光纤光栅智能钢绞线拉索的研制与试验研究.docx

第 40 卷第 2 期 2009 年 2 月vol40 no2feb 2009建筑技术architecture technology155光纤光栅智能钢绞线拉索的研制与试验研究张鹏1， 吴秋凡1， 邓年春2， 韦永乐1， 董健苗1(1广西工学院土木建筑工程系，545006 广西柳州; 2柳州欧维姆机械股份有限公司，545005 广西柳州)摘 要: 提出在钢绞线拉索中采用直接增加frp-ofbg筋或增加光纤光栅智能钢绞线的办法， 实现光纤光 栅传感器对钢绞线拉索的应力应变测量，并制成实体索进行试验研究，结果表明，该方法可行、有效，采用光栅传 感器测量拉索应变精度较高。关键词: 钢绞线拉索；光栅传感器；纤维增强塑料筋（frp）中图分类号：tu378.2文献标志码：a文章编号：1000-4726（2009）02-015503development and test study of smart ofbg strand cablezhang peng1,wu qiufan1,deng nianchun2，wei yongle，dong jianmiao(1.department of civil engineering, guangxi university of technology, 545006 liuzhou guangxi,china;2. liuzhou ovm machinery co., ltd.，545005 liuzhou guangxi,china)abstract: it is presented that smart strand stay cable can be obtained by installing frp-ofbg bar in stay cable or by added smart strand. the smart strand is made by frp-ofbg bar replacing the middle wire of normal strand. the manufacture techniques adding frp -ofbg bar to stay cable is investigated. full -scale specimens are manufactured and used for experiment. the specimen tests are carried and the experimental re -sults show that the measure method is reliability and is a high precise measurement.keywords： strand cable；optical fiber bragg grating（ofbg）； fiber reinforced polymer (frp)拉索是缆索支承桥梁的核心构件之一， 且全部布 置在梁体外部， 受外界环境、 动静荷载作用等因素影 响，容易生锈腐蚀和疲劳损伤，其服役期往往比设计寿 命短得多。 如何实现拉索服役期间工作状态的实时监 测，确保其使用期内的安全，已成为拉索技术发展的关 键之一。传统的传感器都存在着某些方面的缺陷，而光 纤光栅传感技术则具有线性程度高、重复性好，可对结 构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量 的优点，比较适合结构的健康监测，将光纤光栅与钢绞 线拉索结合是值得研究的课题， 具有广阔的应用前 景。1frp-ofbg筋与拉索监测方案光纤光栅是折射率沿光纤轴线发生周期性变化的 一小段光纤纤芯， 它可将入射光中某一特定波长的光 部分或全部反射， 利用测量栅格反射波长的移动来实 现结构应力和温度测量；但光纤光栅的材质比较脆弱，容易被损坏，使用时最好采取封装措施对其进行保护， 而采用纤维增强塑料（frp）筋植入光纤光栅就是一种 较好的封装方式。 frp筋具有轻质高强，抗疲劳，耐腐 蚀，易加工，材料力学性能线性等优异特性。 在frp筋 制备过程中， 在筋的中间位置且沿长度方向埋入光纤 光栅（ofbg），制成的frp-ofbg筋兼有frp筋良好的 力学性能和耐腐蚀性能以及光栅传感器的传感特性， 彻底克服了光栅脆弱、布设困难等缺点，大大提高了耐 久性。采用光纤光栅测量钢绞线拉索应力应变， 可使用 在索中直接增加frp-ofbg筋和增加光纤光栅智能钢 绞线的办法来实现。 直接增加gfrp-ofbg筋，需要在 索体加工成型时，放入frp-ofbg筋，制成光纤光栅智 能索体，为使索体张拉过程中传感筋与钢丝同步变形， 须使用夹具将传感筋与钢丝绑在一起； 光纤光栅智能 钢绞线用frp-ofbg筋替换普通钢绞线的中丝得到。 钢绞线拉索中， 可用光纤光栅智能钢绞线替换部分普 通钢绞线，利用同步协调变形实现整个拉索测量。收稿日期：2008-10-16.基金项目：国家自然科学基金（50768002）、广西技术研究与开发项目（桂 科合0815007-1-10）、广西自然科学基金 （桂科自0728044）和柳州市 科学研究与技术开发计划项目（2007021303）。作 者 简 介 ： 张 鹏 （1967）， 男 ， 湖 南 醴 陵 人 ， 广西学院土建筑 工 程 系 ， 教 授，博士，广西柳州东环路268号，545006，email：gxutzp126com2光栅智能索的制作采用将gfrp-ofbg筋与拉索中的钢绞线等长成 型， 并将同一根智能筋两端固定到同一根钢绞线上的 方法， 制作3根约5m长的7丝光纤光栅钢绞线智能索，156建 筑 技 术第 39 卷见图1。 索体内钢绞线为环氧树脂喷涂无粘结筋，直径 为15.2 mm。 每根索体内均放1根直径7mm的智能筋，每 根智能筋中埋了2个光栅。 钢绞线智能索的制作过程 为：（1） 无粘结钢绞线和gfrp-ofbg筋两者等长粗下 料；（2） 将gfrp-ofbg筋与钢绞线同时放入排丝架；（3）索体成型过程中，埋入gfrp-ofbg筋；（4）索体成 型并缠包纤维增强聚酯带；（5）热挤聚乙烯(pe)护套， 形成索体；（6）索体精确下料，剥去两端锚固段pe，并 清洗钢丝; （7）对gfrp-ofbg筋中光纤进行引线，焊 接传输光缆；（8） 用粘结胶将gfrp-ofbg筋的两端固 定在同一根钢绞线上；（9）粘结胶固化后，安装锚具，穿 光纤传输线；（10）锚具内灌注环氧砂浆，进一步固定智 能筋。为检验粘结夹具的夹持效果， 进行5组夹持试验。 试验过程是用粘结夹具对直径7 mm的gfrp筋与环氧 喷涂钢绞线进行夹持，夹持长度为25 cm，放置1 d待粘 结胶固化后安装到拉索静载试验台座上进行试验，逐 步分级张拉。 结果表明，施加到钢绞线的90%极限荷载 时，未见智能筋与钢绞线之间有滑移，说明夹持效果很 好，能保证frp-ofbg筋与钢绞线同步变形。3 光栅智能索测验根据张拉台座的长度， 对索体两端剥开合适长度 的索体pe和钢绞线外小pe，用丙酮将钢绞线外黄油擦 洗干净后， 进行智能筋引线。 利用粘结夹具将gfrp- ofbg筋固定在索体的同一根钢绞线上，夹持长度为30 cm。 索体放置7 d后，将其装在试验台架上，进行试验， 见图2。试验加载过程为， 先加载至30%公称破断索力pb 进 行 预 张 拉 ， 然 后 卸 载 至 0.05pb； 由 0.05pb 开 始 ， 每 级图 2 光纤光栅钢绞线智能索试验装置0.05pb，加载速度不大于100mpa/min，持荷5 min后记录 光栅读数和索长的变化， 逐级加载至0.35， 持荷5 min2009 年第 2 期张鹏，等：光纤光栅智能钢绞线拉索的研制与试验研究157后，卸载至0.05pb；由0.05pb开始，每级0.05pb，持荷5 min 后记录数据，逐级加载直到所有的光栅读数消失。 1号 索1号光栅的光栅中心波长与拉索应力关系见图3，从 图中可以看出， 光栅中心波长与锚固力传感器测出的 应力之间的线性关系很好，试验结果的重复性也很好。 钢绞线智能索的测试结果见表1，钢绞线拉索的极限应 力为1 860 mpa。 由表中结果可知，gfrp-ofbg传感器 监测钢绞线拉索应力可达到 70%80% 公 称 破 断 索 力。表1 钢绞线智能索测试结果索 号123智能筋号1112光栅号121211光栅监测应力 mpa1337.51337.5123612871128.21435.2传感器极限应变 7666751371787168698480304 光栅光栅智能钢绞线的试验研究钢绞线智能索还可通过增加光纤光栅智能钢绞线 的办法得到， 这种智能钢绞线是用frp-ofbg筋替换 普通钢绞线的中丝得到的。 将智能钢绞线在拉索试验 台座上进行静载试验，研究其传感性能和锚固性能。试 验过程中，采用普通钢绞线夹片夹持钢绞线，光栅解调 采用si425光栅解调仪。试验加载过程为： 先施加30%公称破坏索力进行 预张拉，然后退回到5%公称破坏索力，再进行逐级张 拉至40%公称破坏索力，再次退回到第1级索力，最后 再进行逐级张拉，直到钢绞线破坏，并记录光栅无读数 时荷载值。 试验结果见图4和图5。 试验结果表明，智能钢绞线的承载力与不计frp-ofbg强度的钢绞线的承 载力基本相同， 破坏形式为frp-ofbg筋在夹片位置 挤压破坏后，钢绞线不滑丝并在中间位置破坏；在感知 特性方面，智能钢绞线的感知线性度和重复性均较好， 并可监测到钢绞线的70%以上公称破坏力。5结论光纤光栅钢绞线智能拉索可采取两种方法得到： 一种是在索中直接增加frp-ofbg筋， 另一种是增加 光纤光栅智能钢绞线。 采取直接增加frp-ofbg筋的 办法，制作3根试验索进行试验，研究结果表明gfrp- ofbg筋的测量量程为7000微应变左右，监测拉索应力 可达到60到80%公称破断索力时的应力值。 光纤光 栅智能钢绞线可采用frp-ofbg筋替换普通钢绞线的 中丝得到。 研究结果表明，在感知特性方面，智能钢绞 线的感知线性度和重复性都比较好， 并可监测到钢绞 线的70%以上公称破坏力，说明上述方法是可行、有效 的。参考文献1 龙跃, 左毅, 吴秋凡, 等. 拱桥拉索病害研究与对策. 桥梁建设, 2005, (3): 70-73.2 张伟刚, 梁龙彬, 赵启大,等. 光纤光栅与电阻应变片应变测量的对比分析. 传感技术学报, 2001, (3)3 z zhou, j p ou, b wang. smart frp -ofgb bars and their application in reinforced concrete beams. proceedings of the first international conference on structural health monitoring and intelligent structure, 2003, tokyo, japan: 861-866.