一种锚索压力测量装置及其测试方法与流程

1.本发明涉及一种测量锚索索力的索力传感器，具体的为一种在单孔以及多空锚具锚索体系中应用的光纤光栅索力传感器。


背景技术：

2.锚索体系广泛的应用于桥梁、大跨空间结构、边坡等，以及各类预应力结构中。为能保证工程质量及安全，能有效测出锚索的索力尤为必要，测出索力的首要问题是提供一种对索力变化敏感的、实用的传感器。其次，由于锚具受的锚索压力作用并不局限于单一方向，在锚具的各个锚孔内的各锚索的索力不均匀的情况下，索力传感器的传力结构和传感元件需要具备能够对各锚索协同变形的能力，在准确测量各锚索的基础上进而输出整体锚索压力。此外，对于大吨位锚索体系锚索力量程大、索体轴向变形大，需要索力传感器具备稳定、高刚度的传力结构来满足长期、持续的大量程压力监测。特别是对于桥梁的锚索体系多采用多股拉索的群锚锚具，尤其重视不均匀索力以及实时索力监测的需求，对于索力传感器的有效性、通用性、稳定性、动态监测性能的要求很高。
3.为此，国内外已研制出多种索力测量装置。公开号为cn cn2362115y的实用新型公开了一种锚杆受力随机检测仪。该仪器采用预先在锚杆螺母和托盘之间安装了弹簧和方垫圈，通过锚杆受力时机构中弹簧作用下触发方垫圈开始转动使触发信号。弹簧是该仪器索力的主要传力结构，而方垫圈是该仪器触发的传感装置。因为方垫圈是预先固化于锚杆螺母和托盘中间，长期使用中不利于修正。此外，公开号为cn 201043922y的实用新型说明书中公开了一种光纤光栅锚杆测量计探头，该仪器采用内外两层套筒的结构，内套筒上粘贴了一个光纤光栅。当锚杆受到的围岩压力传递到内套筒，通过光纤光栅测量锚索压力大小。因为该锚索传感器的传感方式是采用直接测量拉伸变形的方法。对于大吨位锚索体系中，容易发生传感器断裂的问题，难以满足大量程锚索压力或索力稳定测量的要求。特别是对于大量锚索联合使用的群锚锚索体系，各个光纤光栅索力传感器采用串联布设的方式，一旦某个传感器断裂会造成整个监测失效。另外，公开号cn 1632488a公开了一种光纤光栅测力计锚索应力传感器。该传感器采用环形弹性体作为传力结构，将光纤光栅直接焊接在环形弹性体，从而测量锚索传递的压力。因为实际应用中，难以保证安装的锚索与环形弹性体轴向对称，容易产生不均匀索力和通用性差的问题，从而会导致测量误差和降低适用范围。加之环形弹性体承受的压力变形直接传递给光纤光栅传感单元，在长期使用中光纤光栅传感单元自身会发生蠕变漂移，从而导致不可修正的累计测量误差。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述锚索体系的需求和问题，本发明旨在开发一种同时满足不均匀、大吨位索力的长期测量装置及测试方法，测量装置结构满足长期高应力状态承载要求，适用于各种单孔和多孔锚具的锚索体系测量的监测目的。
5.技术方案：
6.本发明首先提供一种锚索压力测量装置，包括：
7.锚具支撑架，所述锚具支撑架为中空结构，在所述锚具支撑架的外侧设置接头；
8.自感知平行对称传力梁组件，所述自感知平行对称传力梁组件由2-n组平行布置自感知传力梁组成，所述自感知传力梁的数目和间距由锚具孔数和规格尺寸决定，其端部固结连接锚具支撑钢架；所述自感知传力梁受到待测锚索系统传递的压力而发生变形，其具有承载功能、测量面上扭转受力全分布感知功能、以及各个梁的轴向弯曲受力感知功能；所述自感知传力梁包括承载梁元件、自感知元件、应变感知元件和温补元件；所述承载梁元件依据锚索压力大小具有反拱结构，当其不受压力作用时处于朝压力相反方向上拱状态，当其受正常工作压力作用时处于水平状态，当其受超出正常压力作用时处于下弯状态；所述自感知元件设置在所述承载梁元件底部；所述应变感知元件布置于承载梁元件下表面，由1-m组应变感知单元组成；所述温补元件为所述应变感知元件提供温度补偿；所述应变感知元件和所述温补元件串联熔接，由所述接头实现数据传输；
9.限位组件，所述限位组件包含与所述应变感知元件位置对应的1-m组垫块元件和限位块元件；所述垫块元件位于所述自感知传力梁上方，支撑待测锚索系统并将待测锚索系统的压力传递至自感知传力梁，垫块元件的数目和位置依据测量对象锚索体系的锚具孔数和索力大小决定；所述限位块元件的数目和位置依据自感知传力梁决定；所述垫块元件与应变感知单元在自感知传力梁上下对称，具有满足将垫块元件下方局部均布荷载、各个垫块元件之间荷载分布、以及自感知传力梁端部反弯受力传递至应变感知单元的功能。
10.本发明还提供一种锚索压力测试方法，包括以下步骤：
11.步骤一：测量并记录所述自感知元件和应变感知元件的初值、各段区间覆盖的标距长度、以及温补元件的温度初值；
12.步骤二：将待测锚索系统放置于锚具支撑钢架的垫块上方；当待测锚索系统植入索力后，测量上步骤所述自感知元件的测量面上扭转分布应变感知元件的弯曲应变分布温补元件的温度应变分布整合后获得自感知传力梁的真实应变分布：
[0013][0014]
其中，εm表示自感知传力梁上第m应变单元的真实应变,i表示自感知平行对称传力梁组件中第i自感知传力梁，m表示第i自感知传力梁上第m应变单元，表示自感知传力梁的材料性质和截面尺寸定义在弯扭组合下应变关系；
[0015]
步骤三：利用自感知传力梁的截面弯矩与刚度、曲率的关系，获得第i自感知传力梁上任意点处的弯矩分布：
[0016][0017]
其中，m
im
表示第i自感知传力梁上第m应变单元位置对应的弯矩均值；(ei)
im
表示第i自感知传力梁上第m应变单元位置对应的抗弯刚度均值；y
im
表示第i自感知传力梁上第m应变单元到中和轴的平均距离；
[0018]
如自感知传力梁上第1及最后应变元件位于反弯范围内第m应变单元的应变εm为负值，如自感知传力梁上第1及最后应变元件不在反弯范围内，反弯范围由梁上应变分布确定；
[0019]
步骤四：根据沿梁方向的斜率变化，判断集中荷载的数目，然后再根据弯矩求解第i自感知传力梁的荷载fi：
[0020]fi
＝f(m
im
,x
im
)
[0021]
其中，x
im
表示第i自感知传力梁上第m应变单元对应的位置；fi表示第i自感知传力梁上的荷载；
[0022]
步骤五：根据上步骤获得的各自感知传力梁对应的荷载，整合获得整体的索力f：
[0023][0024]
其中，ai表示第i自感知传力梁的传力系数。
[0025]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0026]
1)本发明装置的传力结构具有结构设计的反拱结构，能够承受长期高应力状态，满足大吨位锚索体系长期使用要求。
[0027]
2)本发明装置的传感系统是将承受的压力分担到各个传力梁上，再测量各个独立的传力梁上的分力，从而满足大量程的测量要求；此外，各个传力梁包含多组应变传感单元，可以满足高精度的动态索力测量要求。
[0028]
3)本发明装置的由多个传力梁的分力统合而成，提高了测量系统的稳定性，适合不均匀索力测量，且满足一次张拉以及多次分级张拉的索力测量要求。
[0029]
4)本发明装置不受锚具孔数和尺寸大小的限制，适合用于任意尺寸的锚具，其性能稳定，无须专业技术人操作，具有良好的通用性。
[0030]
5)本发明装置对于有特殊监测需求锚索体系可根据锚具尺寸、型号、索力等参数进行结构和规格调制，对于大范围监测需求锚索体系调制定型后可大批量机械加工生产。
附图说明
[0031]
图1是本发明的装置俯视图。
[0032]
图2是本发明的装置底视图。
[0033]
图3是本发明的自感知传力梁剖面图。
[0034]
图4是本发明的不均匀索力下自感知传力梁的应变分布。
[0035]
图5是本发明的侧壁限位槽的局部放大俯视图。
[0036]
图6是本发明的内部预制槽的局部放大底视图。
[0037]
其中：11-侧壁限位槽；12-内部预制槽；13-接头；2-自感知平行对称传力梁组件；21-自感知传力梁；211-承载梁元件；212-自感知元件；213-应变感知元件；214-温补元件；31-垫块元件；32-限位块元件。
具体实施方式
[0038]
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0039]
本实施例提供一种锚索压力测量装置，如图1-图2所示，具有锚具支撑钢架1、自感知平行对称传力梁组件2及限位组件3。该锚具支撑钢架1，为中空结构，其具有侧壁限位槽
11和内部预制槽12，其外侧具备接头13，该接头具有连接自感知平行对称传力梁组件2的信号输入口。
[0040]
自感知平行对称传力梁组件2由2-n组与对称平行布置自感知传力梁21组成，自感知传力梁21的数目和间距由锚具孔数和规格尺寸决定，其端部固结连接锚具支撑钢架1；自感知传力梁21受到待测锚索系统传递的压力而发生变形，其具有承载功能、测量面上扭转受力全分布感知功能、以及各个梁的轴向弯曲受力感知功能；自感知传力梁21包含与锚具支撑钢架1连接的承载梁元件211，感知全分布扭转受力状况的自感知元件212，应变感知元件213和温补元件214。承载梁元件211依据锚索压力大小具有反拱结构，当其不受压力作用时处于朝压力相反方向上拱状态，当其受正常工作压力作用时处于水平状态，当其受超出正常压力作用时处于下弯状态。自感知元件212复合或粘贴于承载梁元件211底部。应变感知元件213布置于承载梁元件下表面，由1-m组应变感知单元组成。温补元件214位于内部预制槽12内，与应变感知元件213密封于装置内同样的高度和温度环境，从而为应变感知元件213提供温度补偿；应变感知元件213和温补元件214串联熔接，由接头13实现数据传输。
[0041]
如图3所示的限位组件3，包含与应变感知元件位置对应的1-m组垫块元件31、和侧壁限位槽11内的限位块元件32。垫块元件31位于传力梁21上方，支撑待测锚索系统并将待测锚索系统的压力传递至传力梁21，其数目和位置依据测量对象锚索体系的锚具孔数和索力大小决定。限位块元件32位于侧壁限位槽11内，与锚具支撑钢架1连接，其数目和位置依据自感知传力梁21决定。
[0042]
如图4所示的垫块元件31与应变感知单元在自感知传力梁21上下对称，具有满足将垫块元件31下方局部均布荷载、各个垫块元件31之间荷载分布、以及自感知传力梁21端部反弯受力传递至应变感知单元的功能。
[0043]
本实施例提供一种型锚索压力测试方法，包括以下步骤：
[0044]
步骤一：测量并记录所述自感知元件212和应变感知元件213的初值和各段区间覆盖的标距长度、以及温补元件214的温度初值。
[0045]
步骤二：将待测锚索系统放置于锚具支撑钢架1的所述垫块31上方，当待测锚索系统植入索力后，测量上步骤所述自感知元件212的测量面上扭转分布应变感知元件213的弯曲应变分布温补元件214的温度应变分布整合后获得自感知传力梁21的真实应变分布：
[0046][0047]
其中，εm表示自感知传力梁21上第m应变单元的真实应变,i表示自感知平行对称传力梁组件2中第i自感知传力梁21，m表示第i自感知传力梁21上第m应变单元，表示自感知传力梁21的材料性质和截面尺寸定义在弯扭组合下应变关系；
[0048]
步骤三：利用自感知传力梁的截面弯矩与刚度、曲率的关系，获得第i自感知传力梁21上任意点处的弯矩分布：
[0049][0050]
其中，m
im
表示第i自感知传力梁21上第m应变单元位置对应的弯矩均值；(ei)
im
表示第i自感知传力梁21上第m应变单元位置对应的抗弯刚度均值；y
im
表示第i自感知传力梁
21上第m应变单元到中和轴的平均距离；
[0051]
如自感知传力梁21上第1及最后应变元件位于反弯范围内第m应变单元的应变εm为负值，如自感知传力梁21上第1及最后应变元件不在反弯范围内，反弯范围由梁上应变分布确定；
[0052]
步骤四：根据沿梁方向的斜率变化，判断集中荷载的数目，然后再根据弯矩求解第i自感知传力梁21的荷载fi：
[0053]fi
＝f(m
im
,x
im
)
[0054]
其中，x
im
表示第i自感知传力梁21上第m应变单元对应的位置；fi表示第i自感知传力梁21上的荷载；
[0055]
步骤五：根据上步骤获得的各自感知传力梁对应的荷载，整合获得整体的索力f：
[0056][0057]
其中，ai表示第i自感知传力梁21的传力系数。
[0058]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。