專(zhuān)利名稱：線欄式柔性護(hù)欄的光纖Bragg光柵應(yīng)力測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線欄式柔性護(hù)欄的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種線欄式柔性護(hù)欄 錨端應(yīng)力的光纖Bragg光柵測(cè)量方法。屬光電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高速公路普遍采用安全隔離設(shè)施中，纜索護(hù)欄具有柔性防撞性能好，吸收撞擊 能量較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，纜索護(hù)欄結(jié)構(gòu)本身和架設(shè)后內(nèi)部初張力較大的特點(diǎn)在安全上有如 下隱患當(dāng)纜索松動(dòng)，在受到較大作用力時(shí)，比如汽車(chē)高速?zèng)_撞時(shí)會(huì)脫開(kāi)，起不到原有的 保護(hù)作用。纜索護(hù)欄較長(zhǎng)，其變化量更多，僅從纜索護(hù)欄內(nèi)部應(yīng)力角度較難判斷判斷護(hù)欄是 由于卡緊裝置松動(dòng)還是由于熱脹冷縮原因松動(dòng)。因此，交通部發(fā)布的《公路交通安全設(shè)施設(shè) 計(jì)規(guī)范》(JTGD81-2006)和《公路交通安全設(shè)施施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF71-2006)中第三章和 《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》第六章中相關(guān)規(guī)定，纜索護(hù)欄為三股七芯鋼 絲繩右向捻制構(gòu)成的，直徑為18mm，每根鋼絲的直徑為2.86mm。各等級(jí)纜索護(hù)欄初張力均 為20kN。 與本發(fā)明接近的技術(shù)是易賢仁，"鋼絞線偏軸應(yīng)變測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)研究"《華中科 技大學(xué)學(xué)報(bào)》，2008年九月刊，第25巻第3期，211 213。該技術(shù)采用電阻應(yīng)變片對(duì)捻制結(jié) 構(gòu)的鋼絞線應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。該方法僅考慮利用電阻應(yīng)變片獲取鋼絞線的偏軸應(yīng)變，而沒(méi)有 測(cè)量鋼絞線的軸向應(yīng)變；并且，電阻應(yīng)變片屬于相對(duì)測(cè)量法，獲取的是被測(cè)參量的變化量， 系統(tǒng)重啟后需重新標(biāo)定測(cè)量基點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種線欄式柔性護(hù)欄光纖Bragg光柵應(yīng)力 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，可同時(shí)對(duì)纜索護(hù)欄的偏軸應(yīng)變和軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān) 發(fā)明的上述的目是這樣實(shí)現(xiàn)的將光纖Bragg光柵粘貼在與端部立柱相連接的 柔性護(hù)欄調(diào)節(jié)拉桿螺栓上，且粘貼的位置與立柱和索端錨頭都保持有間距；將另一光纖 Bragg光柵粘貼在纜索護(hù)欄的單束鋼絲縫隙處，粘貼方向平行于鋼絲捻制方向，且粘貼的位 置與索端錨頭保持有間距；二光纖Bragg光柵再通過(guò)光纖與信號(hào)處理裝置光連接，對(duì)鋼絞 線的偏軸應(yīng)變和軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 本發(fā)明所述的光纖Bragg光柵分別粘貼在最上面一根拉桿螺栓的正下方和最上 面的一根纜索護(hù)欄的單束鋼絲縫隙處。 線欄式纜索護(hù)欄通過(guò)錨固端固定于立柱后，纜索護(hù)欄受到張力作用帶動(dòng)索端錨頭 的調(diào)節(jié)拉桿螺栓拉伸，產(chǎn)生軸向形變。通過(guò)粘貼在纜索護(hù)欄鋼絲縫隙處的光纖Bragg光柵 和粘貼在調(diào)節(jié)拉桿螺栓正下方的光纖Bragg光柵分別將纜索護(hù)欄偏軸應(yīng)變和調(diào)節(jié)拉桿螺 栓的軸向線應(yīng)變轉(zhuǎn)換成光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)移位，兩光纖Bragg光柵通過(guò)輸入輸出 光纖與信號(hào)處理裝置光連接。利用解調(diào)儀得到的光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的移位值，將應(yīng)
測(cè)量方法及裝置， 測(cè)，易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期測(cè)力值反算出來(lái)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
本發(fā)明技術(shù)的數(shù)學(xué)模型如下 光纖Bragg光柵均勻軸向應(yīng)變引起的波長(zhǎng)移位為
A AB = AB(l_Pe) e (1) 上式中，AB為光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)，A A B為波長(zhǎng)移位量，Pe = 0. 22為有 效彈-光系數(shù)，e為軸向應(yīng)變量。 當(dāng)線欄式纜索護(hù)欄索端錨頭的調(diào)節(jié)拉桿螺栓受到護(hù)欄作用的軸向拉力F時(shí)，其所 受壓應(yīng)力為 O"i =T (2) 上式中，A為調(diào)節(jié)拉桿螺栓的截面積。根據(jù)胡克定律，軸向拉力o工與彈性體應(yīng)變 e工的關(guān)系為可表示為 o ! = e ! (3)
式(3)中，E工為錨固段材料的彈性模量。 當(dāng)光纖Bragg光柵8粘貼在調(diào)節(jié)拉桿螺栓上時(shí)，兩者應(yīng)變相等，S卩e = e "把 (2)、 (3)式代入(1)式，得到線欄式纜索護(hù)欄錨固端受力與光纖Bragg光柵波長(zhǎng)移位得關(guān) 系^=^(1-尸J^ (4) 對(duì)于纜索的整束鋼絲，當(dāng)線欄式纜索護(hù)欄受到軸向拉力F時(shí)，其所受壓應(yīng)力為 cr2
丄
(5) 上式中，4為單根纜索護(hù)欄截面積，根據(jù)《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù) 規(guī)范》第六章中關(guān)于纜索直徑的規(guī)定可以得到。根據(jù)胡克定律，軸向拉力02與彈性體應(yīng)變 e 2的關(guān)系為可表示為 o 2 = E2 e 2 (6)
式(6)中，E2為纜索的彈性模量。 與軸線成e夾角方向的表面鋼絲方向應(yīng)變?yōu)閑 ' 2，稱為偏軸應(yīng)變。偏軸應(yīng)變 e ' 2與軸向應(yīng)e2的關(guān)系為 e , 2 = ]i ,e 2 (7) 式中，ii '為纜索的斜向效應(yīng)系數(shù)。將式(7)代入式(6)，得 o 2 = E' 2 e ' 2 (8) 式中，《=,為纜索的相當(dāng)彈性模量，可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出。偏軸應(yīng)變e ' 2和軸 向應(yīng)變^都是在相同的軸向應(yīng)力02作用下引起的，式(6)和式(8)相等，可得
五;" S2 =
￡，
五；
(9) 上式中，《=;—為偏軸應(yīng)變與軸向應(yīng)變的轉(zhuǎn)換系數(shù)，E2為纜索的軸向拉伸彈性模
五,
當(dāng)光纖Bragg光柵粘貼在纜索護(hù)欄上縫隙處時(shí)，纜索的偏軸應(yīng)變等于光纖Bragg的軸向應(yīng)變，即e ' 2 = e ，將式(5)、 (6)、 (9)代入式(l)，則線欄式纜索護(hù)欄錨固端受力與光纖Bragg光柵波長(zhǎng)移位的關(guān)系為A4=4(l-g)^"4(l-g)^^ (10)
4五2 4碼
本發(fā)明有益效果是 1.實(shí)現(xiàn)了線欄式纜索護(hù)欄的應(yīng)力長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。本發(fā)明直接將光纖Bragg光柵粘貼在線欄式纜索護(hù)欄錨固端和纜索的鋼絲縫隙處，通過(guò)把線欄式纜索護(hù)欄的應(yīng)力的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)移位的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)線欄式纜索護(hù)欄的在線監(jiān)測(cè)。
2.通過(guò)測(cè)量線欄式纜索護(hù)欄的索端錨頭，獲取到纜索護(hù)欄的整體應(yīng)變量，進(jìn)而對(duì)纜索整體受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。


圖1為本測(cè)量技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和傳感器布置圖。 圖中各標(biāo)號(hào)表示為端部立柱1、三角形支架2、纜索護(hù)欄3、光纖Bragg光柵4、光纖5、索端錨頭6、調(diào)節(jié)拉桿螺栓7、光纖Bragg光柵8、光纖9、信號(hào)處理裝置10。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1 ，將光纖Bragg光柵8粘貼在與端部立柱1相連接的柔性護(hù)欄最上面一根調(diào)節(jié)拉桿螺栓7上，且粘貼的位置與立柱和索端錨頭都保持不接觸狀態(tài)；將另一光纖Bragg光柵4粘貼在最上面的一根纜索護(hù)欄3的單束鋼絲縫隙處，粘貼方向平行于鋼絲捻制方向，且粘貼的位置與索端錨頭保持有間距；二光纖Bragg光柵4、8再通過(guò)光纖5、9與信號(hào)處理裝置10光連接，對(duì)鋼絞線的偏軸應(yīng)變和軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 1.線欄式纜索護(hù)欄索端錨頭調(diào)節(jié)拉桿螺栓直徑為25mm，全長(zhǎng)為1200mm。 2線欄式纜索護(hù)欄的纜索選擇直徑為18mm，斷面積134mm2 ;全長(zhǎng)2000mm，偏軸應(yīng)
變與軸向應(yīng)變的轉(zhuǎn)換系數(shù)K = 1. 31的三股七芯右向同捻結(jié)構(gòu)的鋼絲作為纜索。 3.線欄式纜索護(hù)欄索端錨頭，材料參數(shù)為45#鋼的Young's模量為El = 200GPa。 4.線欄式纜索護(hù)欄纜索，材料參數(shù)為Q235鋼的Young' s模量為E2 = 206GPa。 5.光纖Bragg光柵的技術(shù)參數(shù)為中心波長(zhǎng)B = 1550. OOOnm，有效彈-光系數(shù)Pe
=0. 22。 6.按圖1配置實(shí)驗(yàn)。 7用光纖光柵分析儀獲取光纖Bragg光柵的Bragg波長(zhǎng)。 8.將調(diào)節(jié)拉桿螺栓面積，Young' s模量，光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)，有效彈_光系數(shù)帶入式(4)，理論計(jì)算表明，該線欄式纜索護(hù)欄光纖Bragg光柵錨端傳感器的靈敏度為12. 32pm/KN。當(dāng)光纖Bragg光柵解調(diào)儀的波長(zhǎng)分辨率為1pm時(shí)，該傳感器的應(yīng)力分辨率為0.0812KN。 9.將纜索護(hù)欄的纜索斷面積，Q235鋼的Young' s模量，光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)，有效彈-光系數(shù)帶入式(10)，理論計(jì)算表明，該線欄式纜索護(hù)欄光纖Bragg光柵錨端傳 感器的靈敏度為33. 43pm/KN。當(dāng)光纖Bragg光柵解調(diào)儀的波長(zhǎng)分辨率為1pm時(shí)，該傳感器 的應(yīng)力分辨率為0. 0299KN。
權(quán)利要求
一種線欄式柔性護(hù)欄應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，其特征是將光纖Bragg光柵粘貼在與端部立柱相連接的柔性護(hù)欄調(diào)節(jié)拉桿螺栓上，且粘貼的位置與立柱和索端錨頭都保持有間距；將另一光纖Bragg光柵粘貼在纜索護(hù)欄的單束鋼絲縫隙處，粘貼方向平行于鋼絲捻制方向，且粘貼的位置與索端錨頭保持有間距；二光纖Bragg光柵再通過(guò)光纖與信號(hào)處理裝置光連接，對(duì)鋼絞線的偏軸應(yīng)變和軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2. 按權(quán)利要求1所述的線欄式柔性護(hù)欄應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，其特征是光纖Bragg光柵分別粘貼在最上面一根拉桿螺栓的正下方和最上面的一根纜索護(hù)欄的單束鋼絲縫隙處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種線欄式柔性護(hù)欄的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種線欄式柔性護(hù)欄錨端應(yīng)力的光纖Bragg光柵測(cè)量方法。屬光電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本方法是將光纖Bragg光柵粘貼在與端部立柱相連接的柔性護(hù)欄調(diào)節(jié)拉桿螺栓上，且粘貼的位置與立柱和索端錨頭都保持有間距；將另一光纖Bragg光柵粘貼在纜索護(hù)欄的單束鋼絲縫隙處，粘貼方向平行于鋼絲捻制方向，且粘貼的位置與索端錨頭保持有間距；二光纖Bragg光柵再通過(guò)光纖與信號(hào)處理裝置光連接，對(duì)鋼絞線的偏軸應(yīng)變和軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，可同時(shí)對(duì)纜索護(hù)欄的偏軸應(yīng)變和軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期測(cè)量。
文檔編號(hào)G01L1/24GK101782444SQ20101011761
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者李天星, 李川 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)