CN203259173U

CN203259173U - 一种光纤桥梁拉索锈蚀监测传感器

Info

Publication number: CN203259173U
Application number: CN 201320299843
Authority: CN
Inventors: 赵雪峰; 李冬生; 孙长森
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2023-05-28

Abstract

一种光纤桥梁拉索锈蚀监测传感器，应用基于光纤布里渊传感技术的光纤传感结构与基于光纤白光干涉传感技术的光纤传感结构，实现锈蚀定量监测。该锈蚀监测方法以缠绕在钢丝束外表面或加砂浆垫层的镀锌钢丝外表面的单模光导纤维作为传感单元，可以实现对锈蚀引起的钢丝束或单根镀锌钢丝周向锈蚀膨胀应变的长期，稳定监测。光纤桥梁拉索锈蚀监测传感方法的传感结构包括：镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块、钢丝束锈蚀膨胀监测模块、温度补偿光纤光栅、信号传输段光缆及保护钢套管。本实用新型主要针对两类索体部位进行锈蚀监测。第一类是位于锚头端部的单根镀锌钢丝，第二类是位于锚头中部以及索体内部的钢丝束。该传感器适用于拉索锈蚀的长期监测，精确度高，寿命长。

Description

一种光纤桥梁拉索锈蚀监测传感器

技术领域

本发明属于土木工程桥梁结构安全监测领域，涉及到桥梁拉索锈蚀监测的一种光纤监测传感器。

背景技术

桥梁拉索将桥面系荷载传递给塔（主拱），桥面系荷载包括桥面自重的恒荷载和车辆、风及温度等荷载，拉索在活荷载作用下将产生疲劳效应，导致疲劳累积损伤；此外，由于拉索桥梁是超静定结构，其它构件的变形和损伤也会导致桥梁拉索受力状态的变化，如汤国栋的检测结果表明，设计和成桥时受力基本相同的拉索在服役8年后，最长拉杆的内力与最短拉索内力相差20余倍，这就使拉索的服役安全存在着相当大的隐患。另外，拉索暴露在大气环境中，雨水和污染空气（包括车辆尾气）的侵蚀将导致拉索应力锈蚀。通过目前桥梁检测结果分析，锈蚀是桥梁拉索最普遍、最严重损伤的形式。桥梁拉拉索损伤发生的部位包括桥梁拉索索体和锚头，一般锚头比桥梁拉索的索体损伤严重，下锚头比上锚头严重。

桥梁拉索锈蚀损伤与拉索的防护措施有关。我国早期建造的拉索桥梁常采用预应力或部分预应力拉索，这类拉索主要是通过混凝土来避免钢筋锈蚀；第二类是采用不锈钢套管防护，不锈钢套管内浇注混凝土或砂浆；第三类是近年常采用的热挤PE套。早期的锚头常采用混凝土进行封锚；也有采用钢套筒，然后浇注混凝土或采用其它密封材料进行封锚。导致拉索发生锈蚀的主要原因有：

1)灌注砂浆及钢套管结合不密实造成钢绞线与外界接触，空气中的水分和酸性物质与钢绞线发生化学反应，导致钢绞线锈蚀；

2)封锚混凝土不密实或开裂造成积水进入拉索并沿钢绞线束间隙渗入钢绞线内部造成其锈蚀，且中丝较外丝锈蚀严重；

3)锚头防护缺陷使空气、雨水与锚具、垫板等直接接触而产生锈蚀，并延伸锈蚀至钢绞线；

4)钢绞线与套管摩擦损伤表面氧化膜加速其锈蚀。

随着服役时间的增加，在应力作用下，拉索的锈蚀程度将不断累积，钢绞线（平行钢丝）的承载断面将不断削弱，极端的情况下，拉索将发生断裂，如建于1969年至1974年德国汉堡库尔不兰特桥，由于斜拉索锈蚀严重，在建成的第三年，就更换了所有的斜拉索，耗资6000万美元，而换索的造价为新建的3～4倍。

目前桥梁拉索锈蚀损伤检测的方法有：1）人工检测方法：主要是检查索系统是否遭受锈蚀，各紧固件是否松动，索体是否有倾斜；优点是定性地直观检查；缺点是检测费人力物力，检查范围有限且检测结果为定性难满足评定要求，对突发性事故无法实现及时检测与监测。2）超声波检测方法：主要用来检测平行钢丝或者钢绞线表面裂纹、锈坑，但由于拉索索体由多根平行钢丝或者钢绞线组成，截面形状复杂、锈蚀损伤位置不确定，超声波仅仅能检测表面缺陷，此外，锚头形状复杂，超声波检测存在较大的盲区。3）放射线检测法：可以检测拉索内部损伤和缺陷，能较准确地得到拉索索体内部的锈蚀和断丝以及滑丝等损伤，但检测锚头精度不高，缺点是为了屏蔽对人体的辐射，射线装置往往较大。4）电化学检测方法：电化学检测主要针对单根钢筋或者钢绞线，对多根平行钢丝或者钢绞线组成的拉索其检测效果欠佳，尤其现在的评定方法基本上是根据电位差的范围定性判断拉索的锈蚀状况，没有办法进行定量和实时测试。因而发展高精度、布设方便、实时监测的桥梁拉索锈蚀监测传感器具有重要的意义。

针对上述问题，为了实现桥梁拉索索体、特别是锚头锈蚀的高耐久性、高精度、实时监测。本发明提出一种基于光纤布里渊与白光干涉两种光纤传感技术的拉索锈蚀定量监测方法，实现对锚头以及与锚头相连接的索体易锈蚀位置的锈蚀监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光纤桥梁拉索锈蚀监测传感器。应用基于光纤布里渊传感技术的光纤传感结构与基于光纤白光干涉传感技术的光纤传感结构，实现对拉索锚头内部单根镀锌钢丝测点以及索体钢丝束易产生锈蚀位置的锈蚀定量监测。该锈蚀监测方法以缠绕在钢丝束外表面或加砂浆垫层的镀锌钢丝外表面的单模光导纤维作为传感单元，可以实现对锈蚀引起的钢丝束或单根镀锌钢丝周向锈蚀膨胀应变的长期，稳定监测。

本发明的技术方案是：

光纤桥梁拉索锈蚀监测传感方法的传感结构包括：镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块、钢丝束锈蚀膨胀监测模块、温度补偿光纤光栅、信号传输段光缆及保护钢套管,在厚度为2.5mm的水泥砂浆垫层外侧缠绕3m长的光纤传感线圈；在钢丝束透气胶带层外侧均匀单层紧密缠绕两条并列的光导纤维，分别形成互相紧密嵌合在一起的两个光纤线圈；每个线圈的缠绕光纤长度为6-10m。

本发明主要针对两类索体部位进行锈蚀监测。第一类是位于锚头端部的单根镀锌钢丝，第二类是位于锚头中部以及索体内部的钢丝束。针对第一类部位，本发明为了增大光纤的缠绕半径，减小光纤光损，在镀锌钢丝外侧先制作一层水泥砂浆垫层。然后，在砂浆垫层外侧圆柱体表面缠绕光纤形成线圈。为了保证缠绕线圈与圆柱体表面紧密结合，需要在缠绕过程中，对光纤施加适量的预张拉应力。应用光纤布里渊传感技术实现对镀锌钢丝锈蚀膨胀的监测；针对第二类部位，首先在钢丝束外侧缠绕一层透气胶带，然后在柱状体表面将两根光纤并列缠绕形成两个互相紧密嵌合到一起的光纤线圈。其中一个线圈采用光纤布里渊传感技术实现对分布式膨胀应变的监测，另一个线圈采用光纤白光干涉传感技术实现缠绕光纤长度内钢丝束总体膨胀应变的监测。通过一个一端自由固定于钢管内部的温度补偿光纤光栅来修正环境温度对锈蚀膨胀应变监测结果影响，使应变监测更加精确的同时，同时实现拉索内部温度的测量。在拉索制作过程当中将钢丝锈蚀膨胀监测模块、钢丝束锈蚀膨胀监测模块、温度补偿光纤光栅以及连接各传感模块的信号传输段光缆及保护钢套管布设于锚头与索体内部。在实际应用过程中，采用光纤布里渊信号分析设备与光纤白光干涉信号分析设备进行信号采集。当锚头内测点处的镀锌钢丝在外界环境作用下产生锈蚀时，在钢丝表面产生的锈蚀产物的体积会大于锈蚀消耗的钢材料的体积，从而使得锈蚀钢丝会对水泥砂浆垫层产生膨胀作用。该膨胀产生的拉应变将引起缠绕在水泥砂浆圆柱体上光纤线圈内部的拉应变。光纤线圈拉应变可以通过光纤布里渊信号分析设备进行采集。另一方面，当锚头或索体内部钢丝束的部分钢丝或全部钢丝产生锈蚀的时候，钢丝表面积累的锈蚀产物同样会引起缠绕在钢丝束外侧的两个光纤线圈的膨胀拉应变反应。应用光纤布里渊传感技术实现对其中之一光纤线圈的锈蚀膨胀应变监测。根据光纤布里渊传感特点，可以监测到线圈缠绕长度内每隔一段距离（传感标距：10cm-50cm，视仪器性能而定）的分布式膨胀应变信息。应用光纤白光干涉传感技术实现另一个光纤线圈的锈蚀膨胀应变监测；根据白光干涉技术特点，可以得到整个线圈缠绕长度内的平均膨胀应变信息。两个并列缠绕的光纤线圈测量对象各有侧重。光纤布里渊光纤线圈可以监测到缠绕线圈长度内的分布式膨胀应变，由于光纤布里渊的应变传感灵敏度较低，该线圈适用于处在较为明显的锈蚀发展阶段的钢丝束锈蚀膨胀监测。光纤白光干涉光纤线圈可以监测到缠绕线圈总长度内的平均应变，由于其应变传感灵敏度高，该线圈适用于处在锈蚀发展初期阶段的钢丝束锈蚀监测，可以实现对缠绕光纤长度内的初期锈蚀膨胀探测。

本发明的效果和益处是，本发明采用高耐久性的光导纤维作为传感材料，提出采用光纤线圈实现镀锌钢丝与钢丝束锈蚀膨胀的监测。具体采用光纤布里渊传感器技术实现对单根镀锌钢丝锈蚀膨胀的监测。联合应用光纤布里渊与光纤白光干涉两种传感技术实现对钢丝束锈蚀初期阶段与锈蚀明显发展阶段的锈蚀监测。通过温度补偿光纤光栅的应用实现温度补偿。由于光导纤维的二氧化硅材料的高耐久，使得该传感器具有突出的高耐久性特点，结合光纤采集设备，可以实现拉索锈蚀的长期、实时的定量监测。

附图说明

图1是光纤桥梁拉索锈蚀监测传感结构布置示意图；

图2是镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块示意图；

图3是钢丝束锈蚀膨胀监测模块示意图；

图4是钢丝束锈蚀膨胀监测模块横截面示意图；

图中：1镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块；2钢丝束锈蚀膨胀监测模块；3温度补偿光纤光栅；4信号传输段光缆及保护钢套管；5钢管；6砂浆垫层；7砂浆保护层；8光纤布里渊光纤线圈；9光纤白光干涉光纤线圈；10透气胶带层；11镀锌钢丝；12钢丝束；13锚头-后盖；14锚头-锚板；15锚头-锚圈；16锚头-锚下垫板；17锚头-锚杯；18锚头-连接筒；19锚头-前盖；20锚头-聚乙烯护套；21锚头-护筒

具体实施方式

拉索的结构形式多样，现以冷铸墩头锚结构为例，结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。对于热铸锚结构，则仅需要测量钢丝束的锈蚀膨胀应变。

光纤桥梁拉索锈蚀监测传感方法的主要传感结构包括：镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块、钢丝束锈蚀膨胀监测模块、温度补偿光纤光栅、信号传输段光缆及保护钢套管，如图1所示。

本发明采用镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块实现对靠近锚板端部易产生锈蚀位置镀锌钢丝的锈蚀膨胀监测。首先应用模具在测点处钢丝外侧制作厚度为2.5mm，长50mm的砂浆垫层，制作过程中保证钢丝位于砂浆垫层圆柱体的轴线位置。然后在砂浆垫层圆柱表面，均匀单层紧密缠绕光导纤维形成光纤缠绕线圈，如图2所示。缠绕线圈所用光纤长度为3m，缠绕过程中，保证每个小线圈之间的紧密接触。缠绕过程中，保证光纤线圈内部具有一定预张拉应力，预张拉水平以1000-2000με为宜。待线圈缠绕完毕，采用502粘结剂将缠绕光纤两端固定在圆柱表面，两端光纤引出。最后在圆柱体外侧浇筑一层厚度为2mm的水泥砂浆保护层，完成对镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块的封装。该监测模块布置在钢丝靠近锚板端部最易发生锈蚀的部位，在钢丝束散开的界面圆周方向，每隔90°布设一个监测模块。

本发明采用钢丝束锈蚀膨胀监测模块实现对锚头内钢丝束与索体内钢丝束锈蚀膨胀的监测。首先在测点处钢丝束外侧均匀缠绕一层透气胶带。采用透气胶带的目的是为了使得钢丝束表面平整，以适合缠绕光纤。同时，透气胶带还能够保证不干扰引起钢丝锈蚀的锈蚀化学环境。然后，在透气胶带层外表面，均匀单层紧密缠绕两条并列的光导纤维，分别形成互相紧密嵌合在一起的两个光纤线圈，如图3、4所示。缠绕两个线圈所用的光纤长度分别为6-10m，缠绕过程中，保证每个小线圈之间的紧密相邻接触。缠绕过程中，保证光纤线圈内部具有一定预张拉应力，预张拉水平以1000-2000με为宜。待线圈缠绕完毕，采用502粘结剂将缠绕光纤两端固定在透气胶带表面，两端光纤引出。然后在两个光纤线圈的外侧在缠绕一层透气胶带进行保护。

本发明采用温度补偿光纤光栅来测量测点附近的温度，通过测得的温度变化来进行锈蚀膨胀应变温度补偿。将温度补偿光纤光栅一段保持自由，固定在钢管中，从而实现对应变变化的隔离，实现温度测量。本发明所涉及到的传感方法传感结构各监测模块元件引出的光纤，经由一个由内置钢管构成的路由通道引出索体。

Claims

1.一种光纤桥梁拉索锈蚀监测传感器，包括镀锌钢丝锈蚀膨胀监测模块、钢丝束锈蚀膨胀监测模块、温度补偿光纤光栅、信号传输段光缆及保护钢套管；其特征在于，在厚度为2.5mm的水泥砂浆垫层外侧缠绕3m长的光纤传感线圈；在钢丝束透气胶带层外侧均匀单层紧密缠绕两条并列的光导纤维，分别形成互相紧密嵌合在一起的两个光纤线圈；每个线圈的缠绕光纤长度为6-10m。

2.如权利要求1所述的一种光纤桥梁拉索锈蚀监测传感器，其特征在于，通过一个一端自由固定于钢管内部的温度补偿光纤光栅来修正环境温度对锈蚀膨胀应变监测结果的影响，使应变监测更加精确的同时，同时实现索体内部温度的测量。