-锚垫板，42-工作锚板，43-单孔锚具，44-保护罩，45-螺母，441-螺帽口，111-自感知钢绞线多缕边丝，112-光纤光栅自感知中心丝，121-普通钢绞线多缕边丝,122-普通中心丝，1121-凹槽，131-光纤，132-光栅，133-光纤光栅传感器端部引线，210-第一工作锚具，211-穿心张拉夹持装置，212-第二工作锚具。
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。
参考图1～8，一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法，包括平行束钢绞线拉索装置1、智能张拉装置2、监测装置3、锚固装置4和顶压装置5；
所述平行束钢绞线拉索装置1包括光纤光栅自感知钢绞线11和普通钢绞线12,光纤光栅自感知钢绞线11是由自感知钢绞线多缕边丝111与光纤光栅自感知中心丝112扭绞而成；普通钢绞线12由普通钢绞线多缕边丝121与普通中心丝122扭绞而成；光纤光栅自感知中心丝112上设有凹槽1121，凹槽1121内设有光纤光栅传感器13，光纤光栅传感器13由光纤131和光纤上刻有的一个或多个光栅132组成，光纤光栅传感器13设有光纤光栅传感器端部引线133；
所述智能张拉装置2包括智能张拉千斤顶21、高压油管22和智能液压油泵控制装置23；智能张拉千斤顶21由穿心张拉夹持装置211、第一工作锚具210、第二工作锚具212组成；穿心张拉夹持装置211与智能张拉千斤顶21可拆卸静连接，第一工作锚具210设置于智能张拉千斤顶21的尾部，第二工作锚具212设置于穿心张拉夹持装置211的头部；智能液压油泵控制装置23包括无线传输装置、电机、控制阀、液压变送器和油箱，智能液压油泵控制装置23通过高压油管22动力连接智能张拉千斤顶21；
所述监测装置3包括跳线31、光纤光栅解调仪32、数据线33和电脑34，电脑34设有无线传输装置，电脑34通过数据线33电连接解调仪32；
所述锚固装置4包括锚垫板41、工作锚板42、单孔锚具43、螺母45和保护罩44；
所述光纤光栅解调仪32通过跳线31电连接光纤光栅传感器端部引线133，电脑34无线连接智能液压油泵控制装置23。
进一步的，所述光纤光栅传感器13在凹槽1121内用胶粘剂14粘贴封装。
进一步的，所述穿心张拉夹持装置211与智能张拉千斤顶21可拆卸静连接方式包括螺栓连接、螺纹连接。
进一步的，所述单孔锚具43数量与拉索中的钢绞线数量相等。
进一步的，所述保护罩44设有螺帽口441。
进一步的，所述凹槽1121宽为0.5～1.0mm，深为0.5～0.8mm。
进一步的，所述光纤光栅自感知钢绞线11位于钢绞线的最外层。
一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置的安装方法，包括如下步骤：
步骤一：根据承载力设计，确定平行束钢绞线拉索装置1中钢绞线的根数、型号、强度相关系数，并确定一根或多根钢绞线为光纤光栅自感知钢绞线11，为便于张拉和引线，光纤光栅自感知钢绞线11位于拉索外侧，其余钢绞线为普通钢绞线12；
步骤二：光纤光栅自感知钢绞线11制作如下：取普通钢绞线，机械打散为自感知钢绞线多缕边丝111与中心丝112，在中心丝112上设置深为0.5～0.8mm，宽为0.5～1.0mm的凹槽1121，凹槽1121内用胶粘剂14粘贴封装光纤光栅传感器13，形成光纤光栅自感知中心丝112，再将自感知钢绞线多缕边丝111与光纤光栅自感知中心丝112扭绞成光纤光栅自感知钢绞线11；光纤光栅传感器13由光纤131和光纤上设有的一个或多个光栅132组成，要求粘贴封装好的光栅132与自感知钢绞线11协同变形，对光纤光栅自感知钢绞线11进行标定工作，确定光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
步骤三：按照设计，确定光纤光栅自感知钢绞线11在平行束钢绞线拉索装置1中的位置，进行穿索，穿索完成后，按如下方法安装：光纤光栅自感知钢绞线11张拉端穿过锚垫板41、工作锚板42、单孔锚具43、顶压装置5、智能张拉千斤顶21，安装过程中对光纤光栅传感器13的光纤光栅传感器端部引线133进行保护；光纤光栅传感器端部引线133与光纤光栅解调仪32通过跳线31连接，电脑34通过数据线33与光纤光栅解调仪32相连；智能液压油泵控制装置23与智能张拉千斤顶21通过高压油管22相连；电脑34与智能液压油泵控制装置23通过无线连接；电脑34根据预先标定的方程处理所述光纤光栅解调仪32数据，并计算得出油压来控制智能液压油泵控制装置23；
步骤四：待以上所有装置安装就位后，对光纤光栅自感知钢绞线11进行张拉，张拉过程中电脑34处理光纤光栅解调仪32数据，得出有效预应力值，直至达到设计值时停止张拉，同时记录智能液压油泵控制装置23的油压，作为后续逐根张拉普通钢绞线12时张拉控制应力的油压，张拉完成后对光纤光栅自感知钢绞线11进行锚固，取出智能张拉千斤顶21；
步骤五：重复步骤三与步骤四，逐根完成普通钢绞线12的安装和张拉工作，在对每根普通钢绞线12张拉力过程中，监测装置3始终保持对光纤光栅自感知钢绞线11的有效预应力的监测，按照步骤四中光纤光栅自感知钢绞线11完成张拉时电脑34记录的油压，作为张拉普通钢绞线12时张拉控制应力的油压，在最后一根普通钢绞线12张拉完成锚固后，取出智能张拉千斤顶21，拆掉顶压装置5，拆掉监测装置3，完成整束钢绞线的张拉；
步骤六：整束钢绞线张拉完成后，工作锚板42外用配套螺母45扭紧，对光纤光栅自感知钢绞线11露出单孔锚具43以外的部分的边丝打散，将光纤光栅传感器13的光纤光栅传感器端部引线133从光纤光栅自感知中心丝112的凹槽1121中取出并注意保护，对光纤光栅自感知钢绞线11和普通钢绞线12多余长度进行切除，离单孔锚具43的留有长度应符合设计要求和相关规范，装上保护罩44，取出的光纤光栅传感器端部引线133从保护罩44的螺帽口441中引出，为后期拉索服役后在线监测使用。
进一步的，所述步骤二中光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数按如下公式计算：
Figure GDA0002883152450000121
其中：Kε--光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
Es--光纤光栅自感知钢绞线11的弹性模量(MPa)；
As--光纤光栅自感知钢绞线11的公称面积(mm2)；
λ1、λ2--张拉力为p1、p2时光纤光栅传感器13所对应的中心波长(nm)；
p1、p2--标定时的张拉力(N)；
标定时逐级张拉，最终Kε可按以上公式线性回归获得。
进一步的，所述步骤四、步骤五中光纤光栅自感知钢绞线11的有效预应力值的计算公式如下：
Figure GDA0002883152450000122
其中：ps--光纤光栅自感知钢绞线11的有效预应力(N)；
Kε--标定时获得的光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
Es--光纤光栅自感知钢绞线11的弹性模量(MPa)；
As--光纤光栅自感知钢绞线11的公称面积(mm2)；
Δλ--光纤光栅传感器13所对应的中心波长变化量(nm)。
具体实施例1：
湖南某桥梁，其拉索结构为平行束钢绞线拉索，拉索的预应力张拉采用本发明一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法。装置包括平行束钢绞线拉索装置、智能张拉装置、监测装置和锚固装置和顶压装置。平行束钢绞线拉索装置包括光纤光栅自感知钢绞线和普通钢绞线；智能张拉装置包括智能张拉千斤顶、高压油管和智能液压油泵控制装置；监测装置包括跳线、光纤光栅解调仪、数据线和电脑。智能张拉装置对光纤光栅自感知钢绞线和普通钢绞线进行等力张拉达到张拉控制力值后通过锚固装置进行锚固。在整个张拉过程中，首先张拉光纤光栅自感知钢绞线达到张拉控制力，然后续逐根张拉普通钢绞线张拉过程中，监测装置保持对光纤光栅自感知钢绞线的力的监测，实时获知张拉控制力，并无线控制智能张拉装置的智能液压油泵控制装置，使其张拉控制应力与实时获得的光纤光栅自感知钢绞线的张拉力相等。以求整束拉索中所有钢绞线包括光纤光栅自感知钢绞线和普通钢绞线张拉后所获预应力均匀相等并达到设计力值，保障拉索达到以预定的安全裕度和良好的动静载性能。张拉过程中，光纤光栅自感知钢绞线和普通钢绞线是结构的承力部件，承担相等的预应力，施工时采用逐根张拉的方式进行，并且每根张拉控制应力相等。
具体步骤是：
步骤一、根据设计，取平行束钢绞线拉索装置中一根或多根钢绞线为光纤光栅自感知钢绞线。
步骤二、机械打散为多缕边丝与中心丝，在中心丝上设置深为0.6mm，宽为0.8mm的凹槽，凹槽内用胶粘剂粘贴封装光纤光栅传感器，形成光纤光栅自感知中心丝，再将边丝与光纤光栅自感知中心丝扭绞成光纤光栅自感知钢绞线。光纤光栅传感器由光纤和光纤上刻有的一个或多个光栅组成，要求粘贴封装好的光栅与自感知钢绞线11协同变形。对光纤光栅自感知钢绞线进行标定工作，确定光纤光栅自感知钢绞线11的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数。
步骤三、确定光纤光栅自感知钢绞线在钢绞线拉索本体中的外侧位置，进行穿索，穿索完成后，按如下方法安装：光纤光栅自感知钢绞线张拉端穿过锚垫板、工作锚板、单孔锚具、顶压装置、智能千斤顶，安装过程中对光纤光栅传感器的端部引线进行保护；端部引线与光纤光栅解调仪通过跳线连接，电脑通过数据线与光纤光栅解调仪32相连；智能油泵控制系统与智能千斤顶通过高压油管相连；电脑与智能油泵控制系统通过无线连接。电脑根据预先标定的方程处理所述解调仪数据，并计算得出油压来控制所述智能油泵控制系统。
步骤四、待以上所有装置安装就位后，利用智能千斤顶对光纤光栅自感知钢绞线进行张拉，张拉过程中电脑处理所述解调仪数据，得出有效预应力值，直至达到设计值时停止张拉，同时记录所述智能油泵控制系统的油压，作为后续逐根张拉普通钢绞线时张拉控制应力的油压。张拉完成后对光纤光栅自感知钢绞线用单孔锚具进行锚固，取出所述智能张拉千斤顶。
步骤五、按照步骤三与步骤四，逐根完成普通钢绞线的安装和张拉工作，在对每根普通钢绞线张拉力过程中，监测装置始终保持对光纤光栅自感知钢绞线的有效预应力的监测。按照步骤五中光纤光栅自感知钢绞线完成张拉时电脑记录的油压，作为张拉普通钢绞线时张拉控制应力的油压。在最后一根普通钢绞线张拉完成用单孔锚具锚固好后，取出智能张拉千斤顶，拆掉顶压装置，拆掉监测装置，完成整束钢绞线的张拉。
步骤六、整束钢绞线张拉完成后，工作锚板外用配套螺母扭紧，对光纤光栅自感知钢绞线露出单孔锚具以外的部分的边丝打散，将光纤光栅传感器的端部引线从光纤光栅自感知中心丝的凹槽中取出并注意保护。对光纤光栅自感知钢绞线和普通钢绞线多余长度进行切除，离单孔锚具的留有长度应符合设计要求和相关规范。装上保护罩，取出的端部引线从保护罩的螺帽口中引出，为后期拉索服役后在线监测使用。
本发明的工作原理是：
平行束钢绞线拉索其预应力的产生是通过千斤顶逐根张拉所有的拉索中的钢绞线，为保障拉索达到以预定的安全裕度和良好的动静载性能，要求拉索中所有的钢绞线均达到相同的设计预应力值。预应力张拉施工时会产生各种预应力的损失，有效预应力值为张拉控制力减去各种预应力损失，目前只能采有理论推导和经验值计算各种预应力损失，从而得到有效预应力值，采用常规的手段无法直拉监测到有效预应力。
本发明之平行束钢绞拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法，采用的光纤光栅自感知钢绞线利用光纤光栅纤细，易于耦合到结构件内部以及有传感特性稳定，精度高，抗电磁干扰等优点，在不降低普通钢绞线的力学性能指标前提下，在其中心丝嵌入光纤光栅制成；嵌入的光纤光栅传感器与基体钢绞线协同变形，形成受力和监测于一体的自感知钢绞线。
本发明之平行束钢绞拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法按上述步骤进行等张法智能张拉，通过安装有光纤光栅传感器的自感知钢绞线监测整个张拉过程，可获得与常规的等张法难以实现的有益效果。为突出本发明的实施效果，特将本发明的智能张拉装置和方法与常规等张法的装置与方法进行对比，如表1所示：
Figure GDA0002883152450000151
Figure GDA0002883152450000161
表1
从表1可以看出，相比常规等张法的装置与方法，本发明之平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置与方法在张拉质量、监测数据精度、有效应力的监测、张拉工艺流程和工作效率、张拉过程中的安全度、成本以及后期远程监测的实现等方面具有明显的有益效果。
综上所述，本发明单边螺栓紧固件无需对封闭截面进行开孔，由施工人员在单侧作业即可完成封闭构件的连接紧固，结构简单，操作方便，安装快捷，有效克服了现有技术中的种种缺点而具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，包括平行束钢绞线拉索装置(1)、智能张拉装置(2)、监测装置(3)、锚固装置(4)和顶压装置(5)；所述平行束钢绞线拉索装置(1)包括光纤光栅自感知钢绞线(11)和普通钢绞线(12),所述光纤光栅自感知钢绞线(11)是由自感知钢绞线多缕边丝(111)与光纤光栅自感知中心丝(112)扭绞而成；所述普通钢绞线(12)由普通钢绞线多缕边丝(121)与普通中心丝(122)扭绞而成；所述光纤光栅自感知中心丝(112)上设有凹槽(1121)，所述凹槽(1121)内设有光纤光栅传感器(13)，所述光纤光栅传感器(13)由光纤(131)和光纤上刻有的一个或多个光栅(132)组成，所述光纤光栅传感器(13)设有光纤光栅传感器端部引线(133)；所述智能张拉装置(2)包括智能张拉千斤顶(21)、高压油管(22)和智能液压油泵控制装置(23)；所述智能张拉千斤顶(21)由穿心张拉夹持装置(211)、第一工作锚具(210)、第二工作锚具(212)组成；所述穿心张拉夹持装置(211)与所述智能张拉千斤顶(21)可拆卸静连接，所述第一工作锚具(210)设置于智能张拉千斤顶(21)的尾部，所述第二工作锚具(212)设置于穿心张拉夹持装置(211)的头部；
所述智能液压油泵控制装置(23)包括无线传输装置、电机、控制阀、液压变送器和油箱，所述智能液压油泵控制装置(23)通过所述高压油管(22)动力连接智能张拉千斤顶(21)；所述监测装置(3)包括跳线(31)、光纤光栅解调仪(32)、数据线(33)和电脑(34)，所述电脑(34)设有无线传输装置，电脑(34)通过数据线(33)电连接光纤光栅解调仪(32)；所述锚固装置(4)包括锚垫板(41)、工作锚板(42)、单孔锚具(43)、螺母(45)和保护罩(44)；所述光纤光栅解调仪(32)通过所述跳线(31)电连接所述光纤光栅传感器端部引线(133)，所述电脑(34)无线连接所述智能液压油泵控制装置(23)。
2.根据权利要求1所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器(13)在凹槽(1121)内用胶粘剂(14)粘贴封装。
3.根据权利要求1所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，所述穿心张拉夹持装置(211)与所述智能张拉千斤顶(21)可拆卸静连接方式包括螺栓连接、螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，所述单孔锚具(43)数量与拉索中的钢绞线数量相等。
5.根据权利要求1所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，所述保护罩(44)设有螺帽口(441)。
6.根据权利要求1所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，所述凹槽(1121)宽为0.5～1.0mm，深为0.5～0.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置，其特征在于，所述光纤光栅自感知钢绞线(11)位于钢绞线的最外层。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据承载力设计，确定平行束钢绞线拉索装置(1)中钢绞线的根数、型号、强度相关系数，并确定一根或多根钢绞线为光纤光栅自感知钢绞线(11)，为便于张拉和引线，光纤光栅自感知钢绞线(11)位于拉索外侧，其余钢绞线为普通钢绞线(12)；
步骤二：光纤光栅自感知钢绞线(11)制作如下：取普通钢绞线，机械打散为自感知钢绞线多缕边丝(111)与光纤光栅自感知中心丝(112)，在光纤光栅自感知中心丝(112)上设置深为0.5～0.8mm，宽为0.5～1.0mm的凹槽(1121)，凹槽(1121)内用胶粘剂(14)粘贴封装光纤光栅传感器(13)，形成光纤光栅自感知中心丝(112)，再将自感知钢绞线多缕边丝(111)与光纤光栅自感知中心丝(112)扭绞成光纤光栅自感知钢绞线(11)；光纤光栅传感器(13)由光纤(131)和光纤上设有的一个或多个光栅(132)组成，要求粘贴封装好的所述光栅(132)与自感知钢绞线(11)协同变形，对光纤光栅自感知钢绞线(11)进行标定工作，确定光纤光栅自感知钢绞线(11)的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
步骤三：按照设计，确定光纤光栅自感知钢绞线(11)在平行束钢绞线拉索装置(1)中的位置，进行穿索，穿索完成后，按如下方法安装：光纤光栅自感知钢绞线(11)张拉端穿过锚垫板(41)、工作锚板(42)、单孔锚具(43)、顶压装置(5)、智能张拉千斤顶(21)，安装过程中对光纤光栅传感器(13)的光纤光栅传感器端部引线(133)进行保护；光纤光栅传感器端部引线(133)与光纤光栅解调仪(32)通过跳线(31)连接，电脑(34)通过数据线(33)与光纤光栅解调仪(32)相连；智能液压油泵控制装置(23)与智能张拉千斤顶(21)通过高压油管(22)相连；电脑(34)与智能液压油泵控制装置(23)通过无线连接；电脑(34)根据预先标定的方程处理光纤光栅解调仪(32)数据，并计算得出油压来控制智能液压油泵控制装置(23)；
步骤四：待以上所有装置安装就位后，对光纤光栅自感知钢绞线(11)进行张拉，张拉过程中电脑(34)处理光纤光栅解调仪(32)数据，得出有效预应力值，直至达到设计值时停止张拉，同时记录所述智能液压油泵控制装置(23)的油压，作为后续逐根张拉普通钢绞线(12)时张拉控制应力的油压，张拉完成后对光纤光栅自感知钢绞线(11)进行锚固，取出智能张拉千斤顶(21)；
步骤五：重复步骤三与步骤四，逐根完成普通钢绞线(12)的安装和张拉工作，在对每根普通钢绞线(12)张拉力过程中，监测装置(3)始终保持对光纤光栅自感知钢绞线(11)的有效预应力的监测，按照步骤四中光纤光栅自感知钢绞线(11)完成张拉时电脑(34)记录的油压，作为张拉普通钢绞线(12)时张拉控制应力的油压，在最后一根普通钢绞线(12)张拉完成锚固后，取出智能张拉千斤顶(21)，拆除顶压装置(5)，拆除监测装置(3)，完成整束钢绞线的张拉；步骤六：整束钢绞线张拉完成后，工作锚板(42)外用配套螺母(45)扭紧，对光纤光栅自感知钢绞线(11)露出单孔锚具(43)以外的部分的边丝打散，将光纤光栅传感器(13)的光纤光栅传感器端部引线(133)从光纤光栅自感知中心丝(112)的凹槽(1121)中取出并注意保护，对光纤光栅自感知钢绞线(11)和普通钢绞线(12)多余长度进行切除，离单孔锚具(43)的留有长度应符合设计要求和相关规范，装上保护罩(44)，取出的光纤光栅传感器端部引线(133)从保护罩(44)的螺帽口(441)中引出，为后期拉索服役后在线监测使用。
9.根据权利要求8所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置的安装方法，其特征在于，所述步骤二中光纤光栅自感知钢绞线(11)的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数按如下公式计算：
Figure FDA0002883152440000051
其中：Kε--光纤光栅自感知钢绞线(11)的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
Es--光纤光栅自感知钢绞线(11)的弹性模量(MPa)；
As--光纤光栅自感知钢绞线(11)的公称面积(mm2)；
λ1、λ2--张拉力为p1、p2时光纤光栅传感器(13)所对应的中心波长(nm)；
p1、p2--标定时的张拉力(N)；
标定时逐级张拉，最终Kε可按以上公式线性回归获得。
10.根据权利要求8所述的一种平行束钢绞线拉索光纤光栅传感器等张法智能张拉装置的安装方法，其特征在于，所述步骤四、步骤五中光纤光栅自感知钢绞线(11)的有效预应力值的计算公式如下：
Figure FDA0002883152440000052
其中：ps--光纤光栅自感知钢绞线(11)的有效预应力(N)；
Kε-标定时获得的光纤光栅自感知钢绞线(11)的轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；
Es--光纤光栅自感知钢绞线(11)的弹性模量(MPa)；
As--光纤光栅自感知钢绞线(11)的公称面积(mm2)；
Δλ--光纤光栅传感器(13)所对应的中心波长变化量(nm)。
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Application publication date: 20191119

Assignee: Guangxi Jianhong Engineering Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022450000096

Denomination of invention: An Intelligent Tensioning Device and Method for Parallel Strand Cable Optical Fiber Equal Tension Method

Granted publication date: 20210330

License type: Common License

Record date: 20221121

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