專利名稱：一種附著式拉索索力監(jiān)測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于索承體系橋梁工程中拉索索力監(jiān)測的裝置，尤其適用于大跨度懸索橋和中、下承式拱橋鋼絲繩吊桿，以及懸索橋錨跨索股等表面裸露拉索，成橋后索力變化的長期實時監(jiān)測，具體地說是涉及一種適用于橋梁結構拉索索力實時監(jiān)測的裝置。
背景技術：
隨著橋梁工程技術的發(fā)展，既有工程中索承體系橋梁層出不窮，為了有效保障既有索承體系橋梁的可靠運營，需要研發(fā)一種能夠對既有結構拉索實施無損、可靠后期安裝， 并準確測量其索力變化值的索力監(jiān)測系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術中，既有的索力監(jiān)測技術主要有5種 壓力表法、測力環(huán)法、頻譜法、磁通量法。壓力表法為拉索在張拉過程中通過油壓直接得到索力，該方法直接且準確，但張拉施工完成后裝置即撤離，無法用于結構長期的健康監(jiān)測， 該方法主要用于施工監(jiān)控和頻率法的標定；測力環(huán)法是在拉索安裝時直接在拉索和錨固端布設測力環(huán)，通過測力環(huán)測量錨頭和錨墊板之間壓力得到拉索索力的方法，其優(yōu)點是測力方式直觀可靠，但該方法所需測力裝置為封閉式環(huán)體，占用拉索錨固端空間，在拉索設計過程中即需考慮索長增加，且必須在拉索安裝時進行安裝，成橋后則無法實施安裝，不能滿足對既有橋梁建立索力監(jiān)測系統(tǒng)的要求；頻譜法是在索上布設加速度傳感器，然后通過人為或環(huán)境激勵，得到索的振動頻率，再利用振動頻率和索力的簡化公式，獲得索力，該方法簡單易行，但大多數(shù)都是采用近似處理，特別是對于邊界條件不明的短索和安裝減振器后的長索，采用的修正方法缺乏充分的理論依據(jù)，測量效果不佳；磁通量法，是采用磁通量傳感器對拉索索力進行測量，這種傳感器由兩層線圈組成，一圈為通電線圈，它產(chǎn)生的電磁場將磁化拉索，磁化的拉索磁場會對傳感器的另一線圈產(chǎn)生感應電動勢，其感應電動勢對拉索的內(nèi)應力較敏感，通過標定這種關系，就可以監(jiān)測索的應力的變化，該方法的優(yōu)點是其除磁化拉索外，不影響拉索的任何力學和物理特性，但是該方法要求對索力和信號進行現(xiàn)場標定，工序復雜，工程量大，影響工程實施效率，且費用較高。此外，市場上已開發(fā)出利用夾具將單個位移傳感器附著于鋼索上的鋼索計，用于鋼索應變測量，但該類測試裝置存在如下缺陷第一，僅在拉索單側設置傳感器，對于質(zhì)地不均勻的鋼絲索或可能存在局部受彎的拉索會引入較大局部受力不均造成的測量誤差；第二，目前該類裝置配備的鋼索夾具與鋼索間接觸面處理簡單，往往未能同時兼顧夾持牢固性與對拉索局部表面的保護；第三，采用位移傳感器進行應變測量，精度較低，無法滿足精細測量小幅變化索力的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種附著式拉索索力監(jiān)測裝置，通過在既有結構拉索上一定標距位置安裝可靠的復合半剛性接觸抱合式機械變形傳遞器，并通過復合半剛性接觸抱合式機械變形傳遞器，將溫度自補償光纖光柵精密應變傳感器附著于拉索表面，測量標距范圍內(nèi)拉索由于所受拉力變化引起的軸向應變；拉索的軸向應變經(jīng)光纖光柵精密應變傳感器轉換為光信號，并通過光纜傳輸至采集解調(diào)終端進行解調(diào)；測試軟件結合應變測量數(shù)據(jù)、
4拉索截面幾何參數(shù)和拉索材料力學性能參數(shù)自動解算出相應索力變化值，進而實現(xiàn)拉索索力的自動化實時動態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的所述附著式拉索索力監(jiān)測裝置主要由抱合式變形傳遞器a、剛性定位桿b、復合半剛性接觸裝置C、溫度自補償光纖光柵應變傳感器d、防護罩e、傳輸光纜f及光纖光柵解調(diào)儀g組成；抱合式變形傳遞器a由兩組共4塊半環(huán)狀高強度合金鋼基體構成，基體上設置與所監(jiān)測目標拉索截面形狀尺寸相匹配孔壁刻矩形槽的夾持孔、光纖光柵應變傳感器定位安裝孔、基體水平定位齒以及緊固螺栓孔，以便將測量標距上的鋼索軸向變形準確傳遞到應變傳感器上；剛性定位桿b采用高碳鋼制造，與光纖光柵應變傳感器d尺寸相同，共用光纖光柵應變傳感器定位安裝孔，可拆卸重復使用，以便變形傳遞器半環(huán)基體拼裝定位的準確；復合半剛性接觸裝置c設置于變形傳遞器夾持孔壁與目標拉索外表面之間，同時保護拉索表面、減小拉索頸縮和松弛滑移以及提高定位器與拉索連接強度，復合半剛性接觸裝置c的復合半剛性連接包括一層半剛性金屬墊片和兩層高強度金屬粘接劑；溫度自補償光纖光柵應變傳感器d安裝于變形傳遞器基體上的光纖光柵應變傳感器定位安裝孔，并通過螺栓、精細焊接工藝與之牢固連接；在目標拉索兩側對稱位置各設置一支溫度自補償型光纖光柵應變傳感器d，通過平均處理消除拉索局部彎曲和截面索股受力不均造成的測量誤差，同時兩支溫度自補償型光纖光柵應變傳感器d測試數(shù)據(jù)對照實現(xiàn)傳感器故障自診斷；防護罩e采用防水耐候材料制造，安裝于裝置外圍，形成全封閉體系，對裝置內(nèi)部結構和傳感器進行保護，以抵御環(huán)境侵蝕和偶然機械破壞；傳輸光纜f是傳感器之間以及傳感器與解調(diào)儀之間的信號傳輸媒介，采用通用單模單芯戶外鎧裝光纜，實現(xiàn)激勵和傳感光信號的可靠傳輸；光纖光柵解調(diào)儀g是發(fā)射激勵光信號并接收和解調(diào)傳感器反饋光信號的終端設備；本裝置在通用光纖光柵解調(diào)儀基礎上對其進行二次開發(fā)，使其具有自動實時地將波長信號解算為拉索索力變化值，并對其進行存儲和分析的功能；所述附著式拉索索力監(jiān)測裝置的安裝方法為首先將抱合式變形傳遞器a各基體半環(huán)進行預拼裝，并與配套剛性定位桿b以螺栓牢固連接，保證基體相對位置準確；然后分別在拉索上安裝位置表面和變形傳遞基體夾持孔壁上涂敷高強度金屬粘接劑；隨后將變形傳遞器基體隨剛性定位桿一起抱合拼接于拉索上的安裝位置，同時在接觸面粘接劑層間植入鋅銅合金或鋁合金材料的半剛性墊片，以配有高彈模彈簧墊圈的高強度緊固螺栓將兩側半環(huán)經(jīng)內(nèi)嵌螺栓孔進行對拉固定，使內(nèi)外兩側接觸面均與半剛性墊片發(fā)生足夠機械咬合變形，且層均勻填塞接觸面間空隙，形成復合半剛性接觸c ；待粘接劑充分固化達到設計強度后，拆除剛性定位桿，于變形傳遞器基體傳感器安裝孔內(nèi)安裝光纖光柵應變傳感器d，使之與拉索連成一體，達到變形協(xié)調(diào)，最后安裝防護罩e對裝置內(nèi)部形成有效保護；至此，本索力監(jiān)測裝置達到基準零狀態(tài)；當拉索索力在基準零狀態(tài)基礎上發(fā)生變化時，拉索應變隨之發(fā)生相應的變化，拉索應變變化值由抱合式變形傳遞器a傳遞至光纖光柵應變傳感器d， 并得以被轉換為光波長漂移信號，通過傳輸光纜f傳至光纖光柵解調(diào)儀g解算出應變數(shù)值，進而解算出索力變化值，實現(xiàn)對目標索索力變化的實時監(jiān)測；所述附著式拉索索力監(jiān)測裝置的索力解算方法為根據(jù)溫度自補償光纖光柵應變傳感器d的生產(chǎn)標定數(shù)據(jù)可解算出拉索應變ε，解算公式如下ε = K(X1-X0)-B(Xtl-Xt0)ε -經(jīng)溫度補償修正后的應變值，即拉索應變K-光纖光柵應變系數(shù)λ。--光纖光柵初始中心波長λ r-光纖光柵實測中心波長B-溫補光柵應變修正系數(shù)λ t0-溫補光柵初始中心波長λ t0-溫補光柵實測中心波長在獲得拉索應變ε的基礎上，進一步結合拉索截面幾何參數(shù)和材料力學參數(shù)可解算出拉索索力N，解算公式如下N = R* ε · E · AN—索力值R-系統(tǒng)修訂系數(shù)ε —拉索應變E-拉索彈性模量Α—拉索截面面積解算出拉索索力N，實現(xiàn)長期連續(xù)拉索索力監(jiān)測。本發(fā)明的優(yōu)點1、附著式安裝設計適用于既有橋梁及新建橋梁成橋后進行索力測試系統(tǒng)構建；2、復合半剛性接觸裝置在提高變形傳遞器與拉索間連接強度的同時保護拉索表面不受機械損壞；3、雙傳感器對稱測量課消除拉索局部彎曲變形對測量造成的誤差，提高測試精度；
4、具有光纖傳感獨特的抗電磁干擾能力及長期耐候性；5、施工安裝方便，且可以便捷地維修和更換傳感器，可降低全壽命期維護成本。


圖1是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置的監(jiān)測系統(tǒng)構成圖；圖2是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置關鍵結構詳細示意圖之正視圖；圖3是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置關鍵結構詳細示意圖之側視圖；圖4是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置關鍵結構詳細示意圖之俯視圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明進一步說明，該實施例為一座主跨1088m鋼桁加勁梁懸索橋；該實施例中由于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實施工程安排于成橋之后，其吊索及錨跨索股索力監(jiān)測子系統(tǒng)需在成橋后進行構建。
圖1是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置的監(jiān)測系統(tǒng)構成圖，圖2是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置關鍵結構詳細示意圖之正視圖，圖3是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置關鍵結構詳細示意圖之側視圖，圖4是本發(fā)明附著式索力監(jiān)測裝置關鍵結構詳細示意圖之俯視圖。首先根據(jù)該橋上目標索截面形式和尺寸設計變形傳遞器a基體，使其夾持孔與目標索相匹配。 同時根據(jù)理論計算索力變幅及相應拉索應變幅度，確定所采用光纖光柵應變傳感器d的量程和標距。接下來進行實施安裝，第一步將變形傳遞器a基體進行預拼裝，并以剛性定位桿 b和臨時緊固螺栓將4片半環(huán)基體三維相對位置固定；第二部對拉索安裝位置表面及變形傳遞器a基體夾持孔壁表面采取有效措施進行除油、除銹等清潔處理；第三步配置金屬粘接劑，對拉索和變形傳遞基體夾持孔接觸表面進行無縫涂敷；第四步將變形傳遞基體對拉索進行抱合拼接安裝，同時在接觸面粘結劑間植入半剛性合金墊片，并以帶高彈模彈簧墊圈的高強螺栓將兩側半環(huán)進行對拉固定，緊固力保證使半剛性墊片與兩側結構件形成足夠相對擠壓變形，粘接劑充分填充接觸空隙，形成復合半剛性接觸c ；第五步，待金屬粘接劑充分固化達到設計強度后，卸除剛性定位桿，以錐形螺栓將選定的溫度自補償光纖光柵應變傳感器d安裝安裝于定位基體的傳感器安裝孔上；第六步，安裝防護罩e，對裝置內(nèi)部形成有效保護，形成完整的附著式拉索索力監(jiān)測裝置；第七步，以通用單模單芯戶外鎧裝光纜做為傳輸光纜f串聯(lián)傳感器，并接入光纖光柵解調(diào)儀g ；第八步，啟動光纖光柵解調(diào)儀g，通過二次開發(fā)的索力監(jiān)測控制與分析軟件，對光纖光柵應變數(shù)據(jù)采集進行控制并獲得載有拉索應變信息和溫度修正性息的光波長信號；根據(jù)溫度自補償光纖光柵應變傳感器的生產(chǎn)標定數(shù)據(jù)可解算出拉索應變ε，解算公式如下ε = K(XfX0)-B(Xtl-Xt0)ε -經(jīng)溫度補償修正后的應變值，即拉索應變K-光纖光柵應變系數(shù)λ。--光纖光柵初始中心波長λ r-光纖光柵實測中心波長B-溫補光柵應變修正系數(shù)λ t0-溫補光柵初始中心波長λ t0-溫補光柵實測中心波長
在獲得拉索應變的基礎上，進一步結合拉索截面幾何參數(shù)和材料力學參數(shù)可解算出拉索索力N，解算公式如下N = R· ε · E · AN—索力值R-系統(tǒng)修訂系數(shù)ε —拉索應變E-拉索彈性模量A-拉索截面面積解算出的拉索索力N可通過軟件實時存儲、直觀顯示，閾值報警，同時亦可被存儲至數(shù)據(jù)庫，以供后期歷史數(shù)據(jù)查詢及分析處理調(diào)用，實現(xiàn)長期連續(xù)拉索索力監(jiān)測。
權利要求
1.一種附著式拉索索力監(jiān)測裝置，主要由抱合式變形傳遞器(a)、剛性定位桿(b)、復合半剛性接觸裝置(C)、溫度自補償光纖光柵應變傳感器(d)、防護罩(e)、傳輸光纜(f)及光纖光柵解調(diào)儀(g)組成，其特征是抱合式變形傳遞器(a)由兩組共4塊半環(huán)狀高強度合金鋼基體構成，基體上設置與所監(jiān)測目標拉索截面形狀尺寸相匹配孔壁刻矩形槽的夾持孔、光纖光柵應變傳感器定位安裝孔、基體水平定位齒以及緊固螺栓孔，以便將測量標距上的鋼索軸向變形準確傳遞到應變傳感器上；剛性定位桿(b)采用高碳鋼制造，與光纖光柵應變傳感器(d)尺寸相同，共用光纖光柵應變傳感器定位安裝孔，可拆卸重復使用，以便變形傳遞器半環(huán)基體拼裝定位的準確；復合半剛性接觸裝置(c)設置于變形傳遞器夾持孔壁與目標拉索外表面之間，同時保護拉索表面、減小拉索頸縮和松弛滑移以及提高定位器與拉索連接強度，復合半剛性接觸裝置(c)的復合半剛性連接包括一層半剛性金屬墊片和兩層高強度金屬粘接劑；溫度自補償光纖光柵應變傳感器(d)安裝于變形傳遞器基體上的光纖光柵應變傳感器定位安裝孔，并通過螺栓、精細焊接工藝與之牢固連接；在目標拉索兩側對稱位置各設置一支溫度自補償型光纖光柵應變傳感器(d)，通過平均處理消除拉索局部彎曲和截面索股受力不均造成的測量誤差，同時兩支溫度自補償型光纖光柵應變傳感器(d)測試數(shù)據(jù)對照實現(xiàn)傳感器故障自診斷；防護罩(e)采用防水耐候材料制造，安裝于裝置外圍，形成全封閉體系，對裝置內(nèi)部結構和傳感器進行保護，以抵御環(huán)境侵蝕和偶然機械破壞；傳輸光纜(f)是傳感器之間以及傳感器與解調(diào)儀之間的信號傳輸媒介，采用通用單模單芯戶外鎧裝光纜，實現(xiàn)激勵和傳感光信號的可靠傳輸；光纖光柵解調(diào)儀(g)是發(fā)射激勵光信號并接收和解調(diào)傳感器反饋光信號的終端設備； 本裝置在通用光纖光柵解調(diào)儀基礎上對其進行二次開發(fā)，使其具有自動實時地將波長信號解算為拉索索力變化值，并對其進行存儲和分析的功能。
2.根據(jù)權利要求1所述附著式拉索索力監(jiān)測裝置的安裝方法，其特征是首先將抱合式變形傳遞器(a)各基體半環(huán)進行預拼裝，并與配套剛性定位桿(b)以螺栓牢固連接，保證基體相對位置準確；然后分別在拉索上安裝位置表面和變形傳遞基體夾持孔壁上涂敷高強度金屬粘接劑；隨后將變形傳遞器基體隨剛性定位桿一起抱合拼接于拉索上的安裝位置， 同時在接觸面粘接劑層間植入鋅銅合金(或鋁合金)半剛性墊片，以配有高彈模彈簧墊圈的高強度緊固螺栓將兩側半環(huán)經(jīng)內(nèi)嵌螺栓孔進行對拉固定，使內(nèi)外兩側接觸面均與半剛性墊片發(fā)生足夠機械咬合變形，且層均勻填塞接觸面間空隙，形成復合半剛性接觸(c)；待粘接劑充分固化達到設計強度后，拆除剛性定位桿，于變形傳遞器基體傳感器安裝孔內(nèi)安裝光纖光柵應變傳感器(d)，使之與拉索連成一體，達到變形協(xié)調(diào)，最后安裝防護罩(e)對裝置內(nèi)部形成有效保護；至此，本索力監(jiān)測裝置達到基準零狀態(tài)；當拉索索力在基準零狀態(tài)基礎上發(fā)生變化時，拉索應變隨之發(fā)生相應的變化，拉索應變變化值由抱合式變形傳遞器 (a)傳遞至光纖光柵應變傳感器(d)，并得以被轉換為光波長漂移信號，通過傳輸光纜(f) 傳至光纖光柵解調(diào)儀(g)解算出應變數(shù)值，進而解算出索力變化值，實現(xiàn)對目標索索力變化的實時監(jiān)測。
3.根據(jù)權利要求1所述附著式拉索索力監(jiān)測裝置的索力解算方法，其特征是根據(jù)溫度自補償光纖光柵應變傳感器(d)的生產(chǎn)標定數(shù)據(jù)可解算出拉索應變，解算公式如下 ε =K(A1-A0)-B(Atl-At0)ε -經(jīng)溫度補償修正后的應變值，即拉索應變 K-光纖光柵應變系數(shù) λ C1-光纖光柵初始中心波長 X1-光纖光柵實測中心波長 B-溫補光柵應變修正系數(shù) λ τ-溫補光柵初始中心波長 λ τ-溫補光柵實測中心波長在獲得拉索應變ε的基礎上，進一步結合拉索截面幾何參數(shù)和材料力學參數(shù)可解算出拉索索力N，解算公式如下 N = R· ε · E · A N-索力值 R-系統(tǒng)修訂系數(shù) ε —拉索應變 E-拉索彈性模量 A--拉索截面面積解算出拉索索力N，實現(xiàn)長期連續(xù)拉索索力監(jiān)測。
全文摘要
提供一種附著式拉索索力監(jiān)測裝置，通過在既有結構拉索上一定標距位置安裝可靠的復合半剛性接觸抱合式機械變形傳遞器，并通過復合半剛性接觸抱合式機械變形傳遞器，將溫度自補償光纖光柵精密應變傳感器附著于拉索表面，測量標距范圍內(nèi)拉索由于所受拉力變化引起的軸向應變；拉索的軸向應變經(jīng)光纖光柵精密應變傳感器轉換為光信號，并通過光纜傳輸至采集解調(diào)終端進行解調(diào)；測試軟件結合應變測量數(shù)據(jù)、拉索截面幾何參數(shù)和拉索材料力學性能參數(shù)自動解算出相應索力變化值，進而實現(xiàn)拉索索力的自動化實時動態(tài)監(jiān)測。
文檔編號G01B11/16GK102162760SQ201010610990
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者葉仲韜, 葉翔, 彭旭民, 李星新, 梅秀道, 王鳴輝, 王鶴, 程輝, 鐘繼衛(wèi) 申請人:中鐵大橋局集團有限公司, 中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司