光纤光栅纤维增强树脂筋智能拉索

摘要

本发明提供的是一种光纤光栅纤维增强树脂筋智能拉索。它包括由纤维增强筋和含光纤光栅传感器的纤维增强筋组成的拉索，含光纤光栅传感器的纤维增强筋分布于纤维增强筋中，在拉索外覆盖护套，拉索的端部带有锚头。本发明将光纤光栅、纤维增强筋与拉索有机结合，使在具有纤维增强的高强度、轻质量、耐蠕变、耐腐蚀等特性外，具备了光纤光栅的所有优点。可广泛用于斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥、缆索等需要拉索构件的工程结构。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种用于系杆拱桥、斜拉桥、悬索桥、缆索等拉索体系的智能拉索，具体地说是一种高强度、轻质量、耐疲劳、耐腐蚀且具有在线实时监测功能的拉索。

(二)背景技术

斜拉桥的拉索、系杆拱桥的吊杆、悬索桥和索道的缆索等构件是桥梁、索道等结构的核心构件，素有“生命线”之称。由于环境的影响，当前的钢丝拉索容易生锈腐蚀、疲劳损伤，服役期往往比预先设计的短得多。近几年来，拉索的断损和换索的事例，国内外时有发生。拉索的换索费用是很高的，一般在原桥总造价的一倍以上，为原拉索造价的数十倍。如德国KohibrandEstuary桥，建成3年后换索，耗资6000万美元，为原造价的4倍。可以说，拉索的损伤将会造成经济上的巨大损失，甚至会给人类带来巨大的灾难，因此如何开发新型拉索是一个极其重要且迫需解决的课题。

另一方面，如何实现对拉索长期工作状态的实时监测，确保使用期内拉索安全运行，也是拉索技术发展的关键。目前对索的受力测试和损伤评价主要采用加速度测试、腐蚀检测、磁圈检测等技术，这些技术存在精度低、可操作性差、受干扰影响大、稳定性差、不能实现在线实时监测等缺点。因此，拉索的受力测试和损伤评估亟需可靠的测试手段和技术。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有智能特性的光纤光栅纤维增强树脂筋智能拉索。

本发明的目的是这样实现的：它包括由纤维增强筋和含光纤光栅传感器的纤维增强筋组成的拉索，含光纤光栅传感器的纤维增强筋分布于纤维增强筋中，在拉索外覆盖护套，拉索的端部带有锚头。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、在含光纤光栅传感器的纤维增强筋中设置的光线光栅传感器包括监测光纤光栅传感器和温度补偿光纤光栅传感器，其中温度补偿光纤光栅悬空封装在金属毛细管中。

2、含光纤光栅传感器的纤维增强筋的信号传输光纤从锚头端部引出，其锚头端部开有预留孔。

3、含光纤光栅传感器的纤维增强筋的信号传输光纤从锚头导管上引出，其导管上开有预留孔。

4、在引出信号传输光纤的预留孔处设置有保护盒。

5、含光纤光栅传感器的纤维增强筋在拉索截面中间及周向布置。

纤维增强复合材料具有轻质、高强、不锈蚀、耐腐蚀、耐疲劳等优异性能，是新型拉索体系能胜任的材料。

近期发展起来的光纤光栅传感技术为实现拉索在线实时监测目的提供了良好的技术手段，能满足现在拉索监测的高精度和长期性的技术要求。

本发明结合纤维增强筋的物理力学特性、光纤布拉格光栅的感知特性和拉索的受力特点研制开发的光纤光栅纤维增强智能索。

光纤光栅测试技术是基于波长信息的绝对测量技术。由于光纤光栅具有波长选择性、与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体积小、成本低廉等特性，其突出的优点是：能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；不受潮湿环境影响；耐久性好，具有抵抗包括高温(小于600℃)在内的各种恶劣环境及化学侵蚀的能力，具有承受振动和冲击的能力；质量轻、体积小、对结构影响小、易于布置；既可以实现点测量，也可以实现分布式测量；绝对测量；节省线路，只用一根线就可以传送结构状态信号；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；频带宽，信噪比高等。目前，光纤光栅传感器已经广泛用于土木工程、航空航天、石油化工、医学、环境工程等领域。

纤维增强筋具有强度高、质量轻、耐蠕变、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，而且容易加工成型，能很方便地埋入光纤光栅传感器。

本发明将光纤光栅、纤维增强筋与拉索有机结合，使在具有纤维增强的高强度、轻质量、耐蠕变、耐腐蚀等特性外，具备了光纤光栅的所有优点：如传感精度高(可达1～2με)、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、稳定性与耐久性好等，可以方便地掌握拉索在施工和服役期间的受力情况，从而可以指导拉索的预应力张拉与施工，并为服役拉索的损伤识别和换索决策提供直接的信息。通过内外周向布置光纤光栅可以方便把握拉索内部筋的受力不均情况。这种智能拉索是光纤光栅的一种优良封装保护，克服了裸光纤光栅难以适应拉索结构粗放式施工的要求，并充分发挥光纤光栅的优良传感器性能。此外，智能拉索可以根据工程实际需要，切割成任意长度，将传输光缆引出即可。这种拉索使用非常方便，特别适于产业化生产。

本发明结合纤维增强筋复合材料的力学性能、拉索受力特点和光纤布拉格光栅的感知特性研制开发的光纤光栅纤维增强智能索，可广泛用于斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥、缆索等需要拉索构件的工程结构。

(四)附图说明

图1是本发明的含光纤光栅传感器的纤维增强筋的示意图；

图2是本发明的一种实施方案的截面示意图；

图3是本发明的实施方案的光纤光栅布置示意图；

图4和图5是本发明的两种信号传输光纤的引出部位结构示意图；

图6是图1的剖视图。

(五)具体实施方案

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图2，光纤光栅智能拉索的组成包括由含光纤光栅传感器的纤维增强筋2和纤维增强筋3组合成型的拉索，拉索外覆盖护套4。拉索的端部带有锚头。同时结合图1和图7，含光纤光栅传感器的纤维增强筋中埋有光纤光栅传感器1。同时结合图3，在含光纤光栅传感器的纤维增强筋中设置的光线光栅传感器包括监测光纤光栅传感器6和温度补偿光纤光栅传感器7，其中温度补偿光纤光栅悬空封装在金属毛细管8中。结合图5和图6，拉索端部的锚头可以有两种形式：一种是含光纤光栅传感器的纤维增强筋的信号传输光纤从锚头端部引出，其锚头端部开有预留孔9，在引出信号传输光纤的预留孔处设置有保护盒10；另一种是含光纤光栅传感器的纤维增强筋的信号传输光纤从锚头导管11上引出，其导管上开有预留孔9，在引出信号传输光纤的预留孔处设置有保护盒10。含光纤光栅传感器的纤维增强筋在拉索截面中间及周向布置。

本发明的产品可以采用下述方法来制作：

1)计算拉索纤维增强筋2的下料长度，确定光纤光栅传感器在拉索长度方向上的位置，并计算出口光缆的最小长度，然后将合适长度的光纤光栅1跟纤维一起牵拉，采用热挤法制成含光纤光栅的纤维增强筋2。考虑到拉索服役监测期间的温度影响，在布设的光纤光栅6、7中让其中一个悬空，只感受温度信息，用作温度补偿。必须注意的是：温度补偿用光栅7必须置于毛细金属管8内，并悬空，使其处于自由伸缩状态。

2)采用热挤法制作纤维增强筋3，并按需要截断；

3)根据埋入光纤光栅纤维增强筋在拉索横断面的优化布置图(见图2)，将埋入光纤光栅的纤维增强筋2跟纤维增强筋3组合编制成正六边形或缺角正六边形的拉索。

3)将编制好的拉索，通过热挤高密度聚乙烯防护或加其它护套4防护，形成智能拉索5。

4)在拉索加锚具成套处理时，将信号传输光缆1从拉索中引出，并与光纤跳线连接。传输光缆可以从锚端部导管引出。它们可以分别用下述方法实现：

针对从锚头引出情况，首先在锚头开预留孔9，然后将传输光纤1引出，并置于预制的保护盒10内即可；

针对从导管引出情况，预先在导管11上开预留孔9，引出光缆1，并用保护盒10进行保护。待实测时，将信号传输光缆1引出即可。

智能拉索服役期间状态评定：采用校验系数来评定拉索的使用状态

正常使用情况下，校验系数小于1，并且越小越安全；当校验系数接近或大于等于1时，认为拉索达到了极限状态。