主缆多点变载弯曲疲劳监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及桥梁技术领域，尤其是一种适用于悬索桥主缆受到交变载荷作用时，主缆多点变载弯曲疲劳监测装置及其监测方法。

背景技术：

主缆以索塔、散鞍座支墩为支撑，两端锚固于锚定或梁端，是悬索桥的主要承重构件；主缆主要受到自重恒载，加筋梁恒载和车辆产生的活载作用，所以主缆是悬索桥结构受力的生命线，对于车辆的安全行驶和悬索桥的服役年限具有决定性作用。主缆作为一种柔性结构，绕过曲率半径小的鞍座时产生局部弯曲应力；当受到竖向荷载变形较大时，主缆中丝与股之间由于受力不均匀，主缆的丝股之间会产生磨损。用于紧箍和保持主缆形状的索夹，当受到外部荷载作用发生转动时，主缆在索夹附近产生局部弯曲应力。在悬索桥服役期间，主缆长期受到弯曲应力的作用，导致主缆局部钢丝发生裂纹萌生、扩展和最终断裂，严重影响主缆的承载强度和使用寿命。

现有的疲劳试验机主要用于测试电梯、起重机和矿井提升领域使用钢丝绳的疲劳寿命。如:专利号为：zl03254225.9公开了一种钢丝绳与滑轮疲劳试验装置，测试起重机运行时钢丝绳绕滑轮的疲劳性能；专利号为：zl200810032468.3公开了一种电梯用钢丝绳弯曲疲劳状态试验台，通过曳引轮、张紧轮和多个导向轮实现电梯内钢丝绳正向和反向组合弯曲状态的模拟。专利号为：201020676850.0公开了一种钢丝绳变载弯曲疲劳试验机，通过对钢丝绳施加不同的交变载荷，来测试钢丝绳在实际工况下的疲劳寿命。上述试验机，仅针对起重机、电梯和矿井提升钢丝绳的弯曲疲劳试验装置，然而悬索桥主缆在实际工况下，产生的弯曲应力主要由绕过曲率半径小的鞍座产生的局部弯曲应力以及索夹转动时产生的局部弯曲应力，与上述工况产生的弯曲应力不同，因此这些疲劳试验装置不适用于悬索桥主缆的变载弯曲疲劳监测装置。

目前还没有专门测试主缆多点变载弯曲疲劳监测装置，因此提出一种针对悬索桥主缆的多点变载弯曲疲劳试验装置，探究悬索桥主缆受到交变载荷作用下的主要失效形式，研究主缆丝股之间的磨损和不同部位弯曲应力对主缆疲劳强度的影响，对研究主缆钢丝失效形式以及主缆使用寿命的预测具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单，监测方便，易于操作的主缆多点变载弯曲疲劳监测装置。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种主缆多点变载弯曲疲劳监测装置，包括：

支撑基架，所述的支撑基架包括底板、对称设置在底板两侧的两根支撑塔和两根固定基架；

桥梁系统，包括地锚、主缆锚头、主缆连接耳、主缆、鞍座、锁夹、上吊索锚、吊索、吊索下锚头和吊索连接耳，其中，每根固定基架上均设有地锚，主缆的两端分别通过主缆锚头与所述地锚连接；

锁夹包括多个，多个锁夹等间距排布在位于两根支撑塔之间的主缆中间部分，所述的锁夹下端依次通过上吊索锚、吊索、下吊索锚以及吊索连接耳与第一负载机构连接，所述第一负载机构用于模拟加筋梁对桥梁提供的负载；

所述第一负载机构包括：负载架，所述负载架设置在主缆中间部分正下方，负载架的上端与所述吊索连接耳连接，负载架上设有与所述锁夹相同间距的挂钩，通过在挂钩上悬挂不同的负载，模拟不同质量的加筋梁对吊索和主缆的作用力；

第二负载机构，设置在所述负载架下方，用于模拟主缆受到的动态负载，包括：

竖向伸缩单元，竖向伸缩单元的底部与一水平位移传动机构连接，竖向伸缩单元的伸缩杆上依次通过第三拉压传感器、法兰吊耳、双向连接扣以及滑块连接扣与第一滑块连接，第一滑块装配在所述负载架底部的第一滑轨上；

所述水平位移传动机构包括：

旋转驱动单元，所述旋转驱动单元固定在所述底板的一端，旋转驱动单元的驱动轴上连接传动机构，传动机构上固定连接有滑台，所述滑台的底部与固定设置在底板上的第二滑轨滑动连接，滑台的上端与所述竖向伸缩单元的底部固定连接；

状态检测系统，包括连接在主缆两端的第一拉压传感器，吊索下端的第二拉压传感器，装配在竖向伸缩单元伸缩杆上的第三拉压传感器，以及贴在主缆和吊索表面的应变片，其中，第一拉压传感器用于监测主缆所受的拉力；

第二拉压传感器用于监测吊索所受的拉力；

第三拉压传感器用来监测竖向伸缩单元所提供的拉力大小；

应变片用于监测在不同受力状态下，主缆和吊索的变形信息；

所有拉压传感器和应变片采集的信息均与数据采集卡相连，数据采集卡获得的数据信息传送到控制器中并保存。

所述竖向伸缩单元为液压缸。

旋转驱动单元为伺服电机。

所述传动机构为带轮传动机构。

所述控制器为计算机。

一种基于所述主缆多点变载弯曲疲劳监测装置的监测方法，包括以下几个步骤：

a.启动试验装置，通过数据采集卡采集第一拉压传感器、第二拉压传感器、第三拉压传感器以及应变片采集到的数值传送到控制器中并保存，然后对竖向伸缩单元上的第三拉压传感器和主缆、吊索上的应变片进行校零；

b.通过控制器控制旋转驱动单元转动，通过传动机构带动将竖向伸缩单元移动到旋转驱动单元一侧的末端，旋转驱动单元停止运转；

c.调节竖向伸缩单元提供的拉力，拉力的大小通过第三拉压传感器测得；

d.控制器控制旋转驱动单元转动，使竖向伸缩单元沿着第二导轨做往复运动，同时监测系统开始采集数据并保存在控制器中，直至实验结束；

e.调节旋转驱动单元的转速，重复步骤b至d；

f.在负载架上的每个挂钩上悬挂质量相同的质量块，改变负载架的重量对主缆的初始作用力，重复步骤a到e；

g.将上述实验采集得到的数据进行处理与对比，分析在相同负载下不同移动速度和不同负载相同移动速度条件下，主缆和吊索的受力、变形信息，对主缆和吊索的失效形式以及使用寿命进行预测。

有益效果：采用上述技术方案，本发明结构简单，操作方便，能够实时监测在相同负载下不同移动速度和不同负载相同移动速度的弯曲疲劳实验。能够模拟在不同车速和不同质量的车载对主缆的作用，同时能够实时监测在交变载荷作用下，主缆受力情况及不同部位的变形，对于研究主缆的失效形式以及对主缆使用寿命预测具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明结构的主视图；

图2为本发明索夹与负载架连接结构的局部放大图；

图3为本发明第二负载机构中竖向伸缩单元与负载架连接的局部放大图；

图4为本发明主缆与支撑塔连接结构的局部放大图；

图5为本发明水平位移传动机构的局部轴视图。

其中：1、底板；2、伺服电机；3、传送带；4、地锚；5、主缆连接耳；6、第一拉压传感器；7、主缆锚头；8、主缆；9、鞍座；10、支撑塔；11、负载架；12、挂钩；13、固定基架；14、第二滑块；15、传动带从动轮；16、从动轮支架；17、索夹；18、上吊索锚；19、应变片；20、吊索；21、下吊索锚；22、吊索连接耳；23、第二拉压传感器；24、第一滑块；25、第一滑轨；26、滑块连接扣；27、双向连接扣；28法兰吊耳；29、第三拉压传感器；30、液压缸；31、传送带压板；32、滑台；33、第二滑块；34、传动带主动轮。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，本发明的主缆多点变载弯曲疲劳监测装置，包括支撑基架，桥梁系统，负载架，动态负载加载系统，状态监测系统。

所述的支撑基架包括底板1，对称设置在固定底板两侧的支撑塔10和固定基架13。

所述的桥梁系统包括地锚4，主缆锚头5，主缆连接耳7，主缆8，鞍座9，锁夹17，上吊索锚18，吊索20，吊索下锚头21和吊索连接,22。

地锚4固定在固定基架13上，主缆连接耳7通过螺栓连接在地锚4上；

主缆8的末端连接在主缆锚头5上，锁夹17等间距排布在主缆8中间部分。

所述的锁夹17下端连接着上吊索锚18，吊索20通过上吊索锚18和下吊索锚21进行安装，下吊索锚21的另一端连接着吊索连接耳22。

所述的负载系统包括第一负载机构和第二负载机构，其中，

如图2所示，第一负载机构包括负载架11，负载架11通过固定在负载架11上的拉力传感器与桥梁系统连接，用于模拟加筋梁对桥梁提供的负载。

负载架11的两侧设有与吊索20相同间距的挂钩12，可以悬挂不同的负载，用于模拟不同质量的加筋梁对吊索20和主缆8的作用力。

如图3所示，所述第二负载机构包括液压系统和位移传动系统组成。

所述的液压系统包括液压缸30，法兰吊耳28，双向连接扣27，滑块连接扣26，第一滑轨25和第一滑块24。液压缸30通过螺栓连接在位移传动系统的滑台32上，液压缸30的活塞螺纹杆上连接第三拉压传感器29，第三拉压传感器29的另一端连接着法兰吊耳28上，法兰吊耳28与滑块连接扣26之间通过双向连接扣27进行连接；滑块连接扣27通过螺钉固定在第一滑块24上，第一滑块24装配在固定在负载架11上的第一滑轨25上。

如图5所示，所述的位移传动系统包括伺服电机2，传动带3，传动带主动轮34，传动带从动轮15，从动轮支架16，第二滑块14，第二滑块14，滑台32，传送带压板31。

伺服电机2固定在底板1的一端，传动带主动轮34通过键连接装配在伺服电机2的转轴上。传动带从动轮15装配在从动轮支架16上，从动轮支架16固定在底板的另一端。传动带3装配在传动带主动轮34和传动带从动轮15上，传动带3与滑台32重合的部位，用传动带压板31将传动带3与滑台32固定在一起，能够实现传动带3带动滑台32运动。通过传送带3转动，带动滑台32移动，来实现移动动载荷的施加。滑台32装配在第二滑块14上，第二滑块14装配在固定在底板1上的第二滑块14上。

如图4所示，所述的状态检测系统包括主缆8两端的第一拉压传感器6，吊索下端的第二拉压传感器23，装配在液压缸30活塞杆上的第三拉压传感器29，以及贴在主缆8和吊索20表面的应变片19。

拉压传感器用来监测主缆8和吊索20所受的拉力和液压缸30所提供的拉力大小。

应变片19用于监测在不同受力状态下，主缆8和吊索20的变形信息。

传感原件与数据采集卡相连，获得的数据信息通过数据采集卡传送到计算机中并保存。

使用上述主缆多点变载弯曲疲劳监测装置的方法，具体步骤如下：

a.启动试验装置，通过数据采集卡将主缆8的两端、吊索20下端拉力传感器、主缆8和吊索20上的应变片采集到的数值传送到计算机中并保存，然后对液压活塞杆上的第三拉压传感器29和主缆8、吊索20上的应变片19进行校零；

b.通过计算机控制伺服电机2转动，通过传送带带动将液压系统移动到伺服电机2一侧的末端，伺服电机2停止运转；

c.调节液压的大小，改变液压缸30提供的拉力，拉力的大小通过第三拉压传感器29测得；

d.计算机控制伺服电机2转动，使液压系统沿着第二导轨14上做往复运动，同时监测系统开始采集数据并保存在计算机中，直至实验结束；

e.调节变频器的输出频率，改变伺服电机2的转速，重复步骤b至d；

f.在负载架11上的每个挂钩12上悬挂质量相同的质量块，改变负载架11的重量对主缆8的初始作用力，重复步骤a到e；

g.将上述实验采集得到的数据进行处理与对比，分析在相同负载下不同移动速度和不同负载相同移动速度条件下，主缆8和吊索20的受力、变形等信息，对主缆8和吊索20的失效形式以及使用寿命进行预测。