橋梁用智能纜索的製作方法

2023-09-22 17:05:40

專利名稱：橋梁用智能纜索的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種可適用於斜拉橋、懸索橋、拱橋等纜索承重結構的智能纜索系統。
背景技術：
纜索系統是斜拉橋和懸索橋的核心構件，纜索的受力情況是反映橋梁是否處於正常營運狀態的重要標誌之一，對纜索索力監測具有重要意義。目前工程中常用的索力測試方法有壓力傳感器法、振頻法、磁彈性法。但是這些方法都是屬於纜索體外監測方式，且在實際工程使用時均有不足之處。將應變傳感元件在纜索製作過程中植入拉索中，使纜索從單純承力的構件上升成為具有自動感知能力的智能纜索，無需增加外部檢測構件，可實現纜索從出廠、運輸、施工、運營階段的全過程索力監測。智能纜索的實現具有重要的社會意義與經濟價值。而要實現智能纜索的目標，其核心關鍵是如何在不影響纜索原有的力學與理化性能的前提下，既不影響纜索原有的製造工藝，又保證光纖光柵及其傳輸光纖在纜索製造及應用過程中的成活率，還保證光纖光柵傳感器的長期可靠性。近年來已有多種智能纜索的報導，但光纖光柵-纖維增強塑料複合筋的方案是最為成功的一種。光纖光柵-纖維增強塑料複合筋的方案是事先製作出一根與纜索中的鋼絲尺寸相同的纖維增強塑料複合筋，並在纖維增強塑料複合筋的製作過程中植入光纖光柵傳感器，以利用纖維增強塑料複合筋作為光纖光柵的保護套。然後再在拉索的製造過程中，將一根鋼絲用光纖光柵-纖維增強塑料複合筋代替，並與其餘鋼筋一起扭絞、成纜，以纖維增強塑料複合筋將纜索的索力傳遞給光纖光柵。顯然此種方法是用纖維增強塑料複合筋既作為光纖光柵的保護結構、又作為索力的傳力機構。即它既確保了光纖光柵及其傳輸光纖在纜索製造及應用過程中的成活率，還保證了光纖光柵傳感器的測量的準確性。但是它在對纜索的力學性能、製造工藝方面有一定影響。此外複合筋材料為有機材料，存在明顯的各向異性特性，長期受力較易發生蠕變， 長期可靠性尚待考察。

發明內容
本發明的目的在於克服上述不足，提供一種提高光纖光柵及其傳輸光纖在纜索製造及應用過程中的成活率，保證傳感器的敏感度，同時兼顧傳感器的長期可靠性的智能纜索系統。本發明的目的是這樣實現的一種橋梁用智能纜索，包括錨杯、分絲板、連接筒、內置於連接筒部位的金屬化的光纖光柵傳感器以及索體，在所述分絲板上穿孔，在所述連接筒和錨杯內預先埋入預留鋼管，該預留鋼管由所述分絲板上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調儀，其特點是將金屬化的光纖光柵傳感器通過低溫鍵合方式固定於連接筒部位的外層鋼絲上。本發明橋梁用智能纜索，所述金屬化的光纖光柵傳感器，是指是將光纖光柵經過金屬鍍膜工藝處理，構成金屬化的光纖光柵傳感器；所述金屬低溫鍵合方式是指利用兩根連續送進的金屬原材作為自耗電極，在其端部產生電弧作為熱源，用定向壓力場將熔化了的金屬絲材霧化，並以超音速噴向連接筒部位的鋼絲形成金屬鍵合膜層的光纖光柵金屬化連接方法。光纖光柵表面進行鍍膜處理有兩個目的為後續的金屬化連接工藝在光纖表面提供金屬基層；增強光纖的機械強度，進而提高光纖光柵的應變測量能力。鍍膜能夠提高光纖光柵的應變測量量程的原因在於光纖光柵的極限機械強度與光纖光柵表面的裂紋擴散長度有直接關係。通過在光纖表面鍍膜，可利用金屬膜對光纖的握裹作用，大大降低應力對光纖光柵表面裂紋擴散效益的影響，提高光纖光柵的機械強度，從而最終提高光纖光柵應變測量量程。將金屬化的光纖光柵傳感器固定在連接筒部位的外層鋼絲上，向光纖光柵傳感器、連接筒部位的外層鋼絲噴射高能氣化金屬微粒，高能氣化金屬微粒冷卻後形成將金屬化的光纖光柵傳感器和連接筒部位的外層鋼絲完全包裹的金屬結合體，使金屬化的光纖光柵傳感器與索內鋼絲有效結合為一體。通過監測光纖光柵中心波長的變化，可實現對纜索的整體受力情況及纜索內鋼絲的應力分布狀況進行實時監測。鍵合指同質金屬在高溫、高壓情況下同質金屬中離子鍵級作用的一種工藝，鍵合的溫度可達幾百甚至一千多度。由於光纖光柵器件本身承受溫度的能力有限，所以開發的技術溫度僅為200度左右，整個過程是在此低溫狀態下完成，通過金屬結合體中微粒間的鍵合力將金屬化的光纖光柵傳感器與索體內鋼絲緊密結合為一體。金屬化的光纖光柵傳感器與鋼絲之間的連接固定方式是關鍵技術。已有的固定連接方式是膠粘或機械連接的方式，本發明提供了一種金屬低溫鍵合技術，通過金屬結合體中微粒間的鍵合力，使纜索鋼絲、金屬化後的光纖光柵和金屬鍵合材料結合為一體，從而替代環氧粘結劑，達到使光纖光柵傳感器與索內鋼絲緊密融合、協同變形的目的。由於這種方法使光纖光柵與纜索鋼絲融為一個整體，取消了應力傳遞的中間環節，使得光纖光柵可以不經任何機械轉換機構或者中間粘接劑進行應力傳遞而直接感受纜索鋼絲的應力，實現智能纜索的索力測量目標，因此大幅度消除了表面粘接、裝架工藝中，不同材料特性差異帶來的應力集中、材料蠕變等問題，大大提高界面間力學傳遞的精確性與穩定性，提高了測力精度。此方案具有應力測量準確度高、可靠性好、壽命長的特點。本發明的有益效果是
本發明提供一種在纜索內部植入光纖光柵傳感器的智能纜索系統。採用金屬低溫鍵合技術，在纜索的連接筒部位將鍍膜光纖光柵與纜索的鋼絲有效結合為一體，通過外接光纖光柵解調儀，測量光纖光柵中心波長的變化，可對纜索的受力狀態進行監測。採用鍍膜工藝將光纖光柵金屬化，在提供了光纖光柵封裝的同時又大大提高了其應變極限範圍；採用金屬低溫鍵合技術將具備大應變測量能力的光纖光柵固定在纜索鋼絲上，大大提高界面間力學傳遞的精確性與穩定性，提高了測力精度。


圖1為本發明的光纖光柵金屬化處理工藝示意圖。圖2為常用纜索的結構示意圖。圖3為本發明的纜索分絲板截面示意圖。圖4為本發明的纜索內預留鋼管示意圖。圖5為氣化金屬微粒定向加速噴射示意圖。圖6為本發明的低溫鍵合技術原理示意圖。圖7為本發明的金屬化的光纖光柵傳感器與鋼絲固定連接示意圖。圖8為本發明橋梁用智能纜索結構示意圖。圖中附圖標記
錨杯1、環氧鑄錨填料2、鋼絲3、連接筒4、分絲板5、孔5-1、連接筒密封填料6、索體7、 預留鋼管8、金屬化的光纖光柵傳感器9、金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖10、傳感元件11、 被測鋼絲12、鍍膜層13、定向加速高能氣化金屬微粒14、水浴鍋15、水16、第一固定架17、 第二固定架18、FBG19、膠粘物20、光纖光柵的柵區部分21、燒杯22。
具體實施例方式
大應變光纖光柵的金屬化封裝工藝有化學鍍、真空鍍等方式，形成金屬化的光纖光柵傳感器。圖1為本發明的光纖光柵金屬化處理工藝示意圖。常用纜索的結構示意圖如圖2所示，該纜索由錨杯1、環氧鑄錨填料2、鋼絲3、連接筒4、分絲板5、連接筒密封填料6和索體7組成。在纜索的分絲板5上預留幾個孔5-1，如圖3所示。將預留鋼管8穿過預留的孔5-1內，為金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖10引出預留通道，如圖4所示。對預留鋼管8的要求是能夠承受一定的折度和灌環氧鑄錨填料2時需承受的側向壓力。向錨杯1內灌入環氧鑄錨填料2，將錨杯1放入加熱爐內加熱固化，使錨杯與內部的鋼絲成為一體。在灌錨工序結束後，將金屬化的光纖光柵傳感器9採用低溫鍵合技術鍵合在連接筒外層的鋼絲3表面，使金屬化的光纖光柵傳感器9與連接筒部位的外層鋼絲有效地結合為一體，從而使鋼絲3上所受的力有效地傳遞到金屬化的光纖光柵傳感器上。如圖5、6所示，金屬化的光纖光柵傳感器與鋼絲固定連接示意圖如圖7所示。將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管8從纜索中引出，套上連接筒4，灌入連接筒密封填料6，進行連接筒的常溫固化環節。最終的智能纜索結構示意圖如圖8所示。將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調儀，通過監測光纖光柵中心波長的變化，可對纜索的整體受力狀況進行實時監測。參見圖8，圖8為本發明橋梁用智能纜索結構示意圖。由圖8可以看出，本發明橋梁用智能纜索結構，包括錨杯1、分絲板5、連接筒4、內置於連接筒部位的光纖光柵傳感器以及索體7，將光纖光柵傳感器進行金屬化處理，然後再通過低溫鍵合技術將其固定於連接筒4部位的外層的鋼絲3上，在所述分絲板5上穿孔，在所述連接筒4和錨杯1內預先埋入預留鋼管，該預留鋼管由所述分絲板5上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調儀。通過監測光纖光柵中心波長的變化，可實現對纜索的整體受力情況及纜索內鋼絲的應力分布狀況進行實時監測。所述光纖光柵傳感器金屬化處理方法是將大應變光纖光柵經過金屬鍍膜工藝處理，形成金屬化的光纖光柵傳感器。
所述金屬低溫鍵合技術是
利用兩根連續送進的鋅作為自耗電極，在其端部產生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化了的鋅絲霧化，並以超音速噴向鋼絲形成一種塗層的熱噴塗方法。所述金屬化的光纖光柵傳感器9的個數為1個或多個，各個金屬化的光纖光柵傳感器9分別與不同的單根鋼絲3固定。本發明橋梁用智能纜索，所述鍍膜，是指利用化學鍍或真空鍍等方法，在光纖傳感元件表面形成金屬鍍層的一種方法。膜層的厚度一般為幾十 幾百微米。
權利要求
1.一種橋梁用智能纜索，包括錨杯(1)、分絲板(5)、連接筒(4)、內置於連接筒部位的金屬化的光纖光柵傳感器(9)以及索體(7)，在所述分絲板(5)上穿孔，在所述連接筒(4) 和錨杯(1)內預先埋入預留鋼管，該預留鋼管由所述分絲板(5)上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖(10)接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管從纜索中引出，將從纜索中弓丨出的光纖線纜接入一光纖光柵解調儀，其特徵在於將金屬化的光纖光柵傳感器(9)通過低溫鍵合方式固定於連接筒(4)部位的外層鋼絲(3)上。
2.根據權利要求1所述的一種橋梁用智能纜索，其特徵在於所述金屬化的光纖光柵傳感器，是指是將光纖光柵經過金屬鍍膜工藝處理，構成金屬化的光纖光柵傳感器；所述金屬低溫鍵合方式是指利用兩根連續送進的金屬原材作為自耗電極，在其端部產生電弧作為熱源，用定向壓力場將熔化了的金屬絲材霧化，並以超音速噴向連接筒部位的鋼絲形成金屬鍵合膜層的光纖光柵金屬化連接方法。
3.根據權利要求1或2所述的一種橋梁用智能纜索，其特徵在於所述金屬化的光纖光柵傳感器(9)的個數為1個或多個，如為多個則各個金屬化的光纖光柵傳感器(9)分別與不同的單根鋼絲(3)固定。
全文摘要
本發明涉及一種橋梁用智能纜索，可適用於斜拉橋、懸索橋、拱橋等纜索承重結構。包括錨杯(1)、分絲板(5)、連接筒(4)、內置於連接筒部位的金屬化的光纖光柵傳感器(9)以及索體(7)，在所述分絲板(5)上穿孔，在所述連接筒(4)和錨杯(1)內預先埋入預留鋼管，該預留鋼管由所述分絲板(5)上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖(10)接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調儀，將金屬化的光纖光柵傳感器(9)通過低溫鍵合方式固定於連接筒(4)部位的外層鋼絲(3)上。本發明保證光纖光柵及其傳輸光纖在纜索製造過程中的成活率、纜索大應變測試有效性，提高智能纜索測力精度與穩定性。
文檔編號G01L1/24GK102392414SQ20111025576
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者劉浩, 劉禮華, 劉立, 吉俊兵, 吳俊 , 周祝兵, 張恩隆, 趙霞, 陳偉民 申請人:江蘇法爾勝泓昇集團有限公司, 重慶大學