一种光纤拉索预应力监测方法及其传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土木工程结构安全监测领域，涉及到拉索预应力监测的一种光纤监测 方法。更确切地说，本发明涉及一种能够在拉索服役过程中，监测拉索预应力的一种方法。
【背景技术】
[0002]自上个世纪50年代以来，预应力拉索广泛用于桥梁结构，特别是斜拉桥中预应力 拉索的材料和锚固体系出现了许多技术创新和跨越式的发展。在桥梁结构中，拉索将桥面 系荷载传递给塔（主拱），桥面系荷载包括桥面自重的恒荷载和车辆、风及温度等荷载，拉 索在活荷载作用下将产生疲劳效应，导致疲劳累积损伤；此外，由于拉索桥梁是超静定结 构，其它构件的变形和损伤也会导致拉索受力状态的变化，如四川大学的汤国栋在2002年 的检测结果表明，设计和成桥时受力基本相同的拉索在服役8年后，最长拉杆的内力与最 短拉索内力相差20余倍，这就使拉索的服役安全存在着相当大的隐患。
[0003]目前拉索预应力监测的方法主要有：1)油压表法：根据千斤顶油缸中液压和索拉 力的关系，只需测定油缸中的油压即可求得预应力。但在实际工程中使用的油压表的精度 并不高，也容易发生故障再者千斤顶的内摩阻力难以准确地预计，它是随着油封的磨损程 度和张拉吨位的大小而变化的。此外千斤顶是串入缆索与锚头之间使用的，桥梁投入正常 运营后，就无法再使用油压表进行预应力测试。2)电测法：用于施工阶段张拉预应力的控 制。优点是精度高，缺点是监测需要布置的导线很多很长，另外压力传感器价格比较昂贵， 大吨位造价更高，不宜大量使用。再者随着时间变化应变片对变形的反应也越来越迟钝， 监测误差也将随之增大。3)频率法：用频率法测定预应力，不仅方便，适应多种工况，设备 可重复使用，且测量精度已能满足工程应用要求，因此得到了广泛使用。但由于该方法对拉 索两侧端点连接方式需为铰接的理论假设限制，使得该方法在一些不符合铰接假设条件的 拉索服役工况下的监测精度难以保证。4)磁通量法：磁通量法所用的材料是电磁传感器， 这种传感器由两层线圈组成。优点是除磁化拉索外，它不会影响拉索的任何力学特性和物 理特性。缺点是造价高。5)光纤光栅压力环法：该方法测得的桥梁预应力有很高的精度， 但是光栅敏感元件的粘结剂的耐久性差，从而导致传感器寿命短，该方法还有待进一步改 进与完善。
[0004] 针对上述问题，为了实现拉索预应力的高耐久性、高精度、实时监测。本发明提出 一种基于白光干涉传感技术的桥梁预应力监测方法，实现对拉索预应力的监测。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种光纤拉索预应力监测方法及其传感器。应用 缠绕在预应力被测件上的基于光纤白光干涉传感技术的光纤线圈传感结构，实现对预应力 被测件受力的监测，同时通过对温度补偿被测件环向应变的监测消除温度对预应力监测的 影响。理论上讲，只要是圆柱形的预应力受压件均可作为本发明的预应力被测件。本发明 中将预应力被测件具体为预应力锚具中比较典型的受压件，即锚板、螺母及压力环。该拉索 预应力监测方法以缠绕在被测件外表面的单模光导纤维线圈作为传感单元，测量弹性拉索 受力后，引起位于拉索锚固端被测件的膨胀变形应变。由于预应力被测件所受的压力即为 拉索的预应力。通过对预应力被测件所受压力的监测，可以实现对拉索预应力的长期、稳定 监测。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种用于光纤拉索预应力监测方法，该监测方法为在圆柱形的结构受压件（下称 预应力被测件）环向外表面中部缠绕光纤监测组件，构成预应力监测传感器。光纤监测组 件为接有光纤接头的光纤线圈，光纤接头位于光纤监测组件的两端，通过光纤法兰将光纤 接头固定于预应力被测件上。预应力监测传感器工作时，拉索或螺杆穿过传感器内部并进 行锚固，当拉索或螺杆受拉时，预应力传感器受压，拉索或螺杆所受的拉力与传感器所受的 压力相等。预应力被测件受压会产生环向膨胀应变，引起光纤监测组件中光纤线圈长度的 变化。光纤线圈总长度已知，光纤线圈长度变化值与光纤线圈总长度的比值即为光纤线圈 的应变，光纤线圈的应变与预应力被测件的环向应变相等。通过以下公式可算得预应力被 测件总体压力：
【主权项】
1. 一种光纤拉索预应力监测方法，其特征在于，在预应力被测件的环向外表面中部缠 绕光纤监测组件，构成预应力监测传感器；光纤监测组件为接有光纤接头的光纤线圈，光纤 接头位于光纤监测组件的两端，通过光纤法兰将光纤接头固定于预应力被测件上；预应力 监测传感器工作时，拉索或螺杆穿过传感器内部并进行锚固，当拉索或螺杆受拉时，预应力 传感器受压，拉索或螺杆所受的拉力与传感器所受的压力相等；预应力被测件受压会产生 环向膨胀应变，引起光纤监测组件中光纤线圈长度的变化，光纤线圈总长度已知，光纤线圈 长度变化值与光纤线圈总长度的比值即为光纤线圈的应变，光纤线圈的应变与预应力被测 件的环向应变相等；通过以下公式算得预应力被测件总体压力：
式中：F为被测件总体压力；ε F为预应力监测传感器测得应变；ε τ为温度补偿传感器 测得应变，温度不变时为零；V为被测件所用材料的泊松比；E为被测件所用材料的弹性模 量W1为被测件外表面直径；d 2为被测件内表面直径； 当温度不变时，预应力被测件总体压力由拉索施加给位于锚固端的预应力被测件的， 即为拉索预应力；当温度变化时，预应力被测件环向膨胀应变包含拉索预应力使预应力被 测件产生的膨胀应变和温度变化使预应力被测件产生的膨胀应变；当温度升高时，预应力 被测件膨胀产生的应变取正值，反之为负值；在上述同一温度环境条件下，对同一预应力被 测件监测温度变化使预应力被测件产生的膨胀应变，将处于同一温度环境的元件称为温度 补偿被测件；对温度补偿被测件进行监测时，在温度补偿被测件环向外表面中部缠绕光纤 监测组件，构成温度补偿传感器；温度变化时，预应力被测件和温度补偿被测件会产生相同 的环向应变变化；对预应力监测传感器和温度补偿传感器进行同时监测，预应力监测传感 器所得膨胀应变减去温度补偿传感器监测所得的应变，即为拉索预应力使预应力被测件产 生的膨胀应变；通过上述所给公式即算得预应力被测件总体压力；该总体压力中已消除温 度变化的影响，只是由拉索施加给位于锚固端的预应力被测件的压力，即为拉索预应力。
2. 用于权利要求1所述的光纤拉索预应力监测方法的传感器，其特征在于，该传感器 包括预应力监测传感器和温度补偿传感器；预应力监测传感器包括预应力被测件、光纤监 测组件及钢保护套；温度补偿传感器包括温度补偿被测件、光纤监测组件及钢保护套；预 应力被测件环向外表面中部缠绕有光纤监测组件，预应力被测件通过钢保护套保护；光纤 监测组件为接有光纤接头的光纤线圈，光纤接头位于光纤监测组件的两端，通过光纤法兰 将光纤接头固定于预应力被测件；预应力被测件监测时的温度补偿模块与预应力监测模块 除作用不同外，其余完全相同。
3. 根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述的预应力被测件为锚板、螺母或压 力环。
4. 根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述的预应力被测件为锚板，拉索中的 钢绞线依次穿过锚垫板、锚板后用夹片在锚板上进行锚固，钢绞线的拉力将使锚板受压，并 且钢绞线所受拉力与锚板所受压力大小相等；预应力监测传感器中的预应力被测件为锚固 拉索的锚板，温度补偿传感器中的温度补偿被测件为与预应力被测件完全相同、不受力且 与预应力被测件处于同一温度环境的锚板。
5. 根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述的预应力被测件为螺母，拉索端部 与螺杆相连，螺杆依次穿过锚垫板球面垫板后用螺母固定；拉索所受拉力与螺杆所受拉力 相等，螺杆拉力使螺母受压，且螺母所受压力与螺杆拉力大小相等，即拉索拉力；预应力监 测传感器中的预应力被测件为固定螺杆的螺母，温度补偿传感器中的温度补偿被测件为与 预应力被测件完全相同、不受力且与预应力被测件处于同一温度环境的螺母。
6. 根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述的预应力被测件为压力环，拉索端 部与螺杆相连，螺杆依次穿过锚垫板、压力环、球面垫板后用螺母固定；拉索所受拉力与螺 杆所受拉力大小相等，螺杆拉力使压力环受压，且压力环所受压力与螺杆所受拉力大小相 等，即拉索拉力；预应力监测传感器中的预应力被测件锚垫板和球面垫板之间的压力环，温 度补偿传感器中的温度补偿被测件为与预应力被测件完全相同、不受力且与预应力被测件 处于同一温度环境的压力环。
【专利摘要】本发明提供了一种光纤拉索预应力监测方法及其传感器。该预应力监测方法以缠绕在预应力被测件外表面的单模光导纤维作为传感单元，实现对预应力的长期、稳定监测。光纤桥梁拉索预应力监测传感方法的传感结构包括：预应力监测模块、温度补偿模块、信号传输段光缆及保护钢套。本发明用预应力被测件针对预应力锚具受压件受力进行监测，进而得到拉索预应力。通过缠绕在另一个与预应力被测件同等规格、不受力且与预应力被测件处于同一温度环境的温度补偿被测件上的光纤线圈来修正环境温度对预应力监测结果的影响，使应变监测更加精确的同时，实现对索体内部温度的测量。本方法适用于桥梁拉索预应力的长期监测，具有精确度高、寿命长、成本低等特点。
【IPC分类】G01L1-24
【公开号】CN104535234
【申请号】CN201410849987
【发明人】赵雪峰, 孙长森, 李冬生, 李生元, 李金珂
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月29日