基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法
【專利摘要】一種基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法，該方法通過在錨杯內(nèi)植入分布式光纖應(yīng)變傳感器獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過應(yīng)變數(shù)據(jù)得到初始應(yīng)力衰變函數(shù)，在后續(xù)過程中，通過應(yīng)變數(shù)據(jù)實時得到當(dāng)前應(yīng)力衰變函數(shù)，根據(jù)初始應(yīng)力衰變函數(shù)和當(dāng)前應(yīng)力衰變函數(shù)計算出錨頭健康度的量化指標，從而實現(xiàn)錨頭性能的實時監(jiān)測；本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：提出了一種基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法，該方法可以實現(xiàn)錨頭病害的及時發(fā)現(xiàn)以及連續(xù)監(jiān)測。
【專利說明】
基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種錨頭性能監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種基于光纖分布式測量的斜拉索 錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 斜拉索作為斜拉橋的主要承重結(jié)構(gòu)，具有承力大、質(zhì)量輕、尺寸緊湊、柔性好、使用 方便等優(yōu)點；錨頭是纜索與大跨度結(jié)構(gòu)的受力連接點，是斜拉索結(jié)構(gòu)上最為復(fù)雜的承力結(jié) 構(gòu)；雖然斜拉索錨頭結(jié)構(gòu)及其制作工藝均考慮了耐久性要求，但其仍不可避免地會出現(xiàn)性 能衰退，根據(jù)調(diào)研與分析，錨頭性能衰退主要呈以下三種情況:①錨頭結(jié)構(gòu)中，纜索索身護 套破損或錨頭防護體系破損，水、汽進入錨頭，導(dǎo)致鋼絲銹蝕，使得鋼絲與環(huán)氧砂漿填料的 粘接錨固效果發(fā)生改變，引起性能衰退;②作為錨固填充料的環(huán)氧砂漿填料，在長期靜荷 載、動荷載及熱沖擊循環(huán)作用下，環(huán)氧砂衆(zhòng)填料的力學(xué)性能、粘接性能、熱穩(wěn)定性及耐熱老 化性能均不可避免地會出現(xiàn)一定程度的衰退，進而改變環(huán)氧砂漿填料、鋼絲與錨杯的整體 錨固效果，引起錨頭性能衰退;③另外，錨頭制作過程中的疏漏也會成為錨頭服役過程中導(dǎo) 致錨頭失效的誘因。
[0003] 吳育苗、蔣湘成等調(diào)查了?？谑兰o大橋全橋176根纜索體系的損傷情況，發(fā)現(xiàn)梁端 防水系統(tǒng)發(fā)生病害占比97%以上，梁端減振器中的內(nèi)置減振器發(fā)生病害占比100%，外設(shè)減 振器發(fā)生病害占比1.7%，但是，這兩個部件對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響評級為輕微;索 體中的PE護套發(fā)生病害占比70%，鋼絲發(fā)生病害占比0.5%，索體對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的 影響評級為嚴重;錨頭發(fā)生病害占比76%以上，錨頭對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響評級也 為嚴重;張俊岱對委內(nèi)瑞拉馬拉開波橋多根纜索病害檢查的結(jié)果，與吳育苗的調(diào)查結(jié)論基 本一致。由此可見，在對橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性影響評級較高的索體部件中，錨頭的病害 發(fā)生率是全橋最為嚴重的，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，有必要對錨頭病害的發(fā)生和發(fā)展趨勢 進行重點監(jiān)測。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，常用的無損監(jiān)測方法主要有:常規(guī)超聲檢測法、超聲成像檢測法、紅 外熱波檢測法;這三種無損檢測方法均可檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和粘結(jié)質(zhì)量，但若將前述三種 方法用于錨頭病害監(jiān)測，則存在如下問題:首先，前述三種方法最優(yōu)的應(yīng)用對象是規(guī)則、簡 單的結(jié)構(gòu)，錨頭屬于復(fù)雜組合體結(jié)構(gòu)，將上述方法應(yīng)用于錨頭的無損檢測仍存在一定的問 題;其次，無損檢測方法僅能用于定期的安全檢查，無法實現(xiàn)在線的實時監(jiān)測；另外，錨頭是 承力的關(guān)鍵部件，它的性能衰退是一個漸變的過程，即從鋼絲和錨固料間的強握裹，到弱握 裹，再到出現(xiàn)脫粘、缺陷和裂紋，最后是破壞，因此，最有價值的無損檢測方法是能在早期就 能發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)性能衰退的錨頭，從而判斷錨頭目前處于性能衰退的哪個階段，而上述三種方 法均沒有這種能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性 能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法，所述斜拉索錨頭由錨杯、分絲板、多根鋼絲和環(huán)氧砂漿填料組成，分 絲板固定在錨杯的底部，分絲板上設(shè)置有多個預(yù)留孔，鋼絲的內(nèi)端穿過分絲板上的預(yù)留孔 后墩頭固定，多根鋼絲與多個預(yù)留孔一一對應(yīng)，錨杯內(nèi)鋼絲周圍的區(qū)域由環(huán)氧砂漿填料填 充;其創(chuàng)新在于:所述斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法包括：
[0006] 1)在分絲板上的實心部分預(yù)制多個植入孔;錨頭制作過程中，在灌注環(huán)氧砂漿填 料之前，在每個植入孔內(nèi)均植入一根細條狀的分布式光纖應(yīng)變傳感器，分布式光纖應(yīng)變傳 感器的軸向與鋼絲軸向平行，分布式光纖應(yīng)變傳感器的端頭延伸至錨杯深處，分布式光纖 應(yīng)變傳感器的尾纖置于分絲板外，然后灌注環(huán)氧砂漿填料，環(huán)氧砂漿填料將分布式光纖應(yīng) 變傳感器和鋼絲包裹在內(nèi)與錨杯一起形成整體結(jié)構(gòu)；
[0007] 2)錨頭制作好后，在安裝之前，對錨頭進行超張拉試驗;試驗過程中，通過分布式 光纖應(yīng)變傳感器獲取錨杯內(nèi)不同深度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);將獲得的多個應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合為如下 的初始應(yīng)力分布函數(shù)：
[0008] ox=o〇(ai ? x+a2 ? x2+a3 ? x3+a4 ? x4+l)
[0009] 其中，x為錨頭起始端至分布式光纖應(yīng)變傳感器上某一應(yīng)變監(jiān)測點的軸向距離，所 述錨頭起始端為錨頭上與分絲板相對的那一端，x簡記為錨固深度，〇〇為超張拉過程中檢測 到的錨頭起始端位置處鋼絲所受的軸向應(yīng)力，〇 x為錨固深度為x處鋼絲所受軸向應(yīng)力，ai、 a2、a3、a4為初始應(yīng)力衰減系數(shù);根據(jù)分布式光纖應(yīng)變傳感器檢測到的對應(yīng)不同錨固深度的 多組〇 x和X，按初始應(yīng)力分布函數(shù)求解出〇0、&1、&2、&3、 &4:獲得初始應(yīng)力衰變函數(shù)以1):
[0010] f(x) =ai ? x+a2 ? x2+a3 ? x3+a4 ? x4+l;
[0011] 3)將錨頭投入使用;錨頭服役期間，通過分布式光纖應(yīng)變傳感器實時監(jiān)測錨杯內(nèi) 不同錨固深度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);將實時監(jiān)測到的應(yīng)變數(shù)據(jù)實時擬合為如下的監(jiān)測應(yīng)力分布 函數(shù)：
[0012] ox，=〇〇, (ai，? x+a2，? x2+a3，? x3+a4，? x4+l)
[0013] 其中，〇Q'為服役期間監(jiān)測到的錨頭起始端位置處鋼絲所受的軸向應(yīng)力，〇x'為服役 期間監(jiān)測到的錨固深度x處鋼絲所受軸向應(yīng)力， &1'、&2'、&3'、&4'為當(dāng)前應(yīng)力衰減系數(shù);根據(jù) 分布式光纖應(yīng)變傳感器檢測到的對應(yīng)不同錨固深度的多組和X，求解出oo'ai'、^'、^'、 34'，獲得當(dāng)前應(yīng)力衰變函數(shù)€'（1):
[0014] f'（x) = (ai ' ? x+a2 ' ? x2+a3 ' ? x3+a4' ? x4+l);
[0015] 4)根據(jù)下式計算出錨頭健康度A:
[0016] 4 = 1；二[/⑷-尸⑷]2
[0017]其中，h為分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)錨固深度的最大值；
[0018]將A與一報警閾值To進行比較，若A>To，則說明錨頭已存在隱患;To由仿真試驗和理 論計算獲得。
[0019]本發(fā)明的原理是：由于錨頭內(nèi)鋼絲眾多且呈輻射狀分布，因此多根鋼絲的受力狀 況較為復(fù)雜，為了簡化分析，選取其中一根鋼絲及包裹在該鋼絲外的環(huán)氧砂漿填料為一個 受力分析單元，則單個受力分析單元中鋼絲的受力狀態(tài)如圖1所示，設(shè)鋼絲上錨固區(qū)域的總 長度為X，錨頭起始端鋼絲所受應(yīng)力為〇〇,鋼絲在錨頭內(nèi)受到環(huán)氧砂漿填料的握裹力T作用； 在鋼絲未與環(huán)氧砂漿填料發(fā)生相對滑移的情況下，鋼絲處于靜載平衡狀態(tài);在圖1中錨固深 度為 X1的位置選取1個鋼絲微元，其受力狀態(tài)如圖2所示，設(shè)鋼絲微元前端應(yīng)力為〇1，鋼絲微 元后端應(yīng)力為01+1，受到的環(huán)氧砂漿填料握裹作用力為^，由靜載平衡條件可知，〇1、 〇1+1和^ 存在如下關(guān)系：
[0020] (〇i-oi+i)jir2 = 23TrTi ? dx (1)
[0021] 其中，r為鋼絲半徑。
[0022]將式（1)變形后可得下式：
[0024] 從式(2)可見，沿錨固深度方向，鋼絲軸向應(yīng)力的衰減速度與環(huán)氧砂漿填料對鋼絲 的握裹作用力成正比，握裹力越大，鋼絲應(yīng)力的衰減速度越快;纜索長期服役后，錨頭制作 過程中的某些缺陷以及環(huán)氧砂漿填料本身的性能衰退都會導(dǎo)致環(huán)氧砂漿填料對鋼絲的握 裹力Ti減小，而一旦握裹力Ti減小，鋼絲受到的軸向應(yīng)力衰減趨勢就會變緩(參見圖5,圖中 兩條曲線分別為錨頭性能狀態(tài)良好時測得的"初始應(yīng)力衰減曲線"與錨頭性能發(fā)生衰退時 測得的"實時監(jiān)測應(yīng)力衰減曲線"，從圖中可以看出錨頭內(nèi)環(huán)氧砂漿粘接能力下降后，錨頭 內(nèi)軸向應(yīng)力的衰減趨勢比性能良好時軸向應(yīng)力的衰減趨勢更緩，），環(huán)氧砂漿填料對鋼絲應(yīng) 力的均化與衰減作用也隨之減弱，相應(yīng)地，錨頭上由錨杯承擔(dān)的作用力就會減小，分絲板承 擔(dān)的作用力就會增大，鋼絲與環(huán)氧砂漿填料的層間滑移量將會不斷累加，并最終產(chǎn)生層間 剝離的現(xiàn)象，導(dǎo)致錨頭失效；
[0025] 基于前述分析，發(fā)明人認為，可以用鋼絲軸向應(yīng)力分布來表征環(huán)氧砂漿填料對鋼 絲的握裹力大小，進而間接地獲知錨頭的性能狀態(tài)，具體應(yīng)用時，只需對鋼絲軸向應(yīng)力分布 進行監(jiān)測，就可以實現(xiàn)對錨頭病害發(fā)生及其發(fā)展進度的監(jiān)測?？紤]到光纖分布式應(yīng)力監(jiān)測 技術(shù)已十分成熟，在具體實施時，本發(fā)明米用分布式光纖應(yīng)變傳感器來對鋼絲軸向應(yīng)力分 布進行監(jiān)測。
[0026] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:提出了一種基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰 退狀態(tài)監(jiān)測方法，該方法可以實現(xiàn)錨頭病害的及時發(fā)現(xiàn)以及連續(xù)監(jiān)測。
【附圖說明】
[0027]圖1、單個受力分析單元中鋼絲的受力狀態(tài)示意圖；
[0028]圖2、鋼絲微元受力狀態(tài)示意圖；
[0029] 圖3、本發(fā)明的分布式光纖應(yīng)變傳感器設(shè)置方式示意圖；
[0030] 圖4、分絲板外端面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5、初始應(yīng)力衰減曲線和實時監(jiān)測應(yīng)力衰減曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0032] -種基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法，所述斜拉索錨頭 由錨杯、分絲板、多根鋼絲和環(huán)氧砂漿填料組成，分絲板固定在錨杯的底部，分絲板上設(shè)置 有多個預(yù)留孔，鋼絲的內(nèi)端穿過分絲板上的預(yù)留孔后墩頭固定，多根鋼絲與多個預(yù)留孔一 一對應(yīng)，錨杯內(nèi)鋼絲周圍的區(qū)域由環(huán)氧砂漿填料填充;其創(chuàng)新在于:所述斜拉索錨頭性能衰 退狀態(tài)監(jiān)測方法包括：
[0033] 1)在分絲板上的實心部分預(yù)制多個植入孔;錨頭制作過程中，在灌注環(huán)氧砂漿填 料之前，在每個植入孔內(nèi)均植入一根細條狀的分布式光纖應(yīng)變傳感器，分布式光纖應(yīng)變傳 感器的軸向與鋼絲軸向平行，分布式光纖應(yīng)變傳感器的端頭延伸至錨杯深處，分布式光纖 應(yīng)變傳感器的尾纖置于分絲板外，然后灌注環(huán)氧砂漿填料，環(huán)氧砂漿填料將分布式光纖應(yīng) 變傳感器和鋼絲包裹在內(nèi)與錨杯一起形成整體結(jié)構(gòu)；
[0034] 2)錨頭制作好后，在安裝之前，對錨頭進行超張拉試驗;試驗過程中，通過分布式 光纖應(yīng)變傳感器獲取錨杯內(nèi)不同深度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);將獲得的多個應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合為如下 的初始應(yīng)力分布函數(shù)：
[0035] ox=o〇(ai ? x+a2 ? x2+a3 ? x3+a4 ? x4+l)
[0036]其中，x為錨頭起始端至分布式光纖應(yīng)變傳感器上某一應(yīng)變監(jiān)測點的軸向距離，所 述錨頭起始端為錨頭上與分絲板相對的那一端，X簡記為錨固深度，〇〇為超張拉過程中檢測 到的錨頭起始端位置處鋼絲所受的軸向應(yīng)力，Ox為錨固深度為X處鋼絲所受軸向應(yīng)力， ai、 a2、a3、a4為初始應(yīng)力衰減系數(shù);根據(jù)分布式光纖應(yīng)變傳感器檢測到的對應(yīng)不同錨固深度的 多組〇 x和X，按初始應(yīng)力分布函數(shù)求解出〇0、&1、&2、&3、 &4:獲得初始應(yīng)力衰變函數(shù)以1):
[0037] f(x) =ai ? x+a2 ? x2+a3 ? x3+a4 ? x4+l;
[0038] 3)將錨頭投入使用;錨頭服役期間，通過分布式光纖應(yīng)變傳感器實時監(jiān)測錨杯內(nèi) 不同錨固深度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);將實時監(jiān)測到的應(yīng)變數(shù)據(jù)實時擬合為如下的監(jiān)測應(yīng)力分布 函數(shù)：
[0039] ox，=〇〇, (ai，? x+a2，? x2+a3，? x3+a4，? x4+l)
[0040] 其中，〇Q'為服役期間監(jiān)測到的錨頭起始端位置處鋼絲所受的軸向應(yīng)力，〇x'為服役 期間監(jiān)測到的錨固深度x處鋼絲所受軸向應(yīng)力， &1'、&2'、&3'、&4'為當(dāng)前應(yīng)力衰減系數(shù);根據(jù) 分布式光纖應(yīng)變傳感器檢測到的對應(yīng)不同錨固深度的多組和X，求解出oo'ai'、^'、^'、 34'，獲得當(dāng)前應(yīng)力衰變函數(shù)€'（1):
[0041] f，（x) = (ai，? x+a2，? x2+a3，? x3+a4，? x4+l);
[0042] 4)根據(jù)下式計算出錨頭健康度A:
[0043] ^ =
[0044] 其中，h為分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)錨固深度的最大值；
[0045]將A與一報警閾值To進行比較，若A>To，則說明錨頭已存在隱患;To由仿真試驗和理 論計算獲得。
【主權(quán)項】
1. 一種基于光纖分布式測量的斜拉索錨頭性能衰退狀態(tài)監(jiān)測方法，所述斜拉索錨頭由 錨杯、分絲板、多根鋼絲和環(huán)氧砂漿填料組成，分絲板固定在錨杯的底部，分絲板上設(shè)置有 多個預(yù)留孔，鋼絲的內(nèi)端穿過分絲板上的預(yù)留孔后墩頭固定，多根鋼絲與多個預(yù)留孔一一 對應(yīng)，錨杯內(nèi)鋼絲周圍的區(qū)域由環(huán)氧砂漿填料填充;其特征在于:所述斜拉索錨頭性能衰退 狀態(tài)監(jiān)測方法包括： 1) 在分絲板上的實心部分預(yù)制多個植入孔;錨頭制作過程中，在灌注環(huán)氧砂漿填料之 前，在每個植入孔內(nèi)均植入一根細條狀的分布式光纖應(yīng)變傳感器，分布式光纖應(yīng)變傳感器 的軸向與鋼絲軸向平行，分布式光纖應(yīng)變傳感器的端頭延伸至錨杯深處，分布式光纖應(yīng)變 傳感器的尾纖置于分絲板外，然后灌注環(huán)氧砂漿填料，環(huán)氧砂漿填料將分布式光纖應(yīng)變傳 感器和鋼絲包裹在內(nèi)與錨杯一起形成整體結(jié)構(gòu)； 2) 錨頭制作好后，在安裝之前，對錨頭進行超張拉試驗;試驗過程中，通過分布式光纖 應(yīng)變傳感器獲取錨杯內(nèi)不同深度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);將獲得的多個應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合為如下的初 始應(yīng)力分布函數(shù)： 〇x = 〇〇(ai · x+a2 · x2+a3 · x3+a4 · x4+l) 其中，X為錨頭起始端至分布式光纖應(yīng)變傳感器上某一應(yīng)變監(jiān)測點的軸向距離，所述錨 頭起始端為錨頭上與分絲板相對的那一端，X簡記為錨固深度，〇〇為超張拉過程中檢測到的 錨頭起始端位置處鋼絲所受的軸向應(yīng)力，σ χ為錨固深度為X處鋼絲所受軸向應(yīng)力，a^a^as、 a4為初始應(yīng)力衰減系數(shù);根據(jù)分布式光纖應(yīng)變傳感器檢測到的對應(yīng)不同錨固深度的多組〇x 和X，按初始應(yīng)力分布函數(shù)求解出如^^^^^獲得初始應(yīng)力衰變函數(shù)汽義）： f(x)=ai · Χ+?2 · Χ2+?3 · X3+a4 · x4+l； 3) 將錨頭投入使用；錨頭服役期間，通過分布式光纖應(yīng)變傳感器實時監(jiān)測錨杯內(nèi)不同 錨固深度位置的應(yīng)變數(shù)據(jù);將實時監(jiān)測到的應(yīng)變數(shù)據(jù)實時擬合為如下的監(jiān)測應(yīng)力分布函 數(shù)： 〇x，=〇〇，(ai，*x+a2，*x2+a3，*x3+a4，*x 4+l) 其中，〇〇'為服役期間監(jiān)測到的錨頭起始端位置處鋼絲所受的軸向應(yīng)力，σχ'為服役期間 監(jiān)測到的錨固深度X處鋼絲所受軸向應(yīng)力，&1'、&2'、&3'、 &4'為當(dāng)前應(yīng)力衰減系數(shù);根據(jù)分布 式光纖應(yīng)變傳感器檢測到的對應(yīng)不同錨固深度的多組σχ'和X，求解出 獲得當(dāng)前應(yīng)力衰變函數(shù)f'（X): f，（x) = (ai，· x+a2，· x2+a3，· x3+a4，· x4+l); 4) 根據(jù)下式計算出錨頭健康度A:其中，h為分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)錨固深度的最大值； 將A與一報警閾值To進行比較，若A〉To,則說明錨頭已存在隱患;To由仿真試驗和理論計 算獲得。
【文檔編號】G01L1/24GK105928646SQ201610559275
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】吳俊 , 舒岳階, 余葵, 馬希欽, 周遠航
【申請人】重慶交通大學(xué)