基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型是一种基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测装置，包括多个锈蚀传感单元，并将多个所属锈蚀传感单元与一个辅助框架连接形成预应力自平衡体系；在钢丝薄片不同高度处布设的连续应变测点监测数据判断斜拉索内钢丝或钢绞线初始锈蚀时间并通过相应程序计算锈蚀程度与锈蚀速率或发生应力腐蚀裂纹的深度；分析超声导波信号特征变化判断钢丝或钢绞线初始锈蚀时间；比较不同时刻导波信号幅值差的变化速率，判断钢丝薄片的锈蚀速率。本装置对斜拉索自由段下锚头区域钢丝的锈蚀与应力腐蚀状态进行长期、定量监测或定期检测，且不破坏局部微环境，同时多个锈蚀传感单元布置在该区域，进一步保证监测的真实性与可靠性。
【专利说明】
基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及土木工程结构健康、桥梁缆索结构耐久性监测技术领域，尤其是涉及基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测装置，应用于桥梁缆索结构腐蚀监测。
【背景技术】
[0002]桥梁缆索锈蚀损伤与缆索的防护措施有关。近年普遍采用热挤高密度聚乙烯(HDPE)护套进行防护，索体由平行钢丝或平行钢绞线组成，缆索结构锈蚀损伤检测与监测方法有:(I)人工方法:主要是检查索系统是否遭受锈蚀，各紧固件是否松动，索体是否有破损。优点是可定性地直观检查;缺点是检测费人力物力，检查范围有限且检测结果仅可用于定性评估，难满足定量评定要求，对突发性事故无法实现及时检测与监测。(2)超声波方法:主要用来检测平行钢丝表面裂纹、锈坑，但由于缆索由多根平行钢丝或钢绞线组成，截面形状复杂、锈蚀损伤位置不确定，超声波仅仅能检测表面缺陷，此外，锚头部位形状复杂，超声波检测存在较大的盲区。(3)放射线方法:可以检测缆索内部损伤和缺陷，能较准确地得到索体索体内部的锈蚀和断丝等损伤，缺点是为了屏蔽对人体的辐射，射线装置往往较大，不适用于实时监测。(4)电化学方法:电化学方法主要针对单根钢筋或者钢绞线，对多根平行钢丝或者钢绞线组成的缆索其检测效果欠佳，尤其现在的评定方法基本上是根据电位差的范围判断缆索的锈蚀的可能性，但受测试局部区域环境因素如温度、湿度等影响显著。(5)超声导波法:目前国内也有研究基于超声导波理论的钢筋锈蚀监测方法，但该方法是用于全尺寸长度的钢筋上，并不是一种传感器产品，当用于混凝土中时，存在导波信号泄漏，传感器接收到的导波信号微弱和复杂的不足之处，难以应用到实际工程中。另外，钢筋是实心圆柱体，在钢筋中传播的导波在可用的频段模态非常多(多达十余个模态)，信号会更加复杂O
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是解决斜拉桥斜拉索自由段下锚头区域锈蚀状态与应力腐蚀裂纹实时监测与定期检测需求，提高桥梁缆索锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性，实现对桥梁缆索结构内高强钢丝或钢绞线初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的监、检测与预警。
[0004]为了实现本实用新型的目的，提出以下技术方案:
[0005]—种基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测装置，所述复合监测装置I包括锈蚀传感单元9和辅助框架，所述锈蚀传感单元9由截取一定长度的钢丝并切割成薄片形成，在钢丝薄片两侧面不同高度处设置连续应变测点15，所述连续应变测点15采用链式应变片组，每个链式应变片组内设置测量片；
[0006]所述辅助框架包括固定横梁10、立柱11、预紧螺母12、移动横梁13和墩头14，所述固定横梁10、立柱11和移动横梁13构成一个框架，其中，移动横梁13沿着固定横梁10滑动；
[0007]所述锈蚀传感单元9穿过固定横梁10和移动横梁13，两端通过墩头14固定，所述预紧螺母12通过移动移动横梁13对多个锈蚀传感单元9施加初始应变，使锈蚀传感单元9中部钢丝薄片形成平面应力状态，所述锈蚀传感单元9上的测量片与应变仪连接，连续监测长度方向上各测点的平均应变；
[0008]在所述钢丝薄片端部两侧粘贴压电陶瓷片16，一侧压电陶瓷片16作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另一侧压电陶瓷片16作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波，根据导波信号特征判断钢丝薄片锈蚀及应力腐蚀裂纹状态。
[0009]所述锈蚀传感单元9选取与斜拉索所用同牌号高强钢丝。
[0010]所述每个链式应变片组内有多个测量片和I个用于温度补偿的温度补偿片。
[0011 ]所述锈蚀传感单元9采用聚酯材料防护套18封装锈蚀传感单元钢丝薄片的三个表面，保留一个端面作为腐蚀监测面17。
[0012]所述聚酯材料防护套18内具有防腐层19。
[0013]所述固定横梁10和移动横梁13为环形梁，所述移动横梁13和锈蚀传感单元9在环形梁上间隔对称设置，斜拉索用高强钢丝4从环形梁中间穿过。
[0014]本实用新型的效果是:实现对斜拉桥斜拉索锚头部位及自由段内钢丝的锈蚀与应力腐蚀裂纹监测，锈蚀传感单元钢丝薄片与实际缆索受力及腐蚀情况一致，锈蚀传感单元中部钢丝薄片处于平面应力状态，局部锈蚀或应力腐蚀后形成应力集中，根据截面不同高度得出连续应变测点的应变变化与超声导波信号及其幅值变化实现对缆索锚头部位与自由段内高强钢丝或钢绞线的初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的实时监测或定期检测。在不破坏局部微环境的条件下，保证锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的真实性与可靠性。同时多个锈蚀传感单元布置在该区域，进一步提高缆索锈蚀监测的可靠性。
【附图说明】
[0015]图1斜拉索锈蚀监测装置布置示意图；
[0016]图2锈蚀监测装置示意图；
[0017]图3锈蚀监测装置侧视图；
[0018]图4a锈蚀传感单元侧视图；
[0019]图4b锈蚀传感单元俯视图
[0020]图5锈蚀传感单元上应变测点布置示意图。
[0021]其中
[0022]1-锈蚀监测装置、2-高密度聚乙烯护套、3-护筒、4-高强钢丝、5-锚下垫板、6-锚圈、7-锚杯、8-后盖、9-锈蚀传感单元、10-固定横梁、11-立柱、12-预紧螺母、13-移动横梁、14-墩头、15-应变测点、16-压电陶瓷片、17-腐蚀监测面、18-聚酯材料防护套、19-防腐层。
【具体实施方式】
[0023]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进一步详细说明。
[0024]图1斜拉索锈蚀监测装置布置示意图，如图所示，本实用新型通过两端环形装置将多个锈蚀传感单元9固定于缆索高强钢丝4外侧、护筒3或高密度聚乙烯护套2内侧。缆索用高强钢丝4从环形装置中间穿过。锈蚀传感单元通过构造钢丝薄片处于平面应力状态，通过连续应变测点感知锈蚀或应力腐蚀裂纹导致的应力集中，并通过钢丝薄片上粘贴压电陶瓷片，一侧压电陶瓷片作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另外一侧压电片作为传感器，接收到自钢丝薄片传来的导波，根据导波信号特征判断钢丝薄片锈蚀及应力腐蚀裂纹状态。两种监测方法复合在一起，同时在一个区域布置多个锈蚀传感单元，提高桥梁缆索锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性，实现对桥梁缆索结构内高强钢丝或钢绞线初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的监、检测与预警。
[0025]实施例:选取与斜拉索所用同牌号高强钢丝，截取一定长度并切割薄片形成锈蚀传感单元9(如图4a，b所示)，在两侧面不同高度处设置连续应变测点15(如图4a、图5)，连续应变测点15采用链式应变片组，每个链式应变片组内有多个测量片，I个温度补偿片用于温度补偿(下文监测应变均为补偿后应变)，通过高性能胶水粘贴在薄片两侧不同截面高度处，通过焊接端子、导线与应变仪连接，链式应变片组可连续监测长度方向上各测点的平均应变。在钢丝薄片端部粘贴压电陶瓷片16，一侧压电陶瓷片16作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另一侧压电陶瓷片16作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波。采用聚酯材料防护套18封装其三个表面，仅保留一个端面作为腐蚀监测面17(如图5所示)，如此形成一个锈蚀传感单元9，将多个锈蚀传感单元9穿过固定横梁10和移动横梁13，锈蚀传感单元两端制作墩头14，通过预紧螺母12对多个锈蚀传感单元9施加初始应变，通过连续应变测点监测实际加载应力，使中部钢丝薄片应力与所监测缆索内钢丝或钢绞线的恒载应力相同，锈蚀传感单元9中部钢丝薄片形成平面应力状态，制索过程中将锈蚀监测装置I布设在如图1所示位置。
[0026]桥梁缆索服役过程中，一旦腐蚀监测面17发生局部锈蚀，该锈蚀区域局部形成应力集中，局部应变发生突变，靠近该位置的链式应变片组与该区域共同变形，因此应变信号发生突变，且不同截面高度上应变变化不同，越靠近锈蚀或应力腐蚀区域的应变变化越大，同一截面高度未发生锈蚀或应力腐蚀部位的应变变化很小，可根据钢丝薄片不同高度处连续应变测点监测数据变化采用相应计算程序计算缆索内钢丝初始锈蚀时间、锈蚀程度及应力腐蚀状态。
[0027]同时一侧压电陶瓷片16作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另一侧压电陶瓷片16作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波。锈蚀传感单元9钢丝薄片锈蚀或应力腐蚀裂纹导致压电陶瓷激励产生的超声导波信号特征发生变化，分析钢丝薄片锈蚀前后测得的导波信号的幅值差的发生时间，可判断出钢丝薄片的初始锈蚀时间，分析不同时刻导波信号幅值差的变化速率，可判断出钢丝薄片的锈蚀速率，分析导波信号幅值差并与试验结果相对比，可以判断钢丝薄片的锈蚀程度或应力腐蚀裂纹深度。
[0028]连续应变测点应变变化与超声导波信号可同时监测锈蚀与应力腐蚀，提高缆索钢丝锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性。锈蚀监测装置I内设置多个锈蚀传感单元9，可进一步提高锈蚀监测装置I布设区域内缆索钢丝锈蚀监测的可靠性与准确性。
[0029]以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进I步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测装置，其特征在于:所述复合监测装置(I)包括锈蚀传感单元(9)和辅助框架，所述锈蚀传感单元(9)由截取一定长度的钢丝并切割成薄片形成，在钢丝薄片两侧面不同高度处设置连续应变测点(15)，所述连续应变测点(15)采用链式应变片组，每个链式应变片组内设置测量片； 所述辅助框架包括固定横梁(10)、立柱(U)、预紧螺母(12)、移动横梁(13)和墩头(14)，所述固定横梁(10)、立柱(11)和移动横梁(13)构成一个框架，其中，移动横梁(13)沿着固定横梁(10)滑动； 所述锈蚀传感单元(9)穿过固定横梁(10)和移动横梁(13)，两端通过墩头(14)固定，所述预紧螺母(12)通过移动移动横梁(13)对多个锈蚀传感单元(9)施加初始应变，使锈蚀传感单元(9)中部钢丝薄片形成平面应力状态，所述锈蚀传感单元(9)上的测量片与应变仪连接，连续监测长度方向上各测点的平均应变； 在所述钢丝薄片端部两侧粘贴压电陶瓷片(16)，一侧压电陶瓷片(16)作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另一侧压电陶瓷片(16)作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波，根据导波信号特征判断钢丝薄片锈蚀及应力腐蚀裂纹状态。2.根据权利要求1所述的斜拉索锈蚀复合监测装置，其特征在于，所述锈蚀传感单元(9)选取与斜拉索所用同牌号的高强钢丝。3.根据权利要求2所述的斜拉索锈蚀复合监测装置，其特征在于，所述每个链式应变片组内有多个测量片和I个用于温度补偿的温度补偿片。4.根据权利要求3所述的斜拉索锈蚀复合监测装置，其特征在于，所述锈蚀传感单元(9)采用聚酯材料防护套(18)封装锈蚀传感单元钢丝薄片的三个表面，保留一个端面作为腐蚀监测面(17)。5.根据权利要求4所述的斜拉索锈蚀复合监测装置，其特征在于，所述聚酯材料防护套(18)内具有防腐层(19)。6.根据权利要求5所述的斜拉索锈蚀复合监测装置，其特征在于，所述固定横梁(10)和移动横梁(13)为环形梁，所述移动横梁(13)和锈蚀传感单元(9)在环形梁上间隔对称设置，斜拉索用高强钢丝(4)从环形梁中间穿过。
【文档编号】G01N29/04GK205484204SQ201620046022
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月18日
【发明人】兰成明, 周文松, 李惠, 李娜, 刘志强
【申请人】北京科技大学, 哈尔滨工业大学, 中交公路规划设计院有限公司