一种基于区间式长效测力技术的拉索体系及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种拉索体系及其监测方法，尤其涉及一种基于区间式长效测力技术的拉索体系及其监测方法，属于桥梁及建设工程技术领域。

背景技术

随着国家经济实力的不断增强，国家在基础建设方面也加大了投资力度，各种桥梁、建筑的建设也越来越多。在大跨度的桥梁建设中，通常为悬索桥及斜拉桥，此结构中的主缆、吊杆、拉索是桥梁的生命线。然而，桥梁在建造和使用的过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀、车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分就产生不同程度的疲劳和损伤。这些损伤如果不能及时得到检测和维修，轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则造成严重的安全事故。大型建筑结构也同样普遍使用预应力体系作为结构的主要受力件。因此，桥梁及建筑结构的监测系统是安全保障的重要措施。

拉索索力监测是结构安全监测系统重要组成部分，目前市场上针对拉索索力的施工监控和长期监测的测量技术主要有：油压法测量技术、压力环传感器测量技术、磁通量传感器测量技术、光纤光栅测量技术。其中，油压测量法测拉索索力的原理是：在拉索锚具与结构之间设液压穿心千斤顶，当拉索受力时，读取油压表数值，并结合千斤顶活塞面积计算出拉索受力。该方式通常作为拉索施工张拉用，不适合作索力长期监控。磁通量测量拉索的原理是：在拉索或拉索中的钢丝上设线圈并上加电流，当拉索受力时，拉索(钢丝)伸长，线圈中的磁通量发生改变，测量出线圈内磁通变化量，与拉索受力成比例变化，标定出拉索受力与磁通量变化的关系，当磁通量变化时，即可知晓某时拉索的受力变化。测量精度极易受到周围磁场及环境温度影响；拉索、线圈反复充磁后，磁滞严重，影响测量精度；测量采集频率极低；难以更换。

光纤光栅测拉索的工作原理是：将光栅用胶粘剂粘接在一定形状的钢结构上，并以环状结构安装在拉索锚具与垫板之间，或者直接将光栅用胶粘剂粘接在受力筋上，当拉索受力时，光栅受压或受拉变形，其波长发生变化，标定出光栅波长变化与拉索受力之间的关系。当波长变化时，即可反向计算出拉索受力情况。光纤光栅传感精度虽高，但存在一些问题如光纤比较细极易断；传感器制作过程使用的胶粘剂存在老化和徐变，易脱落；光纤材料在交变应力下易疲劳。在使用光纤光栅压力环传感器测拉索索力过程中，一旦出现问题，难以更换。

应变式测力拉索的工作原理：用胶粘剂将应变片粘贴在钢丝或拉索受力结构中，当拉索受力时应变计生产应变，标定拉索受力与应变计的变形量，即可计算出拉索受力大小，同样也受胶粘剂、疲劳及基体材料伸长变化率与应变片伸长变化不一致等问题影响，目前在拉索索力监测使用上，也做成应变式压力环传感器形式，一旦出现问题，难以更换。

以上的测量方法均有缺点和局限性，如耐久性不足、后期运营难以更换、受温度及电磁干扰，精度不高，可靠性不好等，很难满足桥梁长期监测的要求。因此，如何提供一种结构原理简单、可靠性好、耐久性好、稳定性强、抗电磁干扰、测量精度高及运营期间传感设备可更换的测力拉索，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有的拉索索力监测装置耐久性不好，后期运营难以更换，同时可靠性和稳定性不佳，索力监测精度不高的缺陷和不足，本发明专利提供一种结构合理，安装和更换都很方便，可靠性和稳定性得到了提升，并且对索力的监测精度得到了提高，使用寿命长的一种基于区间式长效测力技术的拉索体系。

本发明的第二个目的是针对现有拉索索力监测方法稳定性和可靠性不佳，索力监测精度不高的缺陷和不足，提供一种灵敏度高，抗干扰性强，稳定性和可靠性好，索力的监测精度得到了提高的一种基于区间式长效测力技术的拉索体系监测方法。

为实现上述第一个发明目的，本发明的技术解决方案是：一种基于区间式长效测力技术的拉索体系，包括索体和锚具，索体一端的拉索预应力筋通过锚具进行锚固，其特征在于：所述锚具的外端设置传感器固定架，传感器固定架上通过传感器固定件安装有长度变量传感器，长度变量传感器通过有线或无线方式与采集解析装置相连接，所述索体上任意点与锚具之间的区域或索体的中部某一区域为测力区间，测力区间内设置有与拉索预应力筋相平行或呈一定斜角的区间随动单元，区间随动单元的一端以接触式与长度变量传感器连接固定或者区间随动单元的一端以非接触式方式与长度变量传感器进行对应设置感应板，区间随动单元的另一端通过固结点、反射板或短筋与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋连接固定。

进一步的，所述传感器固定架上通过传感器固定件安装有接触式传感器，接触式传感器通过过渡连接头与区间随动单元的一端连接固定。

进一步的，所述传感器固定架上通过传感器固定件安装有非接触式传感器，非接触式传感器的端部感应部位与区间随动单元的一端对应设置。

进一步的，所述区间随动单元正对着非接触式传感器的一端安装有感应板，感应板与非接触式传感器对应设置，区间随动单元的表面套有护管。

进一步的，所述索体上在测力区间范围设置有正对着非接触式传感器的通过管，通过管在远离非接触式传感器的一端设置有反射板或短筋与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋连接固定。

进一步的，所述测力区间的外围设置有保护罩，索体的表面设置有PE保护层。

为实现上述第二个发明目的，本发明的技术解决方案是：一种基于区间式长效测力技术的拉索体系监测方法，其特征在于包括以下步骤：

a、首先在拉索张拉前将千斤顶液压系统安装油压传感器并与区间长度变量监测装置的位移传感器一同连接到采集解析装置上，采集解析装置可将油压转换成索力值，即索力值＝千斤顶活塞面积

b、随后根据张拉制度进行拉索张拉，此时通过采集解析装置可同步采集油压传感器与长度变量传感器的信号数据，并显示力与位移的关系曲线；

c、暂停张拉，此时获得力值为F1，并已经确定是处于线性段上的任意一点；

d、然后利用采集解析装置的分析功能进行数据处理，具体是通过在采集面板上选定某一时间点为剔除点，自动剔除掉剔除点之前的所有非线性的数据，并通过最小二乘法自动拟合该线性段的回归方程y＝kx+b，同时生成决定系数R

e、再通过采集面板上手动输入标定方程F＝kx0+F1，并进行位移清零；

f、最后张拉完成后拆除千斤顶及油压传感器，保留长度变量传感器，再通过采集解析装置的标定方程可直接获得索力值，实现对索力的后续监测。

进一步的，所述d步骤中线性段拟合回归方程求k斜率值公式如下：

进一步的，所述d步骤中决定系数r

其中：

本发明的有益效果是：

1.本发明采用了区间长度变量监测技术，能够方便的将长度变量监测装置设置在拉索预应力筋的任意位置，监测拉索任意区间段预应力筋受力时的长度变量，通过计算和换算得到索力值，进而实现了对索体整体受力的监测。

2.本发明结构合理，安装和更换都很方便，可靠性和稳定性得到了提高，抗干扰性强，并且对索力的监测精度得到了提高，使用寿命长，适用于新索桥及旧索桥的长期索力监测。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的结构示意图。

图2是图1的局部结构示意图。

图3是本发明第二种实施方式的结构示意图。

图4是本发明第二种实施方式中拉索预应力筋的断面结构示意图。

图5是本发明第二种实施方式中的局部结构示意图。

图6是本发明第二种实施方式中区间随动单元的断面结构示意图。

图7是本发明第三种实施方式的结构示意图。

图8是本发明第三种实施方式中拉索预应力筋的断面结构示意图。

图9是本发明第三种实施方式中通过管的结构示意图。

图10是本发明第四种实施方式的结构示意图。

图11是本发明第四种实施方式中拉索预应力筋的断面结构示意图。

图12是本发明第四种实施方式中区间随动单元的断面结构示意图。

图13是本发明第五种实施方式的结构示意图。

图14是本发明的测力方法原理图。

图15是本发明数据处理过程图。

图16是本发明数据拟合曲线图。

图17是本发明数据曲线图。

图中：索体1，拉索预应力筋2，锚具3，传感器固定架4，反射板5，传感器固定件6，感应板7，接触式传感器8，非接触式传感器9，区间随动单元10，护管11，过渡连接头12，固结点13，通过管14，短筋15，采集解析装置16，保护罩17，PE保护层18。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1至图16，本发明的一种基于区间式长效测力技术的拉索体系，包括索体1和锚具3，索体1一端的拉索预应力筋2通过锚具3进行锚固，其特征在于：所述锚具3的外端设置传感器固定架4，传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有长度变量传感器，长度变量传感器通过有线或无线方式与采集解析装置16相连接；所述索体1上任意点与锚具3之间的区域或索体1的中部某一区域为测力区间，测力区间内设置有与拉索预应力筋2相平行或呈一定斜角的区间随动单元10，区间随动单元10的一端以接触式与长度变量传感器连接固定或者区间随动单元10的一端以非接触式方式与长度变量传感器进行对应设置感应板7，区间随动单元10的另一端通过固结点13、反射板5或短筋15与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋2连接固定。

所述传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有接触式传感器8，接触式传感器8通过过渡连接头12与区间随动单元10的一端连接固定。

所述传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有非接触式传感器9，非接触式传感器9的端部感应部位与区间随动单元10的一端对应设置。

所述区间随动单元10正对着非接触式传感器9的一端安装有感应板7，感应板7与非接触式传感器9对应设置，区间随动单元10的表面套有护管11。

所述索体1上在测力区间范围设置有正对着非接触式传感器9的通过管14，通过管14在远离非接触式传感器9的一端设置有反射板5或短筋15与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋2连接固定。

所述测力区间的外围设置有保护罩17，索体1的表面设置有PE保护层18。

一种基于区间式长效测力技术的拉索体系监测方法，其特征在于包括以下步骤：

a、首先在拉索张拉前将千斤顶液压系统安装油压传感器并与区间长度变量监测装置的位移传感器一同连接到采集解析装置16上，采集解析装置16可将油压转换成索力值，即索力值＝千斤顶活塞面积

b、随后根据张拉制度进行拉索张拉，此时通过采集解析装置16可同步采集油压传感器与长度变量传感器的信号数据，并显示力与位移的关系曲线；

c、暂停张拉，此时获得力值为F1，并已经确定是处于线性段上的任意一点；

d、然后利用采集解析装置16的分析功能进行数据处理，具体是通过在采集面板上选定某一时间点为剔除点，自动剔除掉剔除点之前的所有非线性的数据，并通过最小二乘法自动拟合该线性段的回归方程y＝kx+b，同时生成决定系数R

e、再通过采集面板上手动输入标定方程F＝kx0+F1，并进行位移清零；

f、最后张拉完成后拆除千斤顶及油压传感器，保留区间长度变量传感器，再通过采集解析装置16的标定方程可直接获得索力值，实现对索力的后续监测。

所述d步骤中线性段拟合回归方程求k斜率值公式如下：

所述d步骤中决定系数r

其中：

参见说明书附图，本发明与传统的油压法测量技术、压力环传感器测量技术、磁通量传感器测量技术、光纤光栅测量技术不同，采用的是区间长度变量监测技术，能够方便的将长度变量监测装置设置在拉索预应力筋2的任意位置，监测拉索任意区间段预应力筋受力时的长度变量，通过计算和换算得到索力值，进而实现对索体整体受力的监测。

其基本原理如下：利用拉索在施工张拉及运营时拉索预应力筋处于理想线性弹性范围，满足胡克定律△F＝k·Δx，可建立区间长度变量与索力线性关系，因而通过Δx(区间长度变量)即可算出△F(索力值)。具体监测方法为在拉索张拉时通过区间长度变量传感器监测拉索区间长度变量，采集解析装置采集并记录拉索张拉时索力与区间长度变量数据，同时对数据进行自动处理，解析剔除掉索力与长度变量的非线性段(成盘及垂度原因使得张拉初期存在小范围非线性段)，拟合得到新的索力与长度变量线性方程：F＝k·Δx+F1。式中F1为理想线性段上的任意点的索力值；k为理想线性段力与长度变量曲线的斜率；Δx以F1为起始点长度变量。从而通过方程中长度变量换算得到索力值，也即监测索体的整体受力。

同时通过长度变量传感器进行长度变量的监测，具体结构如下：索体1一端的拉索预应力筋2通过锚具3进行锚固，锚具3的外端设置有传感器固定架4，传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有长度变量传感器，长度变量传感器采用接触式传感器8或非接触式传感器9。长度变量传感器用于感知位移信号大小，并经过采集解析装置采集、转化、分析、存储并传输到终端监控中心。拉索预应力筋2可以为预应力钢丝、预应力钢绞线、预应力钢棒或非金属预应力筋等，非金属预应力筋如碳纤维筋。索体1外端与锚具3之间的区域为测力区间或索体1的中部某一区域为测力区间，测力区间内设置有与拉索预应力筋2相平行的区间随动单元10，也可以将区间随动单元10与拉索预应力筋2呈一定斜角布置，斜角小于90度，区间随动单元10为能够传力的金属、非金属或其它传递拉力的结构，区间随动单元10可以在一根拉索上设置1根或多根,1处或多处。测力区间的外围设置有保护罩17，能够对区间随动单元10、传感器以及其它部件进行防水、防尘保护。

长度变量传感器与区间随动单元10的安装配合方式有多种，主要包括以下几种实施方式：

实施例1：传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有接触式传感器8，接触式传感器8通过过渡连接头12与区间随动单元10的一端连接固定，区间随动单元10的表面套有护管11。

实施例2：传感器固定架4上设置有非接触式传感器9，区间随动单元10正对着非接触式传感器9的一端安装有感应板7，非接触式传感器9的端部感应部位与区间随动单元10的一端对应设置，区间随动单元10的表面套有护管11。

实施例3：传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有长度变量传感器，索体1上在测力区间范围设置有正对着非接触式传感器9的通过管14，通过管14在远离非接触式传感器9的一端设置有反射板5与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋2连接固定。

实施例4：传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有长度变量传感器，区间随动单元10的一端通过短筋15与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋2连接固定，区间随动单元10的表面套有护管11。

实施例5：传感器固定架4上通过传感器固定件6安装有长度变量传感器，区间随动单元10的一端通过固结点13与测力区间内的一根或多根拉索预应力筋2连接固定，区间随动单元10的表面套有护管11。

接触式传感器8或非接触式传感器9通过有线或无线方式与采集解析装置16相连接，采集解析装置16通过采集索力值与区间长度变量值，自动解析索力值与长度变量值曲线的非线性段与线性段，剔除掉索力与区间长度变量的非线性段，并自动拟合出最优的线性方程并将拟合度及曲线斜率输出、显示、存储。在预应力拉索索受力超过预设的阈值，则报警提示。再通过传输系统传输到监控中心并存储数据，在监测终端可实时监控拉索健康状况。监测终端通常是办公电脑、手机或其它能够对桥梁或结构进行健康监测的终端系统。

本发明基于区间式长效测力技术的拉索体系监测方法如下：首先在拉索张拉前将千斤顶液压系统安装油压传感器并与区间长度变量监测装置的位移传感器一同连接到采集解析装置16上，采集解析装置16可将油压转换成索力值，即索力值＝千斤顶活塞面积

当拉索的一端固定，即固定端固定，另一端张拉端施加拉力的时候，拉力与变形量呈线性。用线性公式表达力与位移关系：F＝k*△X，其中k是与区段长度有关的系数常数，△X是区段长度在F力作用下的伸长量(区间变量)。

本拉索体系监测方法中，线性段拟合回归方程求k斜率值公式如下：

决定系数r

其中：

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通过以上数据组，把x数据放在横坐标，把y数据放在纵坐标，作出如图13所示的曲线图，直观呈现良好的线性。

当一根拉索分为n个区段n1、n2、。。。n，n1、n2各区段的长度可以不等也可以相等。在张拉端受F拉力作用下，各区段n1、n2。。。n对应的变形量X1、X2。。。Xn，对应的系数常数为k1、k2、、、、kn，就有如下关系：F＝k1*X1＝k2*X2＝。。。。。。＝kn*Xn＝k

本申请可用于悬索桥主缆及吊杆、斜拉桥拉索、拱桥吊杆索、连续梁桥体外索、梁桥体内预应力筋、锚索(如边坡锚索、环形锚索)以及其他领域预应力拉索的健康监控，适用于新索桥及旧索桥的长期索力监测。能长效测力，耐久性和稳定性好，可靠性高，不需做温度补偿，同时还能抗电磁干扰，运营中传感器装置可更换。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所做出的简单修改和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。