一種光纖拉索預應力監測方法及其傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于土木工程結構安全監測領域，涉及到拉索預應力監測的一種光纖監測 方法。更確切地說，本發明涉及一種能夠在拉索服役過程中，監測拉索預應力的一種方法。
【背景技術】
[0002]自上個世紀50年代以來，預應力拉索廣泛用于橋梁結構，特別是斜拉橋中預應力 拉索的材料和錨固體系出現了許多技術創新和跨越式的發展。在橋梁結構中，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、風及溫度等荷載，拉 索在活荷載作用下將產生疲勞效應，導致疲勞累積損傷；此外，由于拉索橋梁是超靜定結 構，其它構件的變形和損傷也會導致拉索受力狀態的變化，如四川大學的湯國棟在2002年 的檢測結果表明，設計和成橋時受力基本相同的拉索在服役8年后，最長拉桿的內力與最 短拉索內力相差20余倍，這就使拉索的服役安全存在著相當大的隱患。
[0003]目前拉索預應力監測的方法主要有：1)油壓表法：根據千斤頂油缸中液壓和索拉 力的關系，只需測定油缸中的油壓即可求得預應力。但在實際工程中使用的油壓表的精度 并不高，也容易發生故障再者千斤頂的內摩阻力難以準確地預計，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 運營后，就無法再使用油壓表進行預應力測試。2)電測法：用于施工階段張拉預應力的控 制。優點是精度高，缺點是監測需要布置的導線很多很長，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變片對變形的反應也越來越遲鈍， 監測誤差也將隨之增大。3)頻率法：用頻率法測定預應力，不僅方便，適應多種工況，設備 可重復使用，且測量精度已能滿足工程應用要求，因此得到了廣泛使用。但由于該方法對拉 索兩側端點連接方式需為鉸接的理論假設限制，使得該方法在一些不符合鉸接假設條件的 拉索服役工況下的監測精度難以保證。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。優點是除磁化拉索外，它不會影響拉索的任何力學特性和物 理特性。缺點是造價高。5)光纖光柵壓力環法：該方法測得的橋梁預應力有很高的精度， 但是光柵敏感元件的粘結劑的耐久性差，從而導致傳感器壽命短，該方法還有待進一步改 進與完善。
[0004] 針對上述問題，為了實現拉索預應力的高耐久性、高精度、實時監測。本發明提出 一種基于白光干涉傳感技術的橋梁預應力監測方法，實現對拉索預應力的監測。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種光纖拉索預應力監測方法及其傳感器。應用 纏繞在預應力被測件上的基于光纖白光干涉傳感技術的光纖線圈傳感結構，實現對預應力 被測件受力的監測，同時通過對溫度補償被測件環向應變的監測消除溫度對預應力監測的 影響。理論上講，只要是圓柱形的預應力受壓件均可作為本發明的預應力被測件。本發明 中將預應力被測件具體為預應力錨具中比較典型的受壓件，即錨板、螺母及壓力環。該拉索 預應力監測方法以纏繞在被測件外表面的單模光導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變。由于預應力被測件所受的壓力即為 拉索的預應力。通過對預應力被測件所受壓力的監測，可以實現對拉索預應力的長期、穩定 監測。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種用于光纖拉索預應力監測方法，該監測方法為在圓柱形的結構受壓件（下稱 預應力被測件）環向外表面中部纏繞光纖監測組件，構成預應力監測傳感器。光纖監測組 件為接有光纖接頭的光纖線圈，光纖接頭位于光纖監測組件的兩端，通過光纖法蘭將光纖 接頭固定于預應力被測件上。預應力監測傳感器工作時，拉索或螺桿穿過傳感器內部并進 行錨固，當拉索或螺桿受拉時，預應力傳感器受壓，拉索或螺桿所受的拉力與傳感器所受的 壓力相等。預應力被測件受壓會產生環向膨脹應變，引起光纖監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 的應變，光纖線圈的應變與預應力被測件的環向應變相等。通過以下公式可算得預應力被 測件總體壓力：
【主權項】
1. 一種光纖拉索預應力監測方法，其特征在于，在預應力被測件的環向外表面中部纏 繞光纖監測組件，構成預應力監測傳感器；光纖監測組件為接有光纖接頭的光纖線圈，光纖 接頭位于光纖監測組件的兩端，通過光纖法蘭將光纖接頭固定于預應力被測件上；預應力 監測傳感器工作時，拉索或螺桿穿過傳感器內部并進行錨固，當拉索或螺桿受拉時，預應力 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；預應力被測件受壓會產生 環向膨脹應變，引起光纖監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變，光纖線圈的應變與預應力被測 件的環向應變相等；通過以下公式算得預應力被測件總體壓力：
式中：F為被測件總體壓力；ε F為預應力監測傳感器測得應變；ε τ為溫度補償傳感器 測得應變，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為被測件內表面直徑； 當溫度不變時，預應力被測件總體壓力由拉索施加給位于錨固端的預應力被測件的， 即為拉索預應力；當溫度變化時，預應力被測件環向膨脹應變包含拉索預應力使預應力被 測件產生的膨脹應變和溫度變化使預應力被測件產生的膨脹應變；當溫度升高時，預應力 被測件膨脹產生的應變取正值，反之為負值；在上述同一溫度環境條件下，對同一預應力被 測件監測溫度變化使預應力被測件產生的膨脹應變，將處于同一溫度環境的元件稱為溫度 補償被測件；對溫度補償被測件進行監測時，在溫度補償被測件環向外表面中部纏繞光纖 監測組件，構成溫度補償傳感器；溫度變化時，預應力被測件和溫度補償被測件會產生相同 的環向應變變化；對預應力監測傳感器和溫度補償傳感器進行同時監測，預應力監測傳感 器所得膨脹應變減去溫度補償傳感器監測所得的應變，即為拉索預應力使預應力被測件產 生的膨脹應變；通過上述所給公式即算得預應力被測件總體壓力；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應力被測件的壓力，即為拉索預應力。
2. 用于權利要求1所述的光纖拉索預應力監測方法的傳感器，其特征在于，該傳感器 包括預應力監測傳感器和溫度補償傳感器；預應力監測傳感器包括預應力被測件、光纖監 測組件及鋼保護套；溫度補償傳感器包括溫度補償被測件、光纖監測組件及鋼保護套；預 應力被測件環向外表面中部纏繞有光纖監測組件，預應力被測件通過鋼保護套保護；光纖 監測組件為接有光纖接頭的光纖線圈，光纖接頭位于光纖監測組件的兩端，通過光纖法蘭 將光纖接頭固定于預應力被測件；預應力被測件監測時的溫度補償模塊與預應力監測模塊 除作用不同外，其余完全相同。
3. 根據權利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述的預應力被測件為錨板、螺母或壓 力環。
4. 根據權利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述的預應力被測件為錨板，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；預應力監測傳感器中的預應力被測件為錨固 拉索的錨板，溫度補償傳感器中的溫度補償被測件為與預應力被測件完全相同、不受力且 與預應力被測件處于同一溫度環境的錨板。
5. 根據權利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述的預應力被測件為螺母，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；預應力監 測傳感器中的預應力被測件為固定螺桿的螺母，溫度補償傳感器中的溫度補償被測件為與 預應力被測件完全相同、不受力且與預應力被測件處于同一溫度環境的螺母。
6. 根據權利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述的預應力被測件為壓力環，拉索端 部與螺桿相連，螺桿依次穿過錨墊板、壓力環、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，螺桿拉力使壓力環受壓，且壓力環所受壓力與螺桿所受拉力大小相 等，即拉索拉力；預應力監測傳感器中的預應力被測件錨墊板和球面墊板之間的壓力環，溫 度補償傳感器中的溫度補償被測件為與預應力被測件完全相同、不受力且與預應力被測件 處于同一溫度環境的壓力環。
【專利摘要】本發明提供了一種光纖拉索預應力監測方法及其傳感器。該預應力監測方法以纏繞在預應力被測件外表面的單模光導纖維作為傳感單元，實現對預應力的長期、穩定監測。光纖橋梁拉索預應力監測傳感方法的傳感結構包括：預應力監測模塊、溫度補償模塊、信號傳輸段光纜及保護鋼套。本發明用預應力被測件針對預應力錨具受壓件受力進行監測，進而得到拉索預應力。通過纏繞在另一個與預應力被測件同等規格、不受力且與預應力被測件處于同一溫度環境的溫度補償被測件上的光纖線圈來修正環境溫度對預應力監測結果的影響，使應變監測更加精確的同時，實現對索體內部溫度的測量。本方法適用于橋梁拉索預應力的長期監測，具有精確度高、壽命長、成本低等特點。
【IPC分類】G01L1-24
【公開號】CN104535234
【申請號】CN201410849987
【發明人】趙雪峰, 孫長森, 李冬生, 李生元, 李金珂
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月29日