基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法

摘要

本发明公开了一种基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法：将应变传感元件预制成细条状结构，将其在缆索锚头浇铸灌锚前固定在缆索锚头内的钢丝之间，并将传感器引线由锚固区尾端引出，通过灌锚工艺使应变传感元件与钢丝、锚杯成一个受力整体，以在不增加附加力学转换机构的情况下提高应变测量范围、满足缆索测量要求，并解决应变传感元件在锚头复杂结构中及钢缆索制造过程中难以成活的问题；在锚固料中添加稳定剂、在锚头浇铸固化之后进行退火处理以提高锚头的稳定性，并结合缆索出厂前的标定、确定缆索受力与应变传感器的应变输出关系，从而实现对缆索索力的在线测量，提高测量的准确度及长期可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及工程测量领域，特别涉及一种基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法。

背景技术

斜拉桥的拉索是桥梁的核心部件，素有生命线之称，由于构造设计、环境腐蚀、疲劳积累等原因，缆索难免出现不同程度的损伤和劣化，由于大桥的线型、内力分布、荷载及缆索本身的衰退、失效乃至桥梁整体的结构安全都会集中表现在缆索的受力上，为便于掌握缆索自身以及全桥的结构安全与营运状态，及时发现事故先兆、防止突发性事故发生，对缆索索力进行在线实时监测成为一项十分重要且具有广阔前景的工作。

现有的的索力测量方法主要分为外加检测部件、内部植入检测部件两类方法。

外加检测部件方法包括压力传感器法、振频法、磁弹性法等。其中，压力传感器法中，由于承力环与传感器都承受缆索的持续性压力，永无恢复的机会，极易造成承压环及其传感器疲劳，所以使用寿命有限；振频法由于测量结果受缆索自身的长度、密度、垂度等多个边界条件影响，而钢缆索在锚固区的边界条件往往具有较大的不确定性，导致计算结果差异很大；磁弹性法则因为线圈的磁参数不仅受缆索的张力影响，还受缆索自身材料、缆索防护材料的影响，更受环境温度、湿度的影响，因此测量精度较低。

内部植入检测部件法由于使传感器与缆索融合成一整体，使缆索具备自感知索力的能力，所以又称智能缆索技术。复合筋(应变传感器)法作为智能缆索技术的典型代表，虽然具有诸多的显著进步与优势，但仍存在尚待改进之处：在缆索扭绞过程中，复合筋需与单钢丝一起扭绞，承受非常大的剪切力作用，较易造成复合筋结构、传感元件的破坏，增加现场工艺实施难度，耗时费力；缆索索身部分的实际正常工作应变值在4000με左右，而现有光纤应变传感元件的稳定应变工作区间仅在3500με以下，同时，对于索力监测系统而言，不仅需能对正常工作阶段的缆索索力进行监测，更重要的是，必须能对桥梁及缆索结构发生轻微破坏情况下的异常索力进行连续的稳定监测，而一旦桥梁结构发生变异或缆索内部分钢丝发生断裂，缆索应变会大大增加，缆索应变范围大大超出现有应变传感技术的应变工作范围，所以缆索索身部分的应变测量区间大大超出现有应变传感元件的工作区间，如果超负荷工作，不仅会影响复合筋内传感元件与复合材料粘接界面的应变传导特性，而且影响最终索力测量的精度及长期可靠、稳定性，甚至导致传感元件破坏。

终上所述，必须探寻一种适合各种情况下索力可靠测量，且工艺实现较为简单的缆索索力测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法，通过在锚固区内植入长度小于锚固区轴向长度的应变传感器来测得与缆索张力对应的应变值，由对应关系实现对缆索索力的在线测量，解决了现有的植入式方法测量精度差、工作稳定性差的问题。

本发明的目的是提供一种基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法，包括以下步骤：

1)根据锚固区的尺寸、锚固区内缆索钢丝的数量，确定植入式应变传感器的待植入位置，其植入位置应保证与锚固区内缆索钢丝的方向平行；

2)根据步骤1)中待植入位置的情况，确定应变传感器的尺寸，并预制柔性条状结构应变传感器，预留足够长度的尾端引出线；

3)在缆索成缆工艺中的钢丝墩头环节结束后、锚头浇铸环节之前，将柔性条状结构的应变传感器按照预植入位置植入缆索锚固区；

4)将应变传感器的信号引出线自分丝板预留孔引出；

5)将应变传感器位置固定好后进行灌锚，添加稳定剂并进行高温固化，使应变传感器与锚固填料紧密接触固结成一体；

6)灌锚完成，待锚头浇铸固化之后对锚头进行退火处理；

7)利用缆索超张拉过程中的拉力值对传感器应变数据进行标定，建立应变传感元件的输出应变与缆索索力的关系，通过测量锚固区内的应变传感器元件的应力变化实现对缆索索力的测量。

进一步，在步骤3)中，在埋设前将应变传感器的表面进行粗化处理，使其表面具有摩擦阻力，便于与锚固填料紧密结合；

进一步，所述应变传感器外形为圆柱形或圆锥形的条状结构，而内部的传感元件设置在条状结构的轴线位置处；

进一步，在步骤3)中，所述应变传感器的待植入位置靠近分丝板的中心位置，且与锚固区轴线位置邻近的缆索钢丝平行或近似平行，且处于相邻钢丝轴线所围区域的中心或近似中心位置；

进一步，所述应变传感元件可为光纤光栅、光纤珐珀、电阻应变片或铟钢丝。

本发明的有益效果是：

1.缆索锚固区内应变较缆索索身应变有较大的衰减，由于测量索力无需测量绝对应变，而只需建立应变与缆索张力的线性关系，所以通过在锚固区内植入应变传感器，同样可建立锚固区应变与缆索张力的关系，并通过测量锚固区应变实现对索力的在线测量，本发明的方法通过在锚固区植入传感器，将缆索索身的大应变测量转化为小应变测量，以在不增加附加力学转换机构的情况下提高应变测量范围、满足缆索测量要求；

2.本发明通过将应变传感器预制成柔性条状结构，在锚头内的缆索钢丝之间固定、并浇铸在缆索锚头中，与锚头形成为一个受力整体的方式，解决应变传感元件在锚头复杂结构中及钢缆索制造过程中难以成活的问题，并提高应变测量的准确度；

3.本发明在锚头浇铸前将传感器引线由锚固区尾端引出、保护，以减小引出线长度，降低工艺难度，并降低成本；

4.本发明通过在锚固料中添加稳定剂、在锚头浇铸固化之后对锚头进行退火处理，提高锚头的稳定性、实现锚头受力的准确可靠测量。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为锚固区结构剖面示意图；

图2为锚固区内缆索钢丝的应变趋势图；

图3为应变传感器的封装结构示意图；

图4为应变传感器植入锚固区后的位置示意图；

图5为图4沿A向示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

1-缆索钢丝；2-锚固填料；3-锚杯；4-分丝板；5-应变传感器，6-应变传感元件，7-应变信号输出线。

如图1、图2所示，根据力学分析可知，锚固区内缆索钢丝的应变呈指数衰减的趋势，所以通过在锚固区内植入应变传感器，就可将缆索索身的大应变测量转化为缆索锚固区的小应变测量，降低成本及实现难度。

本发明采用光纤光栅作为应变传感元件6，光纤光栅传感器(OpticalFiber Bragg Grating，OFBG)是一种性能优良的敏感元件，可通过布拉格反射波长的移动来感应外界的微小应变变化而实现对结构应力的在线测量，它不仅具有不怕恶劣环境、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、集传感与传输为一身、构造简单、使用方便等特点，而且还具有可对结构的应变进行高精度绝对测量、准分布式数字测量的优点。但是由于裸光纤光栅特别纤细，外径约为125μm，主要成分是SiO₂，所以特别脆弱，尤其是其抗剪力能力很差，因此直接将其作为传感器无法胜任各种工程的粗放式施工，需要对其进行封装或微处理，光纤光栅传感器封装的基本含义使利用高性能材料和灵巧的结构形式，研究开发出既能满足结构实际测试需要、同时其布设工艺相对简单可靠的智能型传感器。

如图3所示，本发明采用的应变传感器5也即光纤光栅传感器的一种封装结构，包括毛细金属管、光纤光栅、传输光缆、胶黏剂等，为了防止光纤被外力冲击，将其封装到毛细金属管的内部，胶黏剂的主要作用使将毛细金属管与光纤光栅充分地粘结在一起，保证光纤光栅准确地感受锚固区经由毛细金属管传递来的结构应变，同时对光纤光栅起到了很好的保护作用。应变传感器的外形可以制成圆柱形、圆锥形或其他形式的条状结构，而内部的应变传感元件设置在条状结构的轴线位置处。

另外，应变传感器5也可以采用FRP-OFBG筋，纤维增强塑料(FRP)筋是以纤维为增强材料，以树脂为基体材料，并掺加辅助剂，经拉拔成型和必要的表面处理所形成的一种新型复合材料，具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、易加工、材料力学性能呈线性等优点，由于FRP筋容易加工成型，在制备FRP筋的过程中，在筋的中间位置沿长度方向埋入OFBG，制成FRP-OFBG筋，该种结构兼有FRP筋的良好力学性能和耐腐蚀性能以及光纤传感器的传感特点，克服了光纤传感器脆弱、布置困难的缺点，极大地提高了光纤传感器的耐久性。

本发明的基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法，包括以下步骤：

1)根据锚固区的尺寸、锚固区内缆索钢丝的数量，确定应变传感器5的待植入位置，其植入位置应保证与锚固区内缆索钢丝1的方向平行；应变传感器5的长度小于锚固区的轴向长度，应变传感器5的直径小于相邻缆索钢丝1之间的间距；

2)根据步骤1)中待植入位置的情况，确定应变传感器的尺寸，并预制柔性条状结构应变传感器，预留足够长度的尾端引出线；

3)在缆索成缆工艺中的钢丝墩头环节结束后、锚头浇铸环节之前，将柔性条状结构的应变传感器按照预植入位置植入缆索锚固区；应变传感器的待植入位置应靠近分丝板的中心位置，且在锚固区的横向剖面上，应变传感器与锚固区轴线位置附近的缆索钢丝平行或近似平行，且处于相邻钢丝轴线所围区域的中心或近似中心位置。如图4、图5所示，采用该种布置主要基于以下考虑：由于锚固区内钢丝成椎形分布，锚固区内钢丝越接近于锚固区横截面中心位置，越近似于平行状态，所以为了保证应变传递的线性特征，且为了保证传感器结构稳定性，应变传感器必须植于横截面中心位置的钢丝之间；这样设置使应变传感器的布置位置处于锚固区的中心位置，由于锚固区的中心位置是应力最为集中的区域，将应变传感器布置在该区域，能够使应变传感器内部的传感元件准确测知缆索的最大应力范围；将应变传感器布置在相邻缆索钢丝之间的中心位置，使应变传感元件的受力更为均匀，减少误差；

4)将应变传感器的信号引出线自分丝板预留孔引出；

5)将应变传感器位置固定好后进行灌锚，添加稳定剂并进行高温固化，使应变传感器与锚固填料紧密接触固结成一体。

6)灌锚完成，待锚头浇铸固化之后对锚头进行退火处理；

7)利用缆索超张拉过程中的拉力值对传感器应变数据进行标定，建立应变传感元件的输出应变与缆索索力的关系，通过测量锚固区内的应变传感器元件的应力变化实现对缆索索力的测量。

需要注意的是，在步骤3)中，在埋设前还应将应变传感器的表面进行粗化处理，使其表面具有摩擦阻力，便于与锚固填料紧密结合。

本发明的测量方法通过在锚固区内植入应变传感器，将缆索索身的大应变测量转化为小应变测量，降低了成本及实现难度；同时解决了应变传感元件在锚头复杂结构中的成活问题；由于锚固区位于缆索的尾端，所以在锚固区植入传感器可以最大限度的减小数据输出线长度，不仅降低了工艺难度，而且降低了成本。

应用实例：

细柱状植入式传感器参数：分辨率＜0.5με、工作温度范围-30℃～+80℃、量程0～3500με。试验仪器：光纤光栅网络分析仪、缆索超张拉系统。

按照上述步骤进行了实际缆索试验，拉伸三个往复来回的试验结果如图6所示。由图可见，光纤光栅中心波长与缆索张力成较好的线性重复关系，线性度达到0.99以上，证明基于锚固区应变测量的智能缆索方案是可行的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。