智能拉索、智能拉索制备方法以及智能拉索安全状态检测方法与流程

本发明属于土木工程结构领域，涉及一种土木结构安全监测和结构材料技术，具体涉及一种智能拉索、智能拉索制备方法以及智能拉索安全状态检测方法，适用于桥梁结构、岩土结构及大型混凝土结构。

背景技术：

拉索是众多工程结构中的核心构件，由于环境的影响，当前的拉索易生锈腐蚀、疲劳损伤，实际服役时间远低于设计服役时间，存在极大安全隐患。因此实现对在役拉索的在线监控、安全评定和寿命估计是一项十分重要且具有广阔前景的工作。目前，工程中广泛应用的拉索监测方法包括：1)在拉索外部布设传感器，常用的有振弦式传感器和磁通量传感器；振弦式传感器自重大，对拉索的受力性能产生负面影响，且该方法只适用于测量拉索锚端的受力状态；磁通量传感器工作易受电磁干扰，且该方法只能进行静态测量。2)在拉索内部嵌入敏感元件；该方法存在元件存活率低，监测量程不满足需求等问题。

随着光纤传感技术的不断成熟和进步，各类基于光纤传感原理的测试方法被应用于拉索结构的监测。光纤本身具备电绝缘性、耐腐蚀性、信号传输距离长、损耗低等固有属性，其组成的系统可以不受强磁场、高电压、大电流的干扰，但已有的基于光纤传感原理的监测方法测量精度有限，可操作性差，且无法全面反映拉索的受力状态、振动状况及其发展变化规律。多芯光纤是单个包层内具有多个单芯的光纤，每个芯作为独立的传感通道，实现了多重传感。基于多芯光纤空分复用的分布式传感技术，除了具有普通的分布式光纤传感技术的优点，还具备分布式温度、应力、振动和振动位置测量能力，在完成长距离分布传感的同时又实现了多维的传感，其结果与多次测量剔除误差的效果相似，提高了测量的准确度和精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，利用多芯光纤的优势，提出一种基于多芯光纤感知的智能拉索。该方法将多芯光纤复合在纤维增强塑料筋中，制成纤维增强光纤拉筋，由于纤维增强塑料筋容易加工成型，且与多芯光纤涂覆层具有相容性，因此纤维增强光纤拉筋兼具纤维增强塑料筋良好的力学性能和耐腐蚀性能以及多芯光纤的传感特性，彻底克服光纤传感器脆弱、布设困难的缺点。制成的纤维增强光纤拉筋在拉索加工成型时放入索体中，在拉索外覆盖护套并安装锚具制成基于多芯光纤感知的智能拉索。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案包括：

一种基于多芯光纤感知的智能拉索，包括护套和设于护套内的拉筋，其特征在于：所述护套内的至少一根拉筋替换为纤维增强光纤拉筋，所述纤维增强光纤拉筋包括多芯光纤和包裹在多芯光纤周围的纤维增强塑料筋。

作为改进，所述拉筋为拉筋。

作为改进，所述纤维增强塑料筋碳纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强材料及混杂增强塑料筋中的任意一种或几种组合。

作为改进，所述多芯光纤的纤芯数为七，以实现温度、应力、振动以及振动位置的区分测量，且在纤维增强光纤拉筋截面上组成具有几何稳定性的正六边形。

作为改进，所述智能拉索两端设有锚头，多芯光纤两端从锚头上预留孔引出。

一种纤维增强光纤拉筋，其特征在于：包括多芯光纤和包裹在多芯光纤周围的纤维增强塑料筋，多芯光纤沿纤维增强塑料筋长度方向置入筋中心位置，通过拉挤成型工艺制成所述纤维增强光纤拉筋。

一种基于多芯光纤感知的智能拉索制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、纤维增强光纤拉筋制备，在纤维增强塑料筋的制备过程中，计算出口光缆的最小长度，将相应长度的多芯光纤沿纤维增强塑料筋的长度方向埋入其中间位置，采用热挤法制成纤维增强光纤拉筋；

步骤2、将拉筋与纤维增强光纤拉筋等长粗下料；

步骤3、纤维增强光纤拉筋与拉筋同时放入排丝架，组合编制成拉索；

步骤4、将编制好的拉索加上护套，形成智能拉索。

作为改进，步骤4中，在拉索上通过热挤法加上热塑性塑料制成的护套。

一种利用上述的智能拉索安全状态检测方法，其特征在于：所述多芯光纤包括分布式振动光纤和高灵敏度振动光纤，利用分布式振动光纤和高灵敏度振动光纤的测量结果可准确评价智能拉索的受力状态与安全度，具体方法如下：

采集得到智能拉索在外部激励作用下的振动信号，将振动信号进行频谱分析得到智能拉索的自振频率，然后根据频率-索力的关系来确定索力，频率-索力关系通过下式确定：

k²[2αβ(1-cosαlcoshβl)+(α²-β²)sinαlsinhβl]

+2kei(α³cosαlsinhβl-α²βsinαlcoshβl+αβ²cosαlsinhβl

-β³sinαlcoshβl)-(ei)²(α²+β²)²sinαlsinhβl＝0

其中：

式中，k表示智能拉索的转角约束刚度，当智能拉索的约束条件为简支时，k＝0，当智能拉索的约束条件为固支时，k→∞；l表示智能拉索的长度，t表示智能拉索的索力，ei表示智能拉索的抗弯强度，m表示智能拉索单位长度质量，ω表示智能拉索的自振频率，α、β与下方δ、γ为中间参数；

引进无量纲参量校验系数来进行比较，

正常使用情况下，校验系数接近于0，并且越接近越安全；当校验系数小于0时，认为智能拉索的索力损失，拉索刚度下降。

10.如权利要求9所述的智能拉索安全状态检测方法，其特征在于：所述多芯光纤还包括一对分布式应变光纤和一对点式应变光纤，利用分布式应变光纤、点式应变光纤监测桥梁的外部作用，包括车辆荷载、风荷载以及极端天气，光纤材料的弹光系数ρa已知，测量得到光纤反射波长变化量δλb，由纤芯中心波长λb和应变ε的关系式可得到纤芯应变ε：

通过多维度采集智能拉索在役状态下的数据，同步获取拉索的实时力学结构特性和复杂的外部环境状态，建立完整的拉索健康监测系统，实现对拉索结构的评估与预警。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)多芯光纤为实现拉索在线实时监测目的提供了良好的技术手段，在完成长距离分布式传感的同时又实现了多维度的传感，能满足拉索检测的高精度和长期性的技术要求。

(2)本发明结合纤维增强筋的物理力学特性、多芯光纤的感知特性和拉索的受力特点研制开发，使智能拉索具有强度高、耐蠕变、耐疲劳等优异特性，而且监测系统插入损耗低，便于与处理器连接，结构简单，成本低廉。

(3)本发明提供了多芯光纤的一种优良封装保护，克服了多芯光纤难以适应拉索结构粗放式施工的要求，智能拉索在工厂预制，具有施工方便，易于布置，无安装误差，无需后期维护等优点。

(4)本发明填补现有土木结构加固和监测复合技术的空缺，实现拉索服役状态的多维长期动态监测，可广泛用于斜拉桥、吊杆拱桥、缆索等需要拉索构件的工程结构。

附图说明

图1是本发明智能拉索一种实施方案的截面示意图。

图2是本发明所述纤维增强光纤拉筋截面示意图。

图中：1-纤维增强光纤拉筋，2-拉筋，3-护套，101-多芯光纤，102-纤维增强塑料筋，103-分布式应变光纤，104-点式应变光纤，105-分布式振动光纤，106-分布式温度光纤，107-高灵敏度振动光纤。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1是本发明一种实施方案的截面示意图，包括纤维增强光纤拉筋1，拉筋2(本实施例中拉筋2采用钢丝或钢绞线)，护套3。纤维增强光纤拉筋1和拉筋2等长粗下料，在智能拉索加工成型时，纤维增强光纤拉筋1替换拉索中的至少一根拉筋2，拉索外覆盖护套3，拉索的端部带有锚头(图中未画出)。

结合图2，多芯光纤101沿纤维增强塑料筋102长度方向置入筋中心位置，通过拉挤成型工艺制成所述纤维增强光纤拉筋1。由于多芯光纤101中各个芯的空间位置不同，功能不同，当土木工程结构形状发生变化时，不同纤芯的响应不同。分布式应变光纤103连接布里渊分布式传感器，该纤芯对温度、应力都敏感，采用2个对称的分布式应变光纤103可消除布里渊移频的弯曲敏感效应，2个分布式应变光纤103求平均后的结果只含有温度及应力的响应；点式应变光纤104连接光纤光栅传感器，该纤芯对温度、应力敏感，用作点式传感；分布式振动光纤105连接相位敏感光时域反射仪，该纤芯对振动敏感，用于分布式振动测量；分布式温度光纤106连接拉曼光时域反射仪，该纤芯只对温度敏感，用于分布式的温度测量，可补偿分布式应变光纤103中的温度测量结果；高灵敏度振动光纤107连接马赫-曾德干涉仪，该纤芯用于高灵敏度的振动测量，由于它不具备空间定位功能，所以可作为区间型振动传感器。但本发明所述多芯光纤并不局限于此种类型的结构，其他可以测量光纤分布式变化的仪器也可应用于本系统。

本发明实施例中，所述纤维增强塑料筋为碳纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强材料及混杂增强塑料筋中的一种或任意几种组合。

含多芯光纤的纤维增强塑料筋的信号传输光纤从锚头端部引出，其锚头端部开有预留孔。

作为一种更优实施例，纤维增强光纤拉筋在拉索截面中间及周向布置。

作为一种更优实施例，所述智能拉索的索体和相应锚具为夹片式拉索、钢绞线整束挤压式拉索及平行钢丝拉索中的一种。

本发明的产品可以采用下述方法来制作：

步骤一、在纤维增强塑料筋102的制备过程中，计算出口光缆的最小长度，将合适长度的多芯光纤101沿筋的长度方向埋入其中间位置，采用热挤法制成纤维增强光纤拉筋1；

步骤二、拉筋2和纤维增强光纤拉筋1等长粗下料；

步骤三、将纤维增强光纤拉筋1与拉筋2同时放入排丝架，组合编制成正六边形的拉索；

步骤四、将编制好的拉索，通过热挤高密度聚乙烯防护或加其它护套3防护，形成智能拉索；

步骤五、在拉索加锚具时，将信号传输光缆从拉索中引出。

拉索钢丝腐蚀、锚固端锈蚀以及链接失效等导致的拉索失效是监测的主要对象之一，利用分布式振动光纤105、高灵敏度振动光纤107的测量结果可准确评价智能拉索的受力状态与安全度。采集得到智能拉索在外部激励作用下的振动信号，将振动信号进行频谱分析得到智能拉索的自振频率，然后根据频率-索力的关系来确定索力。一般条件下拉索的频率-索力关系为：

k²[2αβ(1-cosαlcosβl)+(α²-β²)sinαlsinhβl]

+2kei(α³cosαlsinhβl-α²βsinαlcoshβl+αβ²cosαlsinhβl

-β³sinαlcoshβl)-(ei)²(α²+β²)²sinαlsinhβl＝0

其中：

式中，k表示拉索的转角约束刚度，当拉索的约束条件为简支时，k＝0，当拉索的约束条件为固支时，k→∞；l表示拉索的长度，t表示拉索索力，ei表示拉索的抗弯强度，m表示拉索单位长度质量，ω表示拉索的自振频率。

引进无量纲参量校验系数来进行比较，

正常使用情况下，校验系数接近于0，并且越接近越安全；当校验系数小于0时，认为拉索索力损失，拉索刚度下降。可采用迭代法修正拉索刚度，判断拉索结构性能退化程度，在此基础上再对拉索群出现病害而造成索力损伤后对整个桥梁的总体状态做出评估。

实测桥梁自振频率与温度数据分析表明，桥梁自振频率随着温度的升高而降低，分布式温度光纤106测量得到的温度为按动力特性评定桥梁健康状况提供了技术依据，也为在动力特性中消除温度影响提供了依据，避免误判情况发生。

与此同时，利用分布式应变光纤103、点式应变光纤104可监测桥梁的外部作用，包括车辆荷载、风荷载以及极端天气。光纤材料的弹光系数ρa已知，测量得到光纤反射波长变化量δλb，由纤芯中心波长λb和应变ε的关系式可得到纤芯应变ε：

通过多维度采集智能拉索在役状态下的数据，同步获取拉索的实时力学结构特性和复杂的外部环境状态，可建立完整的拉索健康监测系统，实现对拉索结构的评估与预警，对确保桥梁的正常运营、拉索的及时修复和延长寿命有着积极的意义。