一种基于CFRP传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法

本发明属于土木工程桥梁缆索的结构健康监测，尤其涉及一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法。

背景技术：

1、已有的工程实践表明，大跨桥梁缆索的锚具在服役期间长期承受交变荷载的作用(该应变一般低于材料的屈服强度)。锚具结构在长期服役的循环荷载作用下，材料内部缺陷点或薄弱部位处会逐步累积损伤，该损伤伴随着循环次数的累积会进一步加大材料内部的损伤，从而导致微裂纹的出现，最终结构内部会发生损伤，直至发生突然的断裂破坏。

2、针对在役锚具的结构健康状况，传统的结构健康监测方法是在锚具表面黏贴传感元件，从而对结构的安全性能进行监测预警，但这种监测方式存在传感器的抗疲劳性能与耐久性能欠缺、无法实时监测等不足。而通用的无损检测方法存在操作复杂、测试周期较长、且难以实现全场(时域)连续监测等不足。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法，本申请通过建立结构损伤识别模型，利用结构损伤识别模型对被监测锚具系统在受力后产生的信号数据进行实时、快速处理，输出结构健康状况分析结果；本申请通过cfrp传感器在锚具系统上的嵌贴安装，可以实现对锚具系统全场(时域)连续监测。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，包括：

4、cfrp传感器组，在锚筒内壁沿轴向至少设置一条cfrp传感器组，所述cfrp传感器组内包含多个cfrp传感器；根据cfrp传感器安装处的应变选取对应所述cfrp传感器的长度；

5、数据采集器，所述数据采集器信号连接cfrp传感器组，收集每个cfrp传感器所采集的应变数据；

6、处理器，所述处理器信号连接数据采集器；所述处理器内置损伤识别模型，所述处理器接收数据采集器输入的应变数据，并利用损伤识别模型对锚筒进行损伤识别。

7、进一步，所述损伤识别模型的构建及损伤识别方法如下：

8、构建cfrp传感器测量到的应变与被测锚具结构产生的应变两者之间的控制方程，表示为：

9、

10、根据控制方程计算出第γ个监测点处cfrp传感器的应变ε(x,lr,cg)γ；ε(x,lr,mt)γ是第γ个监测点处锚筒的应变，v是常数项；ψ是cfrp传感器、粘结剂的弹性模量和尺寸参数；x是在锚筒(33)轴向上cfrp传感器中心点与其边沿的距离；l是cfrp传感器长度；

11、设置损伤判定阈值εmt，并将第γ个应监测点处cfrp传感器的应变ε(x,lr,cg)γ与εmt进行比较，输出损伤识别结果，表示为：

12、

13、进一步，所述cfrp传感器长度的选取方法为：

14、锚筒上每个监测点处的应变与长度的关系表示为：

15、

16、将x＝0时的l作为第γ个监测点处cfrp传感器的长度值；其中，是平均化处理后的第γ个监测点处cfrp传感器的应变。

17、进一步，所述cfrp传感器包括cfrp筋，在cfrp筋的两端设置铜电极和导线，所述导线连接数据采集器。

18、进一步，所述cfrp传感器中的cfrp筋与锚筒同轴布置。

19、进一步，所述cfrp传感器嵌贴位置的选取方法为：在锚筒内壁沿轴向设定若干个监测点，每个监测点处嵌贴一个cfrp传感器，且所述监测点与cfrp传感器的中心对应。

20、进一步，在锚筒内壁沿轴向开设至少一条嵌槽，所述cfrp传感器组安装在嵌槽内。

21、进一步，所述数据采集器和处理器之间通过无线基站实现应变数据的传输。

22、进一步，所述处理器通过服务器与终端设备之间进行信息交互。

23、一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测方法，包括如下步骤：

24、s1、利用cfrp传感器组采集锚筒轴向各监测点处的应变；

25、s2、将各监测点处的应变输入损伤识别模型，损伤识别模型对各监测点分别进行损伤识别并输出损伤识别结果。

26、本发明的有益效果如下：

27、1、本发明所提出的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法，较其它监测方法，本方法中采用的cfrp传感器自身耐久性与耐腐蚀性好，能与被测结构融为一体，成为永久性结构，进而实现全时域的实时监测。

28、2、本发明所提出的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法，较其他监测方法，本方法中采用的损伤识别模型更加精确、高效，可对被测结构的服役状态做出准确判断，进而进行结构的预警与运维。

29、3、本发明所提出的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法，较其他监测方法，本方法中的cfrp传感器制备工艺、流程及操作方法简单，将其内嵌进锚具结构内部，使得整体锚固系统结构简单可控、成本低廉、可批量生产。

30、4、本发明所设计的整套监测技术具有较好的可行性、优异性与可靠性，可以为cfrp传感器在未来的大跨/超大跨桥梁的锚固系统中实现传感、监测、预警与运维提供技术支持。

31、5、本发明中根据锚筒的应力分布特征，根据待监测点处的应变大小取对应监测点处cfrp传感器的长度，能够精确采点并能有效发挥cfrp传感器的效率。

技术特征：

1.一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述损伤识别模型的构建及损伤识别方法如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述cfrp传感器长度的选取方法为：

4.根据权利要求3所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述cfrp传感器包括cfrp筋(51)，在cfrp筋(51)的两端设置铜电极(53)和导线(54)，所述导线(54)连接数据采集器。

5.根据权利要求4所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述cfrp传感器中的cfrp筋(51)与锚筒(33)同轴布置。

6.根据权利要求5所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述cfrp传感器嵌贴位置的选取方法为：在锚筒(33)内壁沿轴向设定若干个监测点，每个监测点处嵌贴一个cfrp传感器，且所述监测点与cfrp传感器的中心对应。

7.根据权利要求6所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，在锚筒(33)内壁沿轴向开设至少一条嵌槽(61)，所述cfrp传感器组安装在嵌槽(61)内。

8.根据权利要求6所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集器和处理器之间通过无线基站实现应变数据的传输。

9.根据权利要求6所述的一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测系统，其特征在于，所述处理器通过服务器与终端设备之间进行信息交互。

10.一种基于cfrp传感器的预应力锚具结构健康监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于CFRP传感器的预应力锚具结构健康监测系统及方法，监测系统包括CFRP传感器组、数据采集器和处理器；CFRP传感器组是由多个在锚筒内壁沿轴向布置的CFRP传感器构成，且根据监测点处的应变选取CFRP传感器的长度；数据采集器收集CFRP传感器的数据并输入处理器内，处理器内置的损伤识别模型，损伤识别模型根据CFRP传感器采集的应变对被监测锚具各监测点处进行结构健康状况分析。本发明所设计的系统及方法利用结构损伤识别模型对被监测锚具系统在受力后产生的信号数据进行实时、快速处理，输出结构健康状况分析结果；还可以实现对锚具系统全场(时域)连续监测。

技术研发人员：刘荣桂,经正男,李十泉,李颖,刘聃
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14