本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種監(jiān)測(cè)復(fù)雜荷載作用的智能螺栓及方法。
背景技術(shù)：
隨著高強(qiáng)度鋼材在建筑和橋梁工程中的推廣應(yīng)用，連接破壞已經(jīng)成為影響鋼結(jié)構(gòu)安全的主要因素。作為各種工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵構(gòu)件連接處的螺栓的性能穩(wěn)定性也越發(fā)受到重視。實(shí)際工程中，螺栓的破壞普遍是由于螺栓桿軸截面邊緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過極限應(yīng)力導(dǎo)致的。這是由于構(gòu)件上的彎矩、剪力以及軸力傳遞到螺栓上，使螺栓產(chǎn)生較大的彎曲變形，最終使螺栓超過其自身的承載能力而失效。因此監(jiān)測(cè)螺栓在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的安全具有重大意義。但由于某些構(gòu)件的特殊性或位置的特殊性，很難監(jiān)測(cè)螺栓自身在復(fù)雜應(yīng)力工作狀態(tài)下的安全性能。目前，我國關(guān)于螺栓應(yīng)力的監(jiān)測(cè)與測(cè)量的研究主要是針對(duì)螺栓軸向應(yīng)力，對(duì)于螺栓復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)鮮有涉及。現(xiàn)有的關(guān)于螺栓受力監(jiān)測(cè)的專利cn104964713a能夠測(cè)量螺栓軸心的拉壓應(yīng)變，但是這種測(cè)量方法只適用于螺栓受軸向荷載作用的情況。在彎矩做用下，螺栓軸心是螺栓截面應(yīng)力最小的位置，在螺栓軸心安裝傳感器無法測(cè)量這種情況下的應(yīng)力、應(yīng)變。因此有需要研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜荷載作用下的螺栓應(yīng)力監(jiān)測(cè)的方法。
光纖傳感具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好，傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來已經(jīng)在建筑、橋梁等領(lǐng)域安全監(jiān)測(cè)中成功應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)螺栓剪切應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，本發(fā)明基于一種分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，其基本原理是：背向瑞利散射的光譜響應(yīng)變化主要受應(yīng)變和溫度的影響，光纖中任意區(qū)域瑞利散射的變化會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域?qū)?yīng)的背向散射光譜的變化，這些變化可以被標(biāo)定，并將其轉(zhuǎn)化為溫變和應(yīng)變?？蓪⒐饫w中每段區(qū)域看作一個(gè)傳感器，整條光纖可當(dāng)作一個(gè)個(gè)傳感器的連續(xù)組合。該分布式光纖傳感系統(tǒng)所采用的可調(diào)諧波長(zhǎng)干涉技術(shù)，使得分布式溫度和應(yīng)變的測(cè)量可在幾十長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)光纖上具有毫米級(jí)別的空間分辨率，應(yīng)變和溫度的測(cè)試精度可達(dá)到1微應(yīng)變和0.1℃。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種監(jiān)測(cè)復(fù)雜荷載作用的智能螺栓及方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案：
一種監(jiān)測(cè)復(fù)雜荷載作用的智能螺栓，包括螺栓桿軸、通孔和光纖，螺栓桿軸的軸截面中心以及軸截面中心與軸截面徑向互成120°角的位置設(shè)有通孔，共4個(gè)通孔，通孔的直徑為1.5mm；互成120°的3個(gè)通孔到軸截面中心的距離相等，且都為螺栓桿軸截面半徑的二分之一，在通孔全長(zhǎng)范圍粘貼固定光纖。
一種監(jiān)測(cè)智能螺栓復(fù)雜荷載作用的方法，包括以下步驟：
(1)基于分布式光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得螺栓桿軸截面中心處以及與截面徑向互成120°角的3個(gè)通孔位置處沿螺栓桿軸全長(zhǎng)的應(yīng)變分布；
(2)通過螺栓桿軸軸向的應(yīng)變分布，確定螺栓桿軸軸向應(yīng)變最大的截面；
(3)對(duì)于軸向應(yīng)變最大的截面，
其中，ε0、ε1、ε2、ε3分別為螺栓桿軸截面中心處、與截面徑向互成120°角的3個(gè)通孔位置處通孔內(nèi)光纖測(cè)量到的應(yīng)變值；
(4)通過最大拉應(yīng)變、壓應(yīng)變判斷出最危險(xiǎn)截面的應(yīng)力、應(yīng)變是否超出材料的極限強(qiáng)度。
本發(fā)明的有益效果：該智能螺栓能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓自身在復(fù)雜應(yīng)力狀況下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有測(cè)量精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
圖1是螺栓桿軸截面上光纖位置圖。
圖中：1螺栓桿軸；2通孔；3光纖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和說明書附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式：
一種監(jiān)測(cè)復(fù)雜荷載作用的智能螺栓及監(jiān)測(cè)方法，如附圖1所示，在螺栓桿軸1的中軸線打1個(gè)通孔；在截面半徑的1/2位置處打3個(gè)通孔，相鄰兩個(gè)通孔與圓心連線的夾角為120°。為避免通孔徑過大影響到螺栓的承載力，通孔孔徑為1.5mm。
將光纖穿插到通孔內(nèi)，在預(yù)拉伸的狀態(tài)下，用膠粘劑將光纖粘貼在所述通孔的中心位置，并且確保光纖沿螺栓桿軸全長(zhǎng)粘貼。所述的膠粘劑為環(huán)氧樹脂或者丙烯酸酯類膠。
將螺栓桿軸的軸截面中心以及軸截面中心與軸截面徑向互成120°角的三個(gè)位置光纖分別編號(hào)為0#、1#、2#、3#。通過分布式光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量0#、1#、2#、3#號(hào)光纖位置處沿螺栓桿軸軸向的應(yīng)變分布，基于螺栓桿軸向的應(yīng)變分布確定螺栓桿軸應(yīng)變最大的截面。
對(duì)應(yīng)變最大的截面進(jìn)行分析，得到該截面的最大壓應(yīng)變和最大拉應(yīng)變分別等于