CN108267255B - 一种全天候索力测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全天候索力测量装置和测量方法；本发明装置将传统拉索索头耳板进行重新设计，用折角耳板代替传统直耳板，且在两折角耳板间增设一根弹性压杆，由此在索头内部巧妙构造出一个拉压系统，并得到拉索索力F与弹性压杆轴向压应变ε的函数关系式，通过焊接在弹性压杆表面的程应变计测量出弹性压杆的压应变，代入上述函数表达式即可求得索力数值。本发明思路新颖，理论清晰，费用低廉，测量精度高，适用范围广泛，并且可以对拉索索力进行各阶段、全天候的索力测量和健康监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种索力测量装置，特别是涉及一种可广泛适用于土木工程领域的全天候索力测量装置。
背景技术
伴随着新时期结构形式的复杂化和多样化，拉索现已广泛应用于各类工程结构中，成为大跨度建筑结构和大跨度桥梁结构等重大工程结构中的主要受力构件，其拉力大小直接影响着结构的受力状态，同时也是结构安全性的重要标志，因此，对重大工程结构中关键部位拉索索力的实时测量和健康监测十分重要也非常必要。
如图3所示，现有技术的索力测量装置包括销轴5、索头杯口6和直耳板7，两直耳板7平行设置；在索头杯口6上端，拉索1与索头杯口6连接，在索头杯口6下端直，两直耳板7与索头杯口6连接，两两耳板7还通过销轴5连接。当拉索中产生拉力时，在直耳板7中仅存在轴力。测试时，通过在拉索1上设置的传感器测试索力。
现阶段在实际工程中使用相对广泛的索力测量方法大致有以下5种。
1、液压千斤顶张拉测试法：
该方法适用于拉索张拉成形阶段，工程师可以通过液压千斤顶的油表读数近似确定拉索的索力数值，这种方法简便易行，成本较低。但油压表存在指针偏转速度过快，当索力数值较大时指针抖动剧烈等不利因素。另外，在结构正常使用状态下，千斤顶已经退出工作，所以此方法不能用于索力全时段监测。
2、压力传感器测试法：
在拉索施工时，将压力传感器安装在锚具和拉索垫片之间，索内拉力的变化会引起压力传感器中弹性体的变形，传感器中内置的压力传感元件会将形变转换为可处理的电信号(相当于一块压敏电阻元件)或者光信号等等，再通过光电装置处理即可测得索力数值。该方法工艺复杂，检测成本较高，并且传感器在自然条件下的耐久性能得不到保证。目前主要用与大型桥梁施工监控等领域，由于传感器通常尺寸较大，影响建筑美观，故极少用于建筑领域。
3、基于结构振动频率的测试方法：
该方法适用于已建成结构中，在人工或随机激励下，通过布置在拉索上的传感器获得相应的振动信号，通过频谱分析求解拉索的振动频率，再利用振动频率和索力之间存在的函数关系得到拉索拉力数值。该方法所需测试成本低，并且精度可以满足工程要求。但是测试过程繁琐，单次测试周期较长，测试数据的精度易受拉索跨度、斜度、垂度以及边界条件等多项条件的制约，无法用于施工阶段索力监控，也不适用于全天候索力监测。
4、磁通量测试法：
该方法是利用拉索索力与传感器磁通量变化之间的关系进行索力测量。传感器中电流强度与铁磁材料磁导率相关，而磁导率又与自身应力状态相关，因此可以通过传感器系统中电压与应力之间存在的相应函数关系式求得索力数值。对任意一种铁磁材料都需要事先在实验室进行数组应力、温度的实验，确定磁通量变化和索力之间的关系式才可以进行该种材料制造的拉索索力，因此无法测量已建工程中拉索索力，该方法受温度影响较大，必须进行相应的温度补偿。
5、附着式光纤光栅传感器测定法：
利用牢固附着在拉索上的光纤光栅传感器测量一个特定标段内拉索的伸长量，再利用拉索刚度、应变、应力之间的关系求得拉索的索力数值。该方法测试费用高昂，测量精度受温度和光纤光栅自身刚度的影响，测试系统较复杂，在施工现场极易受损，现阶段使用不是非常广泛。
发明内容
基于现有测量技术存在的固有缺陷，本发明的目的在于提供了一种满足现行复杂工程结构中索力测量要求的各阶段、全天候索力测量装置，本发明测试装置和方法具有快速、高效、准确的特点。
该装置对现有传统拉索索头的形式进行整体改进，通过简单的力学公式推导即可求得弹性杆应变与拉索索力的函数关系，因此可以快速、高效、准确地计算确定拉索的索力数值。另外，该方法还可以结合拉索在加工组装过程中的预张工序进行标定复核。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全天候索力测量装置，包括弹性杆、大量程表面应变计、折角耳板、销轴和索头杯口；所述拉索与索头杯口连接，索头杯口与折角耳板连接；折角耳板由沿拉索中心轴线对称设置的一对耳板弯折段和竖直段连接组成；折角耳板的两耳板竖直段通过销轴连接；折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α，在折角耳板的弯折处设置弹性杆，弹性杆上设有大量程表面应变计；折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α取值为45°～75°。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的大量程表面应变计为DP‐4000光纤光栅大量程表面应变计。
优选地，所述大量程表面应变计设置在弹性杆的中心点下表面或上表面。
优选地，所述弹性杆的材质为钢材。
优选地，所述折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α取值为60°～70°。
优选地，所述折角耳板的材质为钢材。
应用上述装置的全天候索力测量方法：拉索总索力F总通过公式(7)计算所得：
其中，ε为弹性杆轴向应变，由大量程表面应变计测得；E为弹性杆钢材弹性模量，I(1)为耳板弯折段惯性矩，A(1)为耳板弯折段截面积，α为耳板弯折段与水平方向的夹角，k为弹性杆等效弹簧刚度，A(2)为弹性杆截面积，L为耳板竖直段间的距离，h为耳板弯折段竖向投影长度，X1为弹性杆轴向压力，p为由索力F引起在单片耳板上的轴力，δ11为耳板弯折段与弹性杆连接的A点在弹性杆轴向压力X1作用下在水平方向上的位移，Δ1p为耳板弯折段与弹性杆连接的A点在轴力P作用下沿水平方向上的位移,I为耳板截面惯性矩。
优选地，在根据公式(7)得到稳定的弹性杆应变ε和拉索索力F之间的试验关系曲线后，再对公式(7)所得理论曲线进行校核和标定。
相对于现有技术，本发明具有以下特点和有益效果：
1)各阶段全天候数据监测：由于应变计长期布置在锁头内部，可实时输出任意时刻的应变数据，因此本发明不仅适用于施工过程的索力测量，还可以对正常使用状态中的拉索进行动态健康监测，根据此特点亦可以用于工程结构的结构安全报警系统。
2)成本低廉：本发明只需对传统索头做巧妙改进，此外添加一根材性均质的弹性杆件和相应型号的应变计即可获得测量数据，而不需耗费额外的人力物力，因此测量成本较其他方案低廉。
3)本发明理论清晰、计算公式简洁，装置内部传力路径简单直接、测量精度可以满足工程需要，且受外界因素干扰较小。
4)测量周期短：该方法只需读出弹性杆件上应变计中的数值，即可代入上述公式得出拉索索力数值，相比于其他需要复杂仪器设备的测量方法，耗费时间短，测量效率高。为快速获取索力数值，亦可以利用有线或无线传输技术外接数据处理中心，实时分析测量数据。
5)耐久性好：索头自身表面有防腐涂膜，应变计自身也具有较强的防腐功能，即使在室外环境下工作，该装置耐久性也可以得到保证。
6)由于应变计一般可以进行内部的自动温度补偿，所以用该方法计算拉索的索力时可以不考虑由温度变化引起的测量误差。
附图说明
图1为本发明全天候索力测量装置的正视图。
图2为本发明全天候索力测量装置的侧视图。
图3为现有技术索力测量装置的正视图。
图4为图1全天候索力测量装置的拉索简化计算示意图。
图5为图1全天候索力测量装置的力法基本半结构图。
图中示出：拉索1、弹性杆2、大量程表面应变计3、折角耳板4、销轴5、索头杯口6、直耳板7。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
如图1和2所示，一种全天候索力测量装置，包括弹性杆2、大量程表面应变计3、折角耳板4、销轴5和索头杯口6；拉索1与索头杯口6连接，索头杯口6与折角耳板4连接；折角耳板4由沿拉索1中心轴线对称设置的耳板弯折段和竖直段连接组成；折角耳板4的两耳板竖直段通过销轴5连接；折角耳板4的耳板弯折段与水平方向形成夹角α，在折角耳板4的弯折处设置弹性杆2，弹性杆2上设有大量程表面应变计3；耳板弯折段与水平方向形成夹角α取值为45°～75°。优选地，所述折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α取值为60°～70°。
如图3所示，在工程结构中，传统拉索索头的耳板通常为双片平行搁置，当拉索中产生拉力时，在直耳板7中仅存在轴力。本发明全天候索力测量装置是对传统耳板的构造形式进行改进所得，即将现有技术采用的直耳板7改为折线形，进而形成改进后的折角耳板4，且在两耳板间安装材性均匀的弹性杆2。在本发明中，当拉索中产生拉力时，拉力随即会通过索头杯口6传到折角耳板4，由于此时耳板不再是平行放置，因此在拉力作用下，弹性杆2会因受到轴向压力的作用而产生弹性杆压应变ε。折角耳板4和弹性杆2均可看作理想弹性体，因此弹性杆压应变ε与拉索索力F间存在着相应理想的函数关系式，即可通过该理想弹性杆的应变数据求得相应的索力数值。
优选地，所述大量程表面应变计设置在弹性杆的中心点下表面或上表面。
优选地，所述弹性杆的材质为钢材。所述折角耳板的材质为钢材。
如图4、5所示，根据对称性对索力装置做力学简化计算，通过简单结构力学原理可以推导得到弹性杆应变ε与拉索索力F之间的函数关系式。
根据计算简图(图4)，可得力法方程：
在X1作用下，A点在X1方向的位移：
在轴力p作用下，A点在X1方向的位移：
将公式(2)、(3)带入(1)中，得：
以上公式中：ε为弹性杆轴向应变，E为弹性杆钢材弹性模量，I(1)为耳板弯折段惯性矩，A(1)为耳板弯折段截面积，α为耳板弯折段与水平方向的夹角，k为弹性杆等效弹簧刚度，A(2)为弹性杆截面积，L为耳板竖直段间的距离，h为耳板弯折段竖向投影长度，X1为弹性杆轴向压力，p为由索力F引起在单片耳板上的轴力，δ11为耳板弯折段与弹性杆连接的A点在弹性杆轴向压力X1作用下在水平方向上的位移，Δ1p为耳板弯折段与弹性杆连接的A点在索力P作用下沿水平方向上的位移,I为耳板截面惯性矩。
当拉索中产生拉力F时，拉索端部力的传递路径为：拉索1→索头杯口6→耳板4、弹性杆2→销轴5。根据力的传递路径，可由简单力学分析推得弹性杆2应变ε与耳板4轴力P之间存在下述函数关系，即：
由对称性可得拉索总索力F总，即：
本发明可根据实际索力数值选用相应的大量程表面应变计测量弹性杆2的应变ε，例如本发明推荐使用的DP‐4000光纤光栅大量程表面应变计。该应变计自带温度补偿装置，可以消除弹性压杆由自身温度变化引起的测量误差，提高了该发明的测量精度。并且由于该应变计具有防腐涂膜，拥有较好的防腐功能，因此可广泛用于各种金属或其它固体结构表面进行静态和动态大范围应力应变监测。
该型号应变计可直接焊接于弹性压杆表面，或封装在空心压杆的内部。在实际测量过程中，可直接读取应变计测量数据ε，随即代入公式(7)中求得拉索索力数值F总。
每条成品索在出厂前均须经过反复数次的预张拉以消除索体内的初始缺陷。为获得更为准确的数据，还可以在该工序阶段利用本发明装置对每条成品索采集多组应变—拉力相关数据。得到稳定的弹性杆应变ε和拉索索力F之间的试验关系曲线后，再对公式(7)所得理论曲线进行校核和标定，以保证测量数据的准确性、科学性和实用性。
Claims (7)
1.一种全天候拉索索力测量方法，其特征在于，拉索总索力F总通过公式(1)计算所得；
其中，ε为弹性杆轴向应变，由大量程表面应变计测得；E为弹性杆钢材弹性模量，I(1)为耳板弯折段惯性矩，A(1)为耳板弯折段截面积，α为耳板弯折段与水平方向的夹角，k为弹性杆等效弹簧刚度，L为耳板竖直段间的距离，h为耳板弯折段竖向投影长度，I为耳板截面惯性矩；P为由索力F引起在单片耳板上的轴力；
全天候拉索索力测量方法的装置包括弹性杆、大量程表面应变计、折角耳板、销轴和索头杯口；所述拉索与索头杯口连接，索头杯口与折角耳板连接；折角耳板由沿拉索中心轴线对称设置的一对耳板弯折段和竖直段连接组成；折角耳板的两耳板竖直段通过销轴连接；折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α，在折角耳板的弯折处设置弹性杆，弹性杆上设有大量程表面应变计；折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α取值为45°～75°。
2.根据权利要求1所述的全天候拉索索力测量方法，其特点在于：所述的大量程表面应变计为DP-4000光纤光栅大量程表面应变计。
3.根据权利要求1所述的全天候拉索索力测量方法，其特征在于：所述大量程表面应变计设置在弹性杆的中心点下表面或上表面。
4.根据权利要求1所述的全天候拉索索力测量方法，其特征在于：所述弹性杆的材质为钢材。
5.根据权利要求1所述的全天候拉索索力测量方法，其特征在于：所述折角耳板的耳板弯折段与水平方向形成夹角α取值为60°～70°。
6.根据权利要求1所述的全天候拉索索力测量方法，其特点在于：所述折角耳板的材质为钢材。
7.根据权利要求1所述的全天候拉索索力测量方法，其特征在于，在根据公式(1)得到稳定的弹性杆应变ε和拉索总索力F总之间的试验关系曲线后，再对公式(1)所得理论曲线进行校核和标定。
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| 一种考虑弹性多支承拉索索力求解的有限单元法;王荣辉;甘泉;龚玲玲;李新平;;振动工程学报(第05期);全文 * |
| 王帆 ; 杨叔庸 ; 肖德宝 ; 吴波 ; 孙文波 ; 罗永成 ; .索结构施工监控中的索力测试方法研究.空间结构.2010,(第03期),全文. * |
| 索结构施工监控中的索力测试方法研究;王帆 等;《空间结构》;第64-73页 * |
| 索结构施工监控中的索力测试方法研究;王帆;杨叔庸;肖德宝;吴波;孙文波;罗永成;;空间结构(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108267255A (zh) | 2018-07-10 |
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