一种基于表面应变的拉索索力测量方法及装置

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，更具体地说，涉及一种基于表面应变的拉索索力测量技术，包括一种可快速安装、准确测量的接触式无损伤索力测量设备与有效计算实测索力值的测量方法。

背景技术

索是国家重大公共建筑重要的受力构件之一，广泛应用于空间结构、桥梁结构等大跨度建筑结构中。实时监测拉索受力情况对于保障建筑结构在全生命周期的正常工作，防止灾害发生，实施结构维护，都有着十分迫切的需求。

目前，常用的拉索索力测量主要有5种方法，即压力表法、测力环法、振动法、磁通量法以及夹具法。压力表法直接读取预应力施工的油压值，然后利用标定公式换算索力，常用于施工过程中的索力测量；测力环法是在索锚固端布设测力环，测量锚头和锚垫板间的反作用力得到索力，需占用索的锚固端空间且预先安装；振动法基于索体自振频率与索力的关系，推导理论公式计算索力，对于边界条件不明的短索和安装阻尼器等情况，理论公式推导存在一定困难；磁通量法通过标定试验获得了磁化拉索产生的感应电动势与索力的关系，然后实现索力测试，需现场标定，工序较为复杂；夹具法是一种简单易行的索力测量的方法，利用夹具将单个位移传感器附着于被测索段表面，测量钢索应变而计算索力，但已有的测量手段有一定不足之处：

(1)仅在拉索单侧设置传感器：对于质地不均匀或可能存在局部受弯的拉索，单个传感器会引入局部受力不均匀的现象，而产生无法忽略的测量干扰；

(2)钢索夹具与钢索间接触面处理简单：无法同时兼顾夹持牢固性与对拉索局部表面的保护，并且索体变形至传感器的传力路径较为复杂，无法准确的定位被测区间的长度，易产生测量误差；

(3)采用位移传感器进行应变测量：传感器灵敏度低，无法测量索力的灵敏度要求。

(4)计算公式定义不明确：理论上，索力由索整体应变结合索的几何物理参数计算得到，而实测为索体表面应变，二者并不等价，因表面应变代替整体应变而造成计算误差。

从上述现有技术中的问题可以看出，夹具式索力测量方法应从以下两个方面进行完善，其一，传感器夹具需兼顾夹持牢固度和无损伤装卸，提升实测数据的工程价值和可靠度，实现被测区域的精确控制；其二，考虑拉索各层钢丝变形与索整体变形关系等影响因素，提出索力计算系数的确定方法以实现索力值的准确计算。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有常用测量技术应用于拉索索力测量时的不足，提供一种基于表面应变的拉索索力测量方法及装置，将传感器无损安装方式和索力测量方法相结合，建立起一套完整的拉索索力测量方法。本方法采用带温度自补偿的振弦式应变测试技术，技术成熟且应用广泛，其结果稳定可靠；设计了接触式无损伤的刚性夹具，用以连接既有拉索，并固定传感器；通过拉索与夹具、夹具与振弦传感器之间的协同变形，获取因拉索受力变化而产生的拉索表面应变变化。结合理论分析推导了实测的索体钢丝表面应变与索体整体应变的关系，提出了索力计算系数K

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于表面应变的拉索索力测量方法，具体步骤如下：

(1)获取温度自补偿的振弦应变传感器的初始温度、初始频率、实测频率和实测温度，计算拉索经温度补偿修正后的应变值，得到拉索表面应变；计算公式如下：

ε＝K(f

式中，ε为经温度补偿修正后的应变值，K为温度自补偿的振弦应变传感器计算系数，f

(2)通过步骤(1)获得的拉索表面应变，基于拉索几何参数与力学性能计算出拉索索力，实现拉索索力测量；具体公式如下：

T＝K

式中，T为计算所得拉索索力值，n为拉索钢丝层数，K

本发明提供的一种基于表面应变的拉索索力测量装置，该装置由温度自补偿的振弦应变传感器和刚性夹具组成；

所述刚性夹具由两组共四片半圆形的刚性半箍组成，其设计尺寸与被测拉索的表面直径相匹配，并且每片刚性半箍上设置开孔用于与同组的刚性半箍通过螺栓进行连接，在其内表面设置有凸起用以实现刚性夹具与被测索体的紧密连接，同时每片刚性半箍上还包括1个传感器固定压块，用以连接温度自补偿的振弦应变传感器，将固定测量标距上的拉索表面轴向变形准确的传递到温度自补偿的振弦应变传感器上。

所述温度自补偿的振弦应变传感器的两端安装于对称的两组刚性夹具之间，传感器固定压块内径与温度自补偿的振弦应变传感器外径相同，通过锁紧螺栓固定传感器。在拉索上下表面分别设置两支温度自补偿的振弦应变传感器，通过均值处理来消除拉索弯曲刚度与局部受力不均匀所引起的测量干扰。

进一步地，所述凸起为环状构造，表面为曲面，曲率与拉索外表面曲率相同；所述凸起的高度为2.0～3.0mm，宽度沿高度方向变化从1.0mm到3.0mm，其高度加上拉索外径等于刚性夹具内径。

本发明的有益效果是：接触式无损伤的拉索刚性夹具安装传感器兼顾夹持牢固性与对拉索局部表面的保护措施，同时也提高了设备安装效率；在夹具设计中引入凸起构造强化索、夹具、传感器间的协同变形，实现被测区域的精确控制，确保了测量的准确性；通过既有拉索上应变数据的均值处理，消除拉索弯曲刚度与局部受力不均匀所引起的测量干扰；测量方法考虑了索体表面应变与索体整体应变之间的关系，提出了确定相关系数的计算方法，本发明真正实现了快速无损安装、实时测量、测试可靠性高、环境适应性强，拉索索力计算方法公式明确、过程简洁。

附图说明

图1是本发明所提供拉索索力测量装置与方法的实施概念图；

图2是本发明所提供的传感器安装夹具结构示意图；

图3是本发明所提供的传感器安装夹具立面示意图；

图4是本发明所提供的传感器安装夹具凸起构造示意图；

图5是本发明所提供的拉索与内部螺旋钢丝的关系示意图；其中(a)为几何关系示意图，(b)为拉索钢丝编号示意图；

图6是本发明索提供的索力测量方法流程图；

图中，1.温度自补偿的振弦应变传感器；2.刚性夹具；3.测量系统；4.刚性半箍；5.螺栓；6.传感器固定压块；7.凸起；8.安装定位器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明在振弦应变传感器的基础上，设计了一种应用于拉索的接触式无损传感器安装夹具，实现了设备快速安装且有效准确测量拉索索力的目的。如图1所示，利用拉索与夹具、夹具与传感器之间的变形协同，可测得由于拉索受力变化而产生的表面应变变化，通过考虑详细的计算系数，进一步分析计算得到拉索的索力。通过该发明所获得的索力测量方法，能够有效的指导索结构张拉施工过程控制，同时也能在结构服役期间对于索的疲劳损伤进行实施把控，进一步判断索体是否存在安全隐患问题。

以下对本发明的具体实现过程进行详细描述。

本发明提供的测量设备是一种可在拉索上快速安装拆卸的接触式无损伤的拉索刚性夹具，可实现拉索与夹具，夹具与传感器之间的协同变形。接触式无损伤的拉索刚性夹具由2组共4片半圆形高强度金属抱箍组成，并且每片刚性半箍上设置开孔用于与同组的刚性半箍通过高强螺栓进行连接，在其内表面设置有凸起用以实现刚性夹具与被测索体的紧密连接，同时每片刚性半箍上还包括传感器固定压块，以便固定测量标距上的拉索表面轴向变形准确的传递到应变传感器上；温度自补偿的振弦应变传感器的两端安装于对称的两个金属抱箍中，通过锁紧高强螺栓固定传感器。在既有拉索上设置2支应变传感器，通过均值处理来消除拉索弯曲刚度与局部受力不均匀所引起的测量干扰。具体如下：

1、传感器的刚性夹具2的设计制作与安装

1)确定传感器的刚性夹具2设计制作

根据工程既有拉索的尺寸与布设测点的数量，需要确定刚性夹具2的直径大小与数量。如图2、3所示，每一套传感器夹具由2组共4片半圆形高强度金属环箍组成，两个刚性半箍4通过螺栓5进行连接，螺栓5采用高强螺栓。而每个刚性半箍4上设置有传感器固定压块6，保证温度自补偿的振弦应变传感器1与刚性夹具2的紧密连接。上下对称的两个刚性半箍4保证有2个温度自补偿的振弦应变传感器1安装于既有拉索上，能够考虑由于索体局部弯曲引起的附加弯矩对于索力测量的影响。如图4所示，在刚性夹具2内侧设置环状构造的凸起7，其表面曲率与既有拉索的外表面曲率相同，可以确保传感器于刚性夹具2之间的紧密接触，同时凸起7的顶端的宽度为1mm，保证了被测间距的准确控制，所述凸起7的高度为2.0～3.0mm，宽度沿高度方向变化从1.0mm到3.0mm，其高度加上拉索外径等于刚性夹具2内径。通过这种方式保证了传感器、刚性夹具2与既有拉索之间准确的协同变形。

2)确定传感器安装夹具的安装

通过两个螺栓5，先将一对刚性夹具2安装固定于既有拉索上，利用安装定位器8(规格与温度自补偿的振弦应变传感器1相同)，再对称安装一对刚性半箍4。

2、拉索索力的测量方法

本发明提供的测量方法是一种考虑拉索各层钢丝变形与索整体变形关系的测量方法，可实现拉索索力值的准确计算。考虑拉索的钢丝层数(由拉索生产厂家提供)、钢丝螺旋线的螺旋角、钢材的泊松比以及弹性模量等参数，提出索力计算系数的递推计算公式，进一步得到了拉索索力值的计算公式，实现实测的拉索表面应变到拉索索力值的换算。具体为：

根据温度自补偿的振弦应变传感器1的生产标定公式换算得到拉索表面应变，计算公式(a)如下：

ε＝K(f

式中，ε为经温度补偿修正后的应变值，及拉索表面应变；K为传感器计算系数；f

本发明所实测的参数为拉索的表面最外层钢丝的应变值，在此基础上，进一步结合拉索几何参数推导表面最外层钢丝应变与整体应变之间的计算系数，推导过程如下：

推导过程种使用了以下计算假定：

1)索内部钢丝在受轴向力的过程中相对位置保持不变；

2)不同层的钢丝螺旋角α角度相同；

以拉索内部钢丝的几何空间关系为基础，考虑仅含索芯和最外层钢丝的双层索模型(如图5中的(a)所示)，可以推导得到表面最外层钢丝应变与整体应变的计算式(b)：

式中，ε

式(b)将外层钢丝的应变和索整体应变通过螺旋角和半径的收缩率联系到了一起，进一步将双层索模型推广到n层索模型(如图5中的(b)所示)，最外层钢丝的回转半径r

式中，R

考虑泊松比后，推导第n层索的半径收缩率

式中，ε

将式(b)代入到上式(d)，得到新的关系式(e)：

取n＝1，可得：

取

式中，K

因此，索力计算可表示为式(h)：

T＝K

式中，T为索力值；E为弹性模量；A为拉索截面面积。

3、数据的采集与传输

本发明还包括测量系统3，所述测量系统3可自动执行数据采集、传输任务，将频率值直接计算为索力值，并绘制索力变化曲线输出显示。此外，采用无线通讯网络，进行远距离的数据处理与传输，可自动定期对监测数据进行备份，保证数据的安全性。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。