CN111323187A - 悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种悬索桥主缆和主索鞍动态接触状态监测装置及方法，该监测装置包括主索鞍主体、振动加载***、索力加载***、应力监测***、主索鞍总摩擦力监测***、主缆滑移监测装置；振动加载***包括索股成型夹具和两个激振器，激振器安装在夹具上，通过激振器的振动来模拟主缆受到的多维力振动。本发明能够实时监测主缆与主索鞍、主缆与隔板以及索股之间的动态接触应力，主缆与主索鞍的总摩擦力，以及主缆的滑移量。测试结果可为主缆底面和侧面摩擦力的准确计算提供一定依据，且本装置可长期使用，具有一定的科学价值与经济效益。

Description

悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置及方法
技术领域
本发明涉及悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置及方法，属于悬索桥技术领域。
背景技术
随着社会发展需求的提高，由于大跨度多塔悬索桥既能实现较大的跨越距离，又具有很好的经济效益，故在桥梁建设中越来越受到人们的青睐。大跨度多塔悬索桥由主缆、悬索、锚碇、索塔、桥面系等部分组成，其中主缆为主要承重构件。主缆通过主索鞍的弧形鞍槽实现跨间的曲线过渡，并与鞍槽底部及鞍槽隔板产生摩擦接触关系；主索鞍需同时承受主缆对鞍槽的竖向压力和由主缆挤压产生的侧向压力。
对于主缆：主缆在工作时不仅要承受巨大的拉力，而且还要承受车辆通过时的动载荷和持续多变的风载荷等，此时主缆将承受变载引起的时变动载荷，进而引起主缆在中塔两侧受力不平衡；
同时主缆受到施工时滞留的雨水、外界雨水和水汽的渗入所导致的腐蚀作用，在多种因素的耦合作用下，从而造成主缆与主索鞍发生动态接触与滑移。
主缆和主索鞍在日复一日的动载荷作用下，必定会产生相应的磨损、腐蚀、变形和滑移失效。当这些失效形式达到一定程度时，悬索桥的安全工作状态会受到很大影响，严重时将导致桥梁的断裂和垮塌。因此实时监测主缆和主索鞍的动态接触应力变化规律及其长期工作状态,是确保桥梁安全稳定的关键。
传统的测试传感技术如应变片等基本能满足一般工程上短期监测的需求，但在大跨度多塔悬索桥所处的持续风载荷和水汽腐蚀等恶劣条件下，传统传感技术自身的很多不足导致其很难实现在桥梁上的应用。
因此，提出悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置及方法，用于探究悬索桥主缆索股与鞍槽之间、索股与隔板之间、索股内部的动态接触应力，主缆与主索鞍之间总的摩擦力，以及主缆在主索鞍上的滑移，进一步对悬索桥钢丝绳疲劳损伤的失效机理和寿命预测具有重要的理论指导意义。
悬索桥主缆与主索鞍动态接触实验装置有：
申请号CN201310398365.X提供了一种用于测试主缆侧向力的试验装置。测力单元由若干传感元件通过螺栓固定于孔板而构成阵列形式,传感元件顶面与平行钢丝直接接触以测试对应处的侧向力。但该专利只能对主缆和主索鞍的侧向力进行监测，不能对主索鞍受到的径向力以及主缆在主索鞍内部的摩擦与滑移进行监测；
发明内容
发明目的：
为了克服现有设备和技术的不足，本发明提供一种悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置及方法。本装置可以实时监测主缆在承受动态载荷过程中，主缆索股对主索鞍和隔板的接触应力，以及主缆与主索鞍间的总摩擦力和主缆在主索鞍内部的滑移。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置，包括：
试验台座，试验台座上固定连接有主索鞍；
振动加载机构，用于模拟主缆受到的多维力振动，包括：主缆夹具和激振器，其中，所述主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上；
索力加载机构，用于实现索力加载，包括：穿心式千斤顶和锚固螺母，其中，主缆两端与拉杆销接，拉杆穿过穿心式千斤顶，拉杆另一端用锚固螺母拧紧；
摩擦力监测机构，用于监测主缆与主索鞍间的摩擦力，包括电阻应变片、全桥电路和放大器，其中，所述电阻应变片包括多组，分别是：
第一电阻应变片，包括两组，两组第一电阻应变片对称设置在主索鞍的鞍槽槽壁两侧；
第二电阻应变片，包括两组，两组第二电阻应变片设置在主索鞍的鞍槽槽底且沿槽宽方向对称设置；
每一组电阻应变片包含四个应变片，它们组成全桥电路，全桥电路与放大器连接，放大器进一步与指示记录仪连接，指示记录仪经数据传输线与电脑终端连接；
主缆滑移监测机构，用于监测主缆滑移量，包括：两组表式通用长度测量工具、支架和焊接角铁，其中，焊接角铁焊接在主缆上，表式通用长度测量工具连同支架安装在主索鞍上，表式通用长度测量工具的表头与角铁接触；
所述主缆包括若干根光纤传感器和若干根钢丝，所述光纤传感器由FBG光栅经柔性材料封装后放置于金属软管中，并与金属软管组成一体，金属软管与主缆钢丝等直径，封装有光纤传感器的金属软管用于替代一束索股中的某几根钢丝；
在光纤终端连接一个光谱分析仪。
所述主缆包括若干束索股单元，若干束索股单元在所述主索鞍的鞍槽内沿鞍槽宽度方向均匀分割为多列，每列索股之间通过隔板隔开，光纤传感器在每束索股单元中的底层左侧边缘以及底层中央各布置一个。
所述表式通用长度测量工具为百分表。
一种基于所述悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置对主缆与主索鞍间的摩擦力进行监测的方法，主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上，利用激振器的振动模拟主缆受到的多维力振动；
将组成主缆的所有索股视为一个整体，当主缆与主索鞍发生相对滑移时，它们之间产生的总摩擦力的方向将与鞍槽圆弧面相切，对主索鞍进行受力分析，将总摩擦力分解为水平方向上的摩擦分力Fx与竖直方向上的摩擦分力Fy，水平方向上的摩擦分力Fx将对主索鞍产生一个逆时针方向的弯矩，竖直方向上的摩擦分力Fy将对主索鞍产生竖直方向的压应力；通过所述第一电阻应变片测量竖直方向上的摩擦分力Fy；通过所述第二电阻应变片测量水平方向上的摩擦分力Fx。
主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上，利用激振器的振动模拟主缆受到的多维力振动；
通过读取所述表式通用长度测量工具的读数得到主缆滑移量。
主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上，利用激振器的振动模拟主缆受到的多维力振动；
光经过FBG光栅时其波长、频率发生变化，所述光谱分析仪检测到光波长的变化，进一步将波长信号输入到信号分析设备，建立波长信号与应力信号的对应关系，即实现应力检测。
所述主缆和主索鞍水平方向上的摩擦分力Fx通过如下公式得到：
Fx＝Σx×Sx，其中，Σx为主索鞍鞍槽与主缆在水平方向上总的接触应力，Sx为主索鞍鞍槽与主缆在水平方向上的总接触面积；
所述主缆和主索鞍竖直方向上的摩擦分力Fy通过如下公式得到：
Fy＝Σy×Sy,其中，Σy为主索鞍鞍槽与主缆在竖直方向上总的接触应力，Sy为鞍槽与主缆在y方向上的总接触面积。
有益效果：
本发明提供了一种悬索桥主缆和主索鞍动态接触状态监测装置，通过将含有FBG的光纤传感器与普通钢丝组合成主缆索股，实时监测主缆与主索鞍、隔板间的接触应力；
通过构建的电阻应变电路，监测主缆与主索鞍间的摩擦力；
通过主缆索股上安装的百分表，监测主缆在主索鞍内部的滑移量，判断主缆与主索鞍的接触与滑移状态。
附图说明
图1为本发明专利结构的主视图；
图2为图1中A-A向视图；
图3为图2中的Ⅰ处局部放大图；
图4为图1中的Ⅱ处局部放大图；
图5为图1中的局部B向视图；
图6为图5中的Ⅲ处的局部放大图；
图7为光纤传感器的内部结构图；
图8为主缆与主索鞍摩擦力分解图。
图中：1、穿心式千斤顶；2、索股；3、主索鞍；4、激振器；5、主缆夹具；6、试验台座；7、隔板；8、光纤传感器；9、钢丝绳；10、百分表支架；11、焊接角铁；12、百分表；13、应变片；14、金属软管；15、护套；16、封装管；17、FBG；18、光纤。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的解释。
如图1所示，一种悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置，包括试验台座6，主索鞍3，索股2，振动加载***，索力加载***，应力监测***，摩擦力监测***，滑移监测装置。
所述振动加载***包括：主缆夹具5和激振器4，主缆夹,5固定在主缆上将主缆整形，激振器4固定在主缆夹具5上，利用激振器4的振动模拟主缆受到的多维力振动。
所述索力加载***包括：穿心式千斤顶1，锚固螺母，主缆两端与拉杆销接，拉杆穿过穿心式千斤顶1，拉杆另一端用锚固螺母拧紧，利用穿心式千斤顶1实现索力加载。
如图3所示，所述应力监测***包括：若干光纤传感器，用光纤传感器替代一束索:2中的某几根钢丝。光纤传感器直接与鞍槽、隔板以及钢丝接触，其敏感部分FBG光栅可将应力应变信号转化为电信号，从而测得相应位置处的应力应变。
如图5和图6所示，所述摩擦力监测***包括：电阻应变片、全桥电路和放大器，其中，所述电阻应变片包括多组，分别是：第一电阻应变片，包括两组，两组第一电阻应变片对称设置在主索鞍的鞍槽槽壁两侧；第二电阻应变片，包括两组，两组第二电阻应变片设置在主索鞍的鞍槽槽底且沿槽宽方向对称设置；
每一组电阻应变片包含四个应变片，它们组成全桥电路，全桥电路与放大器连接，放大器进一步与指示记录仪连接，指示记录仪经数据传输线与电脑终端连接；
将组成主缆的所有索股视为一个整体，当主缆与主索鞍发生相对滑移时，它们之间产生的总摩擦力的方向将与鞍槽圆弧面相切。对主索鞍进行受力分析，可将总摩擦力分解为水平方向上的摩擦分力Fx与竖直方向上的摩擦分力Fy(如图8所示)，Fx将对主索鞍产生一个逆时针方向的弯矩，Fy将对主索鞍产生竖直方向的压应力。在主索鞍的两个侧面靠近鞍槽位置分别粘贴两组电阻应变片，以测量Fy；在主索鞍鞍槽内部两竖面的底部开槽，将两组应变片粘贴于槽内，以测量Fx。由电阻应变仪得到所测位置处的接触应力σx与σy，将σx与σy沿着鞍槽圆弧面积分，得到主索鞍鞍槽与主缆总的接触应力Σx和Σy，积分公式为：
Σx＝∫σxds,Σy＝∫σyds,其中ds为单位接触面积；
Fx＝Σx×Sx,Fy＝Σy×Sy,其中Sx为鞍槽与主缆在x方向上的总接触面积，Sy为鞍槽与主缆在y方向上的总接触面积。
故鞍槽与主缆之间的总摩擦力F＝Fx+Fy。
所述主缆滑移监测***包括：两组百分表12、百分表支架10、焊接角铁11，其中，焊接角铁11焊接在主缆上，百分表12连同百分表支架10安装在主索鞍上，百分表12表头与焊接角铁11接触，通过百分表12读数得到主缆滑移量。
本实施例中，光纤传感器由FBG光栅经柔性材料封装后放置于金属软管中，并与金属软管组成一体，金属软管与主缆钢丝等直径。在一根光纤传感器中可设置多处FBG感应点，实现对鞍槽多个位置接触应力的监测。
本实施例中，光纤传感器在每束索股中的底层左侧边缘以及底层中央各布置一个，在每束索股第五层左侧边缘布置一个，在每束索股第四层中央位置布置一个。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置，其特征在于，包括：
试验台座，试验台座上固定连接有主索鞍；
振动加载机构，用于模拟主缆受到的多维力振动，包括：主缆夹具和激振器，其中，所述主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上；
索力加载机构，用于实现索力加载，包括：穿心式千斤顶和锚固螺母，其中，主缆两端与拉杆销接，拉杆穿过穿心式千斤顶，拉杆另一端用锚固螺母拧紧；
摩擦力监测机构，用于监测主缆与主索鞍间的摩擦力，包括电阻应变片、全桥电路和放大器，其中，所述电阻应变片包括多组，分别是：
第一电阻应变片，包括两组，两组第一电阻应变片对称设置在主索鞍的鞍槽槽壁两侧；
第二电阻应变片，包括两组，两组第二电阻应变片设置在主索鞍的鞍槽槽底且沿槽宽方向对称设置；
每一组电阻应变片包含四个应变片，它们组成全桥电路，全桥电路与放大器连接，放大器进一步与指示记录仪连接，指示记录仪经数据传输线与电脑终端连接；
主缆滑移监测机构，用于监测主缆滑移量，包括：两组表式通用长度测量工具、支架和焊接角铁，其中，焊接角铁焊接在主缆上，表式通用长度测量工具连同支架安装在主索鞍上，表式通用长度测量工具的表头与角铁接触；
所述主缆包括若干根光纤传感器和若干根钢丝，所述光纤传感器由FBG光栅经柔性材料封装后放置于金属软管中，并与金属软管组成一体，金属软管与主缆钢丝等直径，封装有光纤传感器的金属软管用于替代一束索股中的某几根钢丝；
在光纤终端连接一个光谱分析仪。
2.根据权利要求1所述的悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置，其特征在于，所述主缆包括若干束索股单元，若干束索股单元在所述主索鞍的鞍槽内沿鞍槽宽度方向均匀分割为多列，每列索股之间通过隔板隔开，光纤传感器在每束索股单元中的底层左侧边缘以及底层中央各布置一个。
3.根据权利要求1所述的悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置，其特征在于，所述表式通用长度测量工具为百分表。
4.一种基于权利要求1～3中任一所述悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置对主缆与主索鞍间的摩擦力进行监测的方法，其特征在于，
主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上，利用激振器的振动模拟主缆受到的多维力振动；
将组成主缆的所有索股视为一个整体，当主缆与主索鞍发生相对滑移时，它们之间产生的总摩擦力的方向将与鞍槽圆弧面相切，对主索鞍进行受力分析，将总摩擦力分解为水平方向上的摩擦分力Fx与竖直方向上的摩擦分力Fy，水平方向上的摩擦分力Fx将对主索鞍产生一个逆时针方向的弯矩，竖直方向上的摩擦分力Fy将对主索鞍产生竖直方向的压应力；通过所述第一电阻应变片测量竖直方向上的摩擦分力Fy；通过所述第二电阻应变片测量水平方向上的摩擦分力Fx。
5.一种基于权利要求1～3中任一所述悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置监测主缆滑移量的方法，其特征在于，
主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上，利用激振器的振动模拟主缆受到的多维力振动；
通过读取所述表式通用长度测量工具的读数得到主缆滑移量。
6.一种基于权利要求1～3中任一所述悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置监测主缆应力的方法，其特征在于，
主缆夹具固定在主缆上将主缆整形，激振器安装在夹具上，利用激振器的振动模拟主缆受到的多维力振动；
光经过FBG光栅时其波长、频率发生变化，所述光谱分析仪检测到光波长的变化，进一步将波长信号输入到信号分析设备，建立波长信号与应力信号的对应关系，即实现应力检测。
7.一种基于权利要求4中所述悬索桥主缆与主索鞍动态接触状态监测装置监测主缆应力的方法，其特征在于，
所述主缆和主索鞍水平方向上的摩擦分力Fx通过如下公式得到：
Fx＝Σx×Sx，其中，Σx为主索鞍鞍槽与主缆在水平方向上总的接触应力，Sx为主索鞍鞍槽与主缆在水平方向上的总接触面积；
所述主缆和主索鞍竖直方向上的摩擦分力Fy通过如下公式得到：
Fy＝Σy×Sy,其中，Σy为主索鞍鞍槽与主缆在竖直方向上总的接触应力，Sy为鞍槽与主缆在y方向上的总接触面积。
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