一種光纖拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法及其傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測領(lǐng)域，涉及到拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測的一種光纖監(jiān)測 方法。更確切地說，本發(fā)明涉及一種能夠在拉索服役過程中，監(jiān)測拉索預(yù)應(yīng)力的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自上個世紀(jì)50年代以來，預(yù)應(yīng)力拉索廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)，特別是斜拉橋中預(yù)應(yīng)力 拉索的材料和錨固體系出現(xiàn)了許多技術(shù)創(chuàng)新和跨越式的發(fā)展。在橋梁結(jié)構(gòu)中，拉索將橋面 系荷載傳遞給塔（主拱），橋面系荷載包括橋面自重的恒荷載和車輛、風(fēng)及溫度等荷載，拉 索在活荷載作用下將產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，導(dǎo)致疲勞累積損傷；此外，由于拉索橋梁是超靜定結(jié) 構(gòu)，其它構(gòu)件的變形和損傷也會導(dǎo)致拉索受力狀態(tài)的變化，如四川大學(xué)的湯國棟在2002年 的檢測結(jié)果表明，設(shè)計和成橋時受力基本相同的拉索在服役8年后，最長拉桿的內(nèi)力與最 短拉索內(nèi)力相差20余倍，這就使拉索的服役安全存在著相當(dāng)大的隱患。
[0003]目前拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測的方法主要有：1)油壓表法：根據(jù)千斤頂油缸中液壓和索拉 力的關(guān)系，只需測定油缸中的油壓即可求得預(yù)應(yīng)力。但在實際工程中使用的油壓表的精度 并不高，也容易發(fā)生故障再者千斤頂?shù)膬?nèi)摩阻力難以準(zhǔn)確地預(yù)計，它是隨著油封的磨損程 度和張拉噸位的大小而變化的。此外千斤頂是串入纜索與錨頭之間使用的，橋梁投入正常 運(yùn)營后，就無法再使用油壓表進(jìn)行預(yù)應(yīng)力測試。2)電測法：用于施工階段張拉預(yù)應(yīng)力的控 制。優(yōu)點是精度高，缺點是監(jiān)測需要布置的導(dǎo)線很多很長，另外壓力傳感器價格比較昂貴， 大噸位造價更高，不宜大量使用。再者隨著時間變化應(yīng)變片對變形的反應(yīng)也越來越遲鈍， 監(jiān)測誤差也將隨之增大。3)頻率法：用頻率法測定預(yù)應(yīng)力，不僅方便，適應(yīng)多種工況，設(shè)備 可重復(fù)使用，且測量精度已能滿足工程應(yīng)用要求，因此得到了廣泛使用。但由于該方法對拉 索兩側(cè)端點連接方式需為鉸接的理論假設(shè)限制，使得該方法在一些不符合鉸接假設(shè)條件的 拉索服役工況下的監(jiān)測精度難以保證。4)磁通量法：磁通量法所用的材料是電磁傳感器， 這種傳感器由兩層線圈組成。優(yōu)點是除磁化拉索外，它不會影響拉索的任何力學(xué)特性和物 理特性。缺點是造價高。5)光纖光柵壓力環(huán)法：該方法測得的橋梁預(yù)應(yīng)力有很高的精度， 但是光柵敏感元件的粘結(jié)劑的耐久性差，從而導(dǎo)致傳感器壽命短，該方法還有待進(jìn)一步改 進(jìn)與完善。
[0004] 針對上述問題，為了實現(xiàn)拉索預(yù)應(yīng)力的高耐久性、高精度、實時監(jiān)測。本發(fā)明提出 一種基于白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的橋梁預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法，實現(xiàn)對拉索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種光纖拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法及其傳感器。應(yīng)用 纏繞在預(yù)應(yīng)力被測件上的基于光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的光纖線圈傳感結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力 被測件受力的監(jiān)測，同時通過對溫度補(bǔ)償被測件環(huán)向應(yīng)變的監(jiān)測消除溫度對預(yù)應(yīng)力監(jiān)測的 影響。理論上講，只要是圓柱形的預(yù)應(yīng)力受壓件均可作為本發(fā)明的預(yù)應(yīng)力被測件。本發(fā)明 中將預(yù)應(yīng)力被測件具體為預(yù)應(yīng)力錨具中比較典型的受壓件，即錨板、螺母及壓力環(huán)。該拉索 預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法以纏繞在被測件外表面的單模光導(dǎo)纖維線圈作為傳感單元，測量彈性拉索 受力后，引起位于拉索錨固端被測件的膨脹變形應(yīng)變。由于預(yù)應(yīng)力被測件所受的壓力即為 拉索的預(yù)應(yīng)力。通過對預(yù)應(yīng)力被測件所受壓力的監(jiān)測，可以實現(xiàn)對拉索預(yù)應(yīng)力的長期、穩(wěn)定 監(jiān)測。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種用于光纖拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法，該監(jiān)測方法為在圓柱形的結(jié)構(gòu)受壓件（下稱 預(yù)應(yīng)力被測件）環(huán)向外表面中部纏繞光纖監(jiān)測組件，構(gòu)成預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器。光纖監(jiān)測組 件為接有光纖接頭的光纖線圈，光纖接頭位于光纖監(jiān)測組件的兩端，通過光纖法蘭將光纖 接頭固定于預(yù)應(yīng)力被測件上。預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器工作時，拉索或螺桿穿過傳感器內(nèi)部并進(jìn) 行錨固，當(dāng)拉索或螺桿受拉時，預(yù)應(yīng)力傳感器受壓，拉索或螺桿所受的拉力與傳感器所受的 壓力相等。預(yù)應(yīng)力被測件受壓會產(chǎn)生環(huán)向膨脹應(yīng)變，引起光纖監(jiān)測組件中光纖線圈長度的 變化。光纖線圈總長度已知，光纖線圈長度變化值與光纖線圈總長度的比值即為光纖線圈 的應(yīng)變，光纖線圈的應(yīng)變與預(yù)應(yīng)力被測件的環(huán)向應(yīng)變相等。通過以下公式可算得預(yù)應(yīng)力被 測件總體壓力：
【主權(quán)項】
1. 一種光纖拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法，其特征在于，在預(yù)應(yīng)力被測件的環(huán)向外表面中部纏 繞光纖監(jiān)測組件，構(gòu)成預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器；光纖監(jiān)測組件為接有光纖接頭的光纖線圈，光纖 接頭位于光纖監(jiān)測組件的兩端，通過光纖法蘭將光纖接頭固定于預(yù)應(yīng)力被測件上；預(yù)應(yīng)力 監(jiān)測傳感器工作時，拉索或螺桿穿過傳感器內(nèi)部并進(jìn)行錨固，當(dāng)拉索或螺桿受拉時，預(yù)應(yīng)力 傳感器受壓，拉索或螺桿所受的拉力與傳感器所受的壓力相等；預(yù)應(yīng)力被測件受壓會產(chǎn)生 環(huán)向膨脹應(yīng)變，引起光纖監(jiān)測組件中光纖線圈長度的變化，光纖線圈總長度已知，光纖線圈 長度變化值與光纖線圈總長度的比值即為光纖線圈的應(yīng)變，光纖線圈的應(yīng)變與預(yù)應(yīng)力被測 件的環(huán)向應(yīng)變相等；通過以下公式算得預(yù)應(yīng)力被測件總體壓力：
式中：F為被測件總體壓力；ε F為預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器測得應(yīng)變；ε τ為溫度補(bǔ)償傳感器 測得應(yīng)變，溫度不變時為零；V為被測件所用材料的泊松比；E為被測件所用材料的彈性模 量W1為被測件外表面直徑；d 2為被測件內(nèi)表面直徑； 當(dāng)溫度不變時，預(yù)應(yīng)力被測件總體壓力由拉索施加給位于錨固端的預(yù)應(yīng)力被測件的， 即為拉索預(yù)應(yīng)力；當(dāng)溫度變化時，預(yù)應(yīng)力被測件環(huán)向膨脹應(yīng)變包含拉索預(yù)應(yīng)力使預(yù)應(yīng)力被 測件產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變和溫度變化使預(yù)應(yīng)力被測件產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變；當(dāng)溫度升高時，預(yù)應(yīng)力 被測件膨脹產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)≌?，反之為?fù)值；在上述同一溫度環(huán)境條件下，對同一預(yù)應(yīng)力被 測件監(jiān)測溫度變化使預(yù)應(yīng)力被測件產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變，將處于同一溫度環(huán)境的元件稱為溫度 補(bǔ)償被測件；對溫度補(bǔ)償被測件進(jìn)行監(jiān)測時，在溫度補(bǔ)償被測件環(huán)向外表面中部纏繞光纖 監(jiān)測組件，構(gòu)成溫度補(bǔ)償傳感器；溫度變化時，預(yù)應(yīng)力被測件和溫度補(bǔ)償被測件會產(chǎn)生相同 的環(huán)向應(yīng)變變化；對預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行同時監(jiān)測，預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感 器所得膨脹應(yīng)變減去溫度補(bǔ)償傳感器監(jiān)測所得的應(yīng)變，即為拉索預(yù)應(yīng)力使預(yù)應(yīng)力被測件產(chǎn) 生的膨脹應(yīng)變；通過上述所給公式即算得預(yù)應(yīng)力被測件總體壓力；該總體壓力中已消除溫 度變化的影響，只是由拉索施加給位于錨固端的預(yù)應(yīng)力被測件的壓力，即為拉索預(yù)應(yīng)力。
2. 用于權(quán)利要求1所述的光纖拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法的傳感器，其特征在于，該傳感器 包括預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器；預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器包括預(yù)應(yīng)力被測件、光纖監(jiān) 測組件及鋼保護(hù)套；溫度補(bǔ)償傳感器包括溫度補(bǔ)償被測件、光纖監(jiān)測組件及鋼保護(hù)套；預(yù) 應(yīng)力被測件環(huán)向外表面中部纏繞有光纖監(jiān)測組件，預(yù)應(yīng)力被測件通過鋼保護(hù)套保護(hù)；光纖 監(jiān)測組件為接有光纖接頭的光纖線圈，光纖接頭位于光纖監(jiān)測組件的兩端，通過光纖法蘭 將光纖接頭固定于預(yù)應(yīng)力被測件；預(yù)應(yīng)力被測件監(jiān)測時的溫度補(bǔ)償模塊與預(yù)應(yīng)力監(jiān)測模塊 除作用不同外，其余完全相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述的預(yù)應(yīng)力被測件為錨板、螺母或壓 力環(huán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述的預(yù)應(yīng)力被測件為錨板，拉索中的 鋼絞線依次穿過錨墊板、錨板后用夾片在錨板上進(jìn)行錨固，鋼絞線的拉力將使錨板受壓，并 且鋼絞線所受拉力與錨板所受壓力大小相等；預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器中的預(yù)應(yīng)力被測件為錨固 拉索的錨板，溫度補(bǔ)償傳感器中的溫度補(bǔ)償被測件為與預(yù)應(yīng)力被測件完全相同、不受力且 與預(yù)應(yīng)力被測件處于同一溫度環(huán)境的錨板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述的預(yù)應(yīng)力被測件為螺母，拉索端部 與螺桿相連，螺桿依次穿過錨墊板球面墊板后用螺母固定；拉索所受拉力與螺桿所受拉力 相等，螺桿拉力使螺母受壓，且螺母所受壓力與螺桿拉力大小相等，即拉索拉力；預(yù)應(yīng)力監(jiān) 測傳感器中的預(yù)應(yīng)力被測件為固定螺桿的螺母，溫度補(bǔ)償傳感器中的溫度補(bǔ)償被測件為與 預(yù)應(yīng)力被測件完全相同、不受力且與預(yù)應(yīng)力被測件處于同一溫度環(huán)境的螺母。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述的預(yù)應(yīng)力被測件為壓力環(huán)，拉索端 部與螺桿相連，螺桿依次穿過錨墊板、壓力環(huán)、球面墊板后用螺母固定；拉索所受拉力與螺 桿所受拉力大小相等，螺桿拉力使壓力環(huán)受壓，且壓力環(huán)所受壓力與螺桿所受拉力大小相 等，即拉索拉力；預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器中的預(yù)應(yīng)力被測件錨墊板和球面墊板之間的壓力環(huán)，溫 度補(bǔ)償傳感器中的溫度補(bǔ)償被測件為與預(yù)應(yīng)力被測件完全相同、不受力且與預(yù)應(yīng)力被測件 處于同一溫度環(huán)境的壓力環(huán)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種光纖拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法及其傳感器。該預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法以纏繞在預(yù)應(yīng)力被測件外表面的單模光導(dǎo)纖維作為傳感單元，實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力的長期、穩(wěn)定監(jiān)測。光纖橋梁拉索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感方法的傳感結(jié)構(gòu)包括：預(yù)應(yīng)力監(jiān)測模塊、溫度補(bǔ)償模塊、信號傳輸段光纜及保護(hù)鋼套。本發(fā)明用預(yù)應(yīng)力被測件針對預(yù)應(yīng)力錨具受壓件受力進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而得到拉索預(yù)應(yīng)力。通過纏繞在另一個與預(yù)應(yīng)力被測件同等規(guī)格、不受力且與預(yù)應(yīng)力被測件處于同一溫度環(huán)境的溫度補(bǔ)償被測件上的光纖線圈來修正環(huán)境溫度對預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果的影響，使應(yīng)變監(jiān)測更加精確的同時，實現(xiàn)對索體內(nèi)部溫度的測量。本方法適用于橋梁拉索預(yù)應(yīng)力的長期監(jiān)測，具有精確度高、壽命長、成本低等特點。
【IPC分類】G01L1-24
【公開號】CN104535234
【申請?zhí)枴緾N201410849987
【發(fā)明人】趙雪峰, 孫長森, 李冬生, 李生元, 李金珂
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月29日