專利名稱：基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線及其制備與全尺度監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種鋼絞線應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)。
(二)
背景技術(shù)：
鋼絞線廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土和橋梁拉索(如斜拉索、吊桿和系桿)、纜索等索體結(jié) 構(gòu)中。鋼絞線在長(zhǎng)期服役期間一般處于高應(yīng)力狀態(tài)和惡劣環(huán)境中，其應(yīng)力狀態(tài)直接關(guān)系到 結(jié)構(gòu)的服役功能(如撓度過(guò)大)和安全性(如裂縫過(guò)寬、斷裂等)。因此對(duì)鋼絞線結(jié)構(gòu)的應(yīng) 力狀態(tài)進(jìn)行從施工到服役的全過(guò)程監(jiān)測(cè)，具有重要的意義。鋼絞線結(jié)構(gòu)，如預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)， 通常還會(huì)因鋼絞線彎角、與粘結(jié)基體的摩擦或滑移、與套管的摩擦、混凝土結(jié)構(gòu)的離散型 性徐變、有無(wú)粘結(jié)的鋼筋應(yīng)力松弛差異等各種不同的原因，往往會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)在長(zhǎng)度方 向上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的差異性。此外，鋼絞線在張拉過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致直粘帖在其上 的傳感器或傳輸線路失效。目前，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有適于鋼絞線長(zhǎng)期應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有效手段。 傳統(tǒng)用于鋼絞線局部應(yīng)力監(jiān)測(cè)的手段主要包括千斤頂油壓表、電測(cè)式傳感器(如差動(dòng)屯阻 式、電阻應(yīng)變計(jì)式、鋼弦式等)和磁通量式傳感器、加速度間接測(cè)試等技術(shù)。然而，這些 技術(shù)都不同時(shí)具備分布式、高耐久、長(zhǎng)距離、絕對(duì)測(cè)量、低成本、操作簡(jiǎn)便等特征。雖然， 磁通量技術(shù)具有一定的耐久性優(yōu)勢(shì)，但是磁通量傳感器存在由于磁性退化、傳感器非線性 特征等導(dǎo)致需要二次標(biāo)定的問(wèn)題，也不完全適于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。隨著光纖光柵傳感器的快速發(fā) 展與大量工程實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者應(yīng)用光纖光柵對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究， 其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)光纖光柵智能鋼絞線進(jìn)行了系統(tǒng)研究，將光纖光柵(OFBG)與纖維 增強(qiáng)樹脂復(fù)合筋(FRP)，稱為FRP-OFBG，再與鋼絞線復(fù)合研制開發(fā)出智能鋼絞線，并將 其成功地應(yīng)用到實(shí)際工程中。然而這種智能鋼絞線也是局部式傳感器，只能給出鋼絞線某 點(diǎn)的平均應(yīng)力值，不能反映鋼絞線各段預(yù)應(yīng)力損失與全尺度的應(yīng)力分布情況。
近年發(fā)展起來(lái)布里淵分布式光纖傳感技術(shù)，為解決上述難題提供了新的思路。布里淵 分布式光纖傳感器除具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，其最為顯著的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了全分布 式應(yīng)變測(cè)量，可對(duì)光纖沿線的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行全尺度監(jiān)測(cè)，已在航空航天、土木工程、 復(fù)合材料等領(lǐng)域得到大量的研究和初歩應(yīng)用，成為目前的熱點(diǎn)研究技術(shù)。為了充分發(fā)揮光纖布里淵的分布式監(jiān)測(cè)特性和FRP材料的高耐久、線性本構(gòu)、模量較高等特性，將光纖與 FRP復(fù)合，制作出FRP-OF智能筋，直接替換鋼絞線中絲，研制基于全尺度光纖布里淵監(jiān) 測(cè)技術(shù)的智能鋼絞線(命名為FRP-OF智能鋼絞線)，光纖作為感知元件，監(jiān)測(cè)FRP-OF智 能筋的軸向應(yīng)變的分布規(guī)律及其隨荷載變化的關(guān)系，可以得到FRP-OF智能鋼絞線的的應(yīng) 力變化，進(jìn)而監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力工程中的預(yù)應(yīng)力損失。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有智能感知特性，測(cè)試精度高，具有抗電磁干擾、絕對(duì) 測(cè)量、穩(wěn)定性和耐久性好優(yōu)點(diǎn)的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線及其制備與全尺度監(jiān)測(cè) 方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的智能鋼絞線包括FRP-OF智能筋、鋼絞線外絲、高延性 金屬箔片和光纖，至少一層高延性金屬箔片包裹在FRP-OF智能筋表面，F(xiàn)RP-OF智能筋與 鋼絞線外絲捻線成型，光纖設(shè)置在FRP-OF智能筋內(nèi)并從兩端穿出。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1、 所述的FRP-OF智能筋的直徑與鋼絞線中絲相等，長(zhǎng)度長(zhǎng)于中絲；
2、 所述的FRP-OF智能筋內(nèi)設(shè)置雙光纖；
3、 所述的FRP-OF智能筋一端熔接傳輸信號(hào)的光纜，另一端兩光纖熔接構(gòu)成測(cè)試回路。 本發(fā)明智能鋼絞線的制備過(guò)程包括以下結(jié)構(gòu)特征1、在FRP制作過(guò)程中置入光纖復(fù)合
FRP-OF筋；2、在FRP-OF智能筋表面包裹一層或幾層高延性金屬箔片，增加FRP-OF筋 和外層鋼絲之間的握裹力；3、將包裹金屬箔片的FRP-OF智能筋直接替換鋼絞線的中絲與 外絲捻線成型；4、通過(guò)特殊錨具固定鋼絞線兩端應(yīng)用于實(shí)際工程中。 本發(fā)明的智能鋼絞線制備方法還有這樣一些技術(shù)特征
1、 所述的在FRP制作過(guò)程中根據(jù)鋼絞線中絲的長(zhǎng)度計(jì)算FRP筋的下料長(zhǎng)度，然后將 長(zhǎng)度長(zhǎng)于鋼絞線中絲4-7cm的光纖與纖維一起牽拉，采用熱擠法制成復(fù)合光纖的FRP-OF 筋；
2、 所述的將包裹高延性金屬箔片的FRP-OF筋與外絲捻線成型后在FRP-OF智能筋兩 端剝出光纖， 一端熔接傳輸信號(hào)的光纜，另一端，兩光纖熔接構(gòu)成測(cè)試環(huán)路，光纖接頭部 位彎曲半徑大于2.5cm。
本發(fā)明智能鋼絞線的全尺度監(jiān)測(cè)方法包括通過(guò)特殊錨具固定智能鋼絞線兩端于工程 中，對(duì)智能鋼絞線健康監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)測(cè)得的光纖沿線各點(diǎn)的布里淵頻移的變化，計(jì)算出 FRP-OF筋的軸向應(yīng)變，外層鋼絲在錨固張拉過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使FRP-OF智能筋與外層鋼絲之間的握裹力大大增強(qiáng)，從而構(gòu)件的整體協(xié)同變形，F(xiàn)RP-OF智能筋感受的應(yīng)變即為鋼絞 線的應(yīng)變，進(jìn)而得到鋼絞線的內(nèi)力全分布情況。
布里淵全分布式光纖測(cè)試技術(shù)是基于布里淵頻移信息的絕對(duì)測(cè)量技術(shù)，采用普通通訊 用單模光纖作為其敏感元件，除具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)(如可靠性好、傳輸距離長(zhǎng)、
抗腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)，絕對(duì)測(cè)量)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了全分布式應(yīng)變測(cè)量，可 對(duì)光纖沿線的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行全尺度，超長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)。目前布里淵分布式光纖傳感器 己經(jīng)在土木工程、航空航天、石油化工、環(huán)境工程等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
FRP筋具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐蠕變、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在土木工程領(lǐng)域 逐漸成為代替鋼筋的新興材料，而且容易加工成型，能很方便的復(fù)合光纖傳感器。
本發(fā)明提供了一種基于光纖布里淵分布式傳感技術(shù)的鋼絞線全尺度應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法與技 術(shù)，同時(shí)還包括用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)的智能鋼絞線的制作工藝。本發(fā)明結(jié)合FRP材料的高耐久、 線性本構(gòu)、模量較高等特性和光纖的全分布式感知特性，研制開發(fā)FRP-OF智能鋼絞線。 通過(guò)封裝在FRP筋內(nèi)的光纖，感知FRP筋的軸向應(yīng)變，外層鋼絲在錨固張拉過(guò)程中會(huì)發(fā)生 扭轉(zhuǎn)，使FRP-OF智能筋與外層鋼絲之間的握裹力大大增強(qiáng)，從而保證了構(gòu)件的整體協(xié)同
變形。該智能鋼絞線測(cè)試精度高(可達(dá)到±20/^)、抗電磁干擾、絕對(duì)測(cè)量、穩(wěn)定性和耐久
性好等，可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在施工和服役期間的受力狀態(tài)。在預(yù)應(yīng)力工程中可 以指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力鋼絞線或拉索的張拉與施工，并為預(yù)應(yīng)力拉索服役期間的預(yù)應(yīng)力損失、錨固 失效等健康監(jiān)測(cè)與損傷識(shí)別提供直接的信息。將光纖與FRP筋有效復(fù)合制作的FRP-OF智 能筋，同時(shí)又是對(duì)光纖的優(yōu)良封裝保護(hù)，克服了裸光纖傳感器布設(shè)與保護(hù)的困難，并能充 分發(fā)揮光纖的優(yōu)良的感知性能，這是普通電測(cè)技術(shù)(如電阻應(yīng)變計(jì))不可能做到的。
本發(fā)明智能鋼絞線具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、絕對(duì)測(cè)量、測(cè)試距離長(zhǎng)以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等 優(yōu)點(diǎn)，克服了電測(cè)和局部光纖光柵等傳感技術(shù)的不能全分布式測(cè)試的缺點(diǎn)，同時(shí)可以用該 智能鋼絞線，監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力工程的預(yù)應(yīng)力損失，特別適用于如斜拉橋平行鋼絞線拉索等結(jié)構(gòu) 的健康監(jiān)測(cè)。該智能鋼絞線制作過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低，特別適宜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
(四)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明
結(jié)合圖l，本實(shí)施例FRP-OF智能筋的直徑應(yīng)與鋼絞線中絲相等，長(zhǎng)度略長(zhǎng)于中絲(約5cm左右)，便于傳輸跳線的接入；考慮到該智能鋼絞線可同時(shí)兼容布里淵分布式傳感技術(shù) 的兩大商用系統(tǒng)BOTDA禾卩BOTDR， FRP-OF智能筋采用雙光纖；
結(jié)合圖2， FRP-OF智能鋼絞線的組成包括錨具l，高延性金屬箔片2，鋼絞線外絲3， 含有光纖的FRP筋4和光纖5。
本實(shí)施例的產(chǎn)品可以采用下述方法來(lái)制作
1) 、根據(jù)鋼絞線中絲的長(zhǎng)度計(jì)算FRP筋的下料長(zhǎng)度，然后將合適長(zhǎng)度的光纖(略長(zhǎng)于 鋼絞線中絲，約5cm左右，便于跳線制作)與纖維一起牽拉，采用熱擠法制成復(fù)合光纖的 FRP陽(yáng)OF筋；
2) 、為使FRP-OF筋與鋼絞線外絲協(xié)同變形，在FRP-OF筋表面包裹一層或幾層高延性 金屬箔片，增加FRP-OF筋和外層鋼絲之間的握裹力；
3) 、取出鋼絞線中絲，將包裹高延性金屬箔片的FRP-OF筋與外絲捻線成型；
4) 、剝出光纖， 一端熔接傳輸信號(hào)的光纜，另一端，兩光纖熔接構(gòu)成測(cè)試環(huán)路，光纖 接頭部位彎曲半徑大于2.5cm。
本實(shí)施例采用的特殊錨具如鍥型夾片錨。
對(duì)鋼絞線健康監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)測(cè)得的光纖布里淵頻移的變化，計(jì)算出FRP-OF筋沿線的 軸向應(yīng)變，外層鋼絲在錨固張拉過(guò)程中會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使FRP-OF智能筋與外層鋼絲之間的 握裹力大大增強(qiáng)，從而保證了構(gòu)件的整體協(xié)同變形，進(jìn)而得到鋼絞線的內(nèi)力全分布情況， 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絞線長(zhǎng)期工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)、全尺度監(jiān)測(cè)，確保使用期內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線或拉索的安 全運(yùn)行，滿足結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的高精度和長(zhǎng)期性的技術(shù)要求。
權(quán)利要求
1、一種基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線，其特征在于智能鋼絞線包括FRP-OF智能筋、鋼絞線外絲、高延性金屬箔片和光纖，至少一層高延性金屬箔片包裹在FRP-OF智能筋表面，F(xiàn)RP-OF智能筋與鋼絞線外絲捻線成型，光纖設(shè)置在FRP-OF智能筋內(nèi)并從兩端穿出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線，其特征在于所述的FRP-OF 智能筋的直徑與鋼絞線中絲相等，長(zhǎng)度長(zhǎng)于中絲。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線，其特征在于所述的FRP-OF 智能筋內(nèi)設(shè)置雙光纖。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線，其特征在于所述的FRP-OF 智能筋一端熔接傳輸信號(hào)的光纜，另一端兩光纖熔接構(gòu)成測(cè)試回路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線的制備方法，其特征在于(1) 在FRP制作過(guò)程中置入光纖復(fù)合FRP-OF筋；(2)在FRP-OF智能筋表面包裹至少一層高 延性金屬箔片，增加FRP-OF筋和外層鋼絲之間的握裹力；(3)將包裹金屬箔片的FRP-OF 智能筋直接荇換鋼絞線的屮絲與外絲捻線成型；(4)通過(guò)錨具固定鋼絞線兩端應(yīng)用于工程 中。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線的制備方法，其特征在于所 述的在FRP制作過(guò)程中根據(jù)鋼絞線中絲的長(zhǎng)度計(jì)算FRP筋的下料長(zhǎng)度，然后將長(zhǎng)度長(zhǎng)于鋼 絞線中絲4-7cm的光纖與纖維一起牽拉，采用熱擠法制成復(fù)合光纖的FRP-OF筋。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線的制備方法，其特征在于所 述的將包裹高延性金屬箔片的FRP-OF筋與外絲捻線成型后在FRP-OF智能筋兩端剝出光 纖， 一端熔接傳輸信號(hào)的光纜，另一端，兩光纖熔接構(gòu)成測(cè)試環(huán)路，光纖接頭部位彎曲半 徑大于2.5cm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線的全尺度監(jiān)測(cè)方法，其特征在于通過(guò)特殊錨具固定智能鋼絞線兩端于工程中，對(duì)智能鋼絞線健康監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)測(cè)得的光纖沿線各點(diǎn)的布里淵頻移的變化，計(jì)算出FRP-OF筋的軸向應(yīng)變，外層鋼絲在錨固張拉 過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使FRP-OF智能筋與外層鋼絲之間的握裹力大大增強(qiáng)，從而構(gòu)件的整體 協(xié)同變形，F(xiàn)RP-OF智能筋感受的應(yīng)變即為鋼絞線的應(yīng)變，進(jìn)而得到鋼絞線的內(nèi)力全分布情 況。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于光纖布里淵傳感的智能鋼絞線及其制備與全尺度監(jiān)測(cè)方法。智能鋼絞線包括FRP-OF智能筋、鋼絞線外絲、高延性金屬箔片和光纖，至少一層高延性金屬箔片包裹在FRP-OF智能筋表面，F(xiàn)RP-OF智能筋與鋼絞線外絲捻線成型，光纖設(shè)置在FRP-OF智能筋內(nèi)并從兩端穿出。本發(fā)明具有智能感知特性，測(cè)試精度高，具有抗電磁干擾、絕對(duì)測(cè)量、穩(wěn)定性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，克服了電測(cè)和局部光纖光柵等傳感技術(shù)的不能全分布式測(cè)試的缺點(diǎn)，同時(shí)可以用該智能鋼絞線，監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力工程的預(yù)應(yīng)力損失，特別適用于如斜拉橋平行鋼絞線拉索等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。該智能鋼絞線制作過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低，特別適宜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/88GK101435779SQ200810209688
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者何建平, 吳源華, 智 周, 歐進(jìn)萍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)