含有传感单元的智能索及智能索内光纤的安拆方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种含有传感单元的智能索及智能索内光纤的安拆方法。

背景技术

拉索作为一种高强度受拉构件广泛应用于桥梁工程和大跨度建筑结构，其运营过程中的索力监测越来越受到重视。近年来，随着光纤光栅传感技术逐渐成熟，智能索在工程领域逐渐得到应用，即在平行钢丝拉索或FRP(Fiber Reinforced Plastics，纤维增强塑料)拉索中，将其中若干根钢丝或FRP筋替换为内嵌光纤光栅传感器FBG(Fiber BraggGrating sensor，布拉格光纤光栅传感器)传感器光纤的智能筋。然而，由于光纤本身易损坏，在智能筋、智能索加工以及智能索施工过程中，FBG存活率很低，极容易导致智能索的自传感功能失效。同时，采用预先内置FBG的智能筋制备智能索，在加工前需要提前根据索体长度在筋材中内置光纤，导致索体不能连续生产，这极大地制约了拉索的加工效率和灵活性。此外，现有技术中的后装监测元件的智能索，即在索内预留通长孔道，在成品拉索制作过程中或施工过程中再安装监测元件。这种方式虽然保证了监测元件的存活率且可更换，但仍然存在一些问题，例如：监测元件紧固于拉索两端，不能保证监测单元与所在截面协调变形，进而导致监测结果不准确；孔道占用较大截面积，且孔道不参与受力，对索体截面削弱较多。现有技术也有采用拖拉法将填充物和光纤一起安装到金属管内的方法，从而解决FBG与索截面变形不协调的问题，但随着筋/索长度增加，填充物与金属管内壁的摩阻力会急剧增大，进而阻碍光纤安装到位，导致该方法在实际工程中实施困难，同时该方法中传感单元无法更换。

发明内容

针对上述现有技术中存着的不足之处，本发明提供了一种含有传感单元的智能索及智能索内光纤的安拆方法，解决了现有技术中内嵌光纤光栅传感器FBG传感器光纤的智能筋中的传感单元无法更换的技术问题。

第一方面，本发明公开了一种含有传感单元的智能索，包括拉索本体，拉索本体内设有一束拉索筋，且位于中心的该拉索筋为中空筋，还包括可拆卸地穿设于该中空筋的光纤，该光纤上连接有传感单元、以及用于防止该传感单元在该中空筋中定位偏差的限位装置，该限位装置包括套接于该光纤的套筒、固定于该套筒的绝缘隔热带、以及固定于该套筒上并用于弹性抵顶于该中空筋的内壁的弹性组件，该弹性组件包括分别位于该绝缘隔热带相对两侧的两圈弹性筋，每圈该弹性筋呈发散状固定于该套筒外周，该弹性筋由记忆材料制成。

本发明的含有传感单元的智能索进一步改进在于，该传感单元的数量为多个，多个该传感单元间隔布设于该光纤上，位于该光纤上的每个该传感单元的相对外侧均固设有限位装置。

第二方面，本发明还提供了一种采用如上所述的含有传感单元的智能索的安拆方法，包括如下步骤：安装拉索本体；于中空筋内部穿入牵引线，并使该牵引线的起端和终端分别延伸出中空筋的两端；通过外力使弹性组件中相对靠近光纤第一端的一圈弹性筋产生塑性变形，并朝向光纤的第一端倾斜至预设角度，以满足该弹性筋的末端顶撑至该中空筋的内壁；通过外力使弹性组件中相对靠近光纤第二端的一圈弹性筋产生塑性变形，并朝向光纤第二端倾斜至贴设于套筒外周；

将该牵引线的终端与光纤的第二端连接，然后正向牵引该牵引线，使牵引线带动光纤穿入中空筋，直至该光纤的第一端伸出该中空筋；拆除牵引线，通过外部温度激励的方式使贴于该套筒外周的一圈该弹性筋展开，直至顶撑至该中空筋内壁。

本发明的含有传感单元的智能索进一步改进在于，还包括拆除拉索本体的步骤：通过外部温度激励的方式使该弹性组件中相对靠近光纤第一端的一圈弹性筋的塑性变形消除，并朝向光纤第一端倾斜至贴设于该套筒外周，然后再反向拉出光纤。

本发明的含有传感单元的智能索进一步改进在于，该传感单元的数量为多个，多个该传感单元间隔布设于该光纤上，位于该光纤上的每个该传感单元的相对外侧均固设有限位装置；在通过外力或外部温度激励的方式使弹性筋产生塑性变形或消除塑性变形时，对所有该限位装置中对应圈弹性筋施加该外力或该外部温度激励。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明通过金属丝采用记忆金属材料可通过外部激励而改变形态的特性，解决了现有技术中内嵌光纤光栅传感器FBG传感器光纤的智能筋中的传感单元无法更换的技术问题。本发明可保证智能索内的传感单元的存活率，即使传感单元后期损坏，也可轻易更换；通过限位装置实现了传感单元在局部与索体变形协调，从而保证监测精度。此外，也可确保后装传感单元定位准确，提高智能索加工生产效率，降低施工难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的含有传感单元的智能索的纵向剖视图。

图2为本发明的含有传感单元的智能索的限位装置与光纤未安装时的纵剖视图。

图3为本发明的含有传感单元的智能索的限位装置未初始状态的纵剖视图。

图4为本发明的含有传感单元的智能索的限位装置在被施加了外力后的纵剖视图。

图5为本发明的含有传感单元的智能索的第一组金属丝从初始状态转为施加外力后状态的放大图。

图6为本发明的含有传感单元的智能索的第二组金属丝从初始状态转为施加外力后状态的放大图。

图7为图4中C-C线断面图。

图8为本发明的含有传感单元的智能索的光纤安装时剖视图。

图9为本发明的含有传感单元的智能索的光纤拆出时剖视图。

图中：1中空筋；2传感单元；3限位装置；301套筒；302绝缘隔热带；303靠近光纤第一端的一圈弹性筋；304靠近光纤第二端的一圈弹性筋；4光纤；5粘结剂；6熔接点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3所示，本发明提供了含有传感单元2的智能索，包括拉索本体，拉索本体内设有一束拉索筋，且位于中心的该拉索筋为中空筋1，还包括可拆卸地穿设于该中空筋1的光纤4，该光纤4上连接有传感单元2、以及用于防止该传感单元2在该中空筋1中定位偏差的限位装置3，该限位装置3包括套接于该光纤4的套筒301、固定于该套筒301的绝缘隔热带302、以及固定于该套筒301上并用于弹性抵顶于该中空筋1的内壁的弹性组件，该弹性组件包括分别位于该绝缘隔热带302相对两侧的两圈弹性筋，每圈该弹性筋呈发散状固定于该套筒301外周，该弹性筋由记忆材料制成。

该拉索本体由普通FRP筋和智能筋组成，其中智能筋在安装传感光纤4前为中空FRP筋，本发明中的智能索结构也可应用至智能筋。平行钢丝拉索、FRP筋索制索时会对索体进行一定角度扭转，中心筋不受扭转影响，与索体轴线一致，因此将中心筋替换为中空FRP筋(后装传感单元2)，监测效果最好。本实施例中，弹性筋中均包括有多层弹性筋，从而增大与中空筋1内壁的摩擦力，且该弹性筋为形状记忆合金材料制成。

光纤4包括固定有传感单元2(FBG)的光栅段光纤和未安装传感单元2的非光栅段。限位装置3套接设置于光栅段光纤与非光栅段光纤的熔接处，通过粘结剂5与光纤4可靠粘结。如图8所示，套筒301粘结设置于非光栅段光纤与光栅段光纤的熔接点6位置，对熔接点6起到加强作用。限位装置3可通过外部温度激励改变形态，使其在安装、使用和拆卸三个阶段具有不同形态。实现形态切换，从而实现光纤4的顺利安装、使用和拆卸。

优选的，该传感单元2的数量为多个，多个该传感单元2间隔布设于该光纤4上，位于该光纤4上的每个该传感单元2的相对外侧均固设有限位装置3。智能筋由中空筋1与光纤4(即可拆卸嵌入式光纤4传感器)组成。光纤4位于中空筋1中心位置，且光栅两端分别有一个限位装置3顶撑于中空筋1内壁，实现对传感单元的限位。光纤4在拉索安装完成后进行安装可保证智能索/筋中传感单元2的存活率；传感光纤4可更换，即使传感单元2后期损坏，也可轻易更换；传感单元2定位于中空筋1中心，可确保后装传感单元2定位准确；传感单元2的两端通过限位装置3与中空筋1内壁双向锁紧，多个限位装置3的设置，可实现传感单元2在局部与索体变形协调，从而保证监测精度。

另一方面，如图3～图8所示，本发明还提供了一种采用如上所述的含有传感单元的智能索的安拆方法，包括如下步骤：安装拉索本体；于中空筋1内部穿入牵引线，并使该牵引线的起端和终端分别延伸出中空筋1的两端；如图8所示，通过外力使弹性组件中相对靠近光纤第一端的一圈弹性筋303产生塑性变形，并朝向光纤4的第一端倾斜至预设角度，以满足该弹性筋的末端顶撑至该中空筋1的内壁；通过外力使弹性组件中相对靠近光纤第二端的一圈弹性筋304产生塑性变形，并朝向光纤4第二端倾斜至贴设于套筒301外周；将该牵引线的终端与光纤4的第二端连接，然后正向牵引该牵引线，使牵引线带动光纤4穿入中空筋1，直至该光纤4的第一端伸出该中空筋1；拆除牵引线，通过外部温度激励的方式使贴于该套筒301外周的一圈该弹性筋展开，直至顶撑至该中空筋1内壁。

优选的，如图9所示，还包括拆除拉索本体的步骤：通过外部温度激励的方式使该弹性组件中相对靠近光纤第一端的一圈弹性筋303的塑性变形消除，并朝向光纤第一端倾斜至贴设于该套筒301外周，然后再反向拉出光纤4。

优选的，该传感单元2的数量为多个，多个该传感单元2间隔布设于该光纤4上，位于该光纤4上的每个该传感单元2的相对外侧均固设有限位装置3；在通过外力或外部温度激励的方式使弹性筋产生塑性变形或消除塑性变形时，对所有该限位装置3中对应圈弹性筋施加该外力或该外部温度激励。

外部温度激励可以是通过电加热引入的热激励，通过提前预制导线，需要时通过电加热引入热激励。

弹性筋由形状记忆合金制成，如图3所示，在两组金属丝未变形状态下，靠近光纤第二端的一圈弹性筋304与套筒301夹角轴线α2，α2宜为55°～75°，且朝向第二端A；未变形状态下靠近光纤第一端的一圈弹性筋303紧贴套筒301，且朝向第一端B。

限位装置3安装前，如图4所示，通过外力使靠近光纤第一端的一圈弹性筋303产生塑性变形，使靠近光纤第一端的一圈弹性筋303与套筒301轴线夹角α1，α1宜为55°～75°，且朝向第一端B；同时通过外力使靠近光纤第二端的一圈弹性筋304产生塑性变形，紧贴套筒301且朝向第二端A。

当对靠近光纤第二端的一圈弹性筋304施加外部温度激励(热激励)后，靠近光纤第二端的一圈弹性筋304塑性变形消除，与套筒301轴线的夹角恢复α2，如图1所示。

当进一步对靠近光纤第一端的一圈弹性筋303施加外部温度激励(热激励)后，靠近光纤第一端的一圈弹性筋303塑性变形消除，与套筒301贴合，限位装置3的形态与未变形状态下一致如图9所示。

套筒301中间的绝缘隔热带302可保证可变光纤4限位装置3两端的套筒301在短时间内的温度不相互影响，进而保证对一侧的弹性筋的单独热激励。绝缘隔热带302两侧的弹性筋朝向相反，完成安装后可实现双向锁紧，从而实现传感单元2在局部与索体变形协调，保证监测精度。根据索长及监测方案确定传感单元2(光栅)规格、数量，以及无光栅段光纤4尺寸。将光纤4限位装置3在非光栅段光纤4与光栅熔接前套入光纤4，然后熔接传感单元2与无光栅段光纤，将若干传感单元2串联。待熔接完成后，将限位装置3在熔接处通过粘结剂5与光纤4粘结固定。多个限位装置3的绝缘隔热带302两侧的弹性筋的朝向一致。本发明中在光纤4的安装和拆卸的过程中均使远离抽拉端一侧的弹性筋保持预设角度，从而使得在安装和拆卸的过程中避免传感单元2接触中空筋1内壁，进而避免传感单元2以及光纤4与中空筋1内壁摩擦而损坏，保证传感单元2和光纤4的完整性，进一步避免了光纤4与中空筋1内壁摩擦而断裂的情况，保证完全地取出光纤4。

本发明通过金属丝采用记忆金属材料可通过外部激励而改变形态的特性，解决了现有技术中内嵌FBG传感器光纤的智能筋中的传感单元无法更换的技术问题。本发明可保证智能索内的传感单元的存活率，即使传感单元后期损坏，也可轻易更换；通过限位装置实现了传感单元在局部与索体变形协调，从而保证监测精度。此外，也可确保后装传感单元定位准确，提高智能索加工生产效率，降低施工难度。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。