内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统

《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》涉及的是一种可适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等缆索承重结构的内置传感器的智能缆索系统。

现代大跨度桥梁的缆索系统是斜拉桥和悬索桥的核心构件，大跨径桥梁结构的自重和桥上动载，绝大部分是通过缆索系统传递到塔柱上，缆索的工作状态是直接反映桥梁是否处于安全状态的重要标志之一。但由于构造设计、环境腐蚀、疲劳积累等原因，缆索在服役期间难免出现不同程度的损伤和劣化。若能将传感器有机地集成到缆索内部，使其自身能够测量内部应力、温度等参数，使其从一个单纯承力的缆索上升为具有自动感知能力的智能缆索，同时也实现兼顾缆索的整体受力与局部丝受力监测的可能，将更有利于人们掌握缆索自身以及全桥的结构安全与运营状态，及时发现事故先兆、防止突发性事故发生。

光纤光栅是一种性能优良的敏感元件，可通过布拉格反射波长的移动来感应外界微小应变变化而实现对结构应力、温度等参数实现在线监测。它具有不怕恶劣环境、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单、使用方便、测量精度高等特点。

但是未经特殊处理的光纤光栅很脆弱，直接布设于缆索中，容易被破坏。将光纤光栅与缆索相结合，涉及到如何将光纤光栅以何种封装形式进行封装，提高光纤光栅传感器及光纤在缆索制造及应用过程中的存活率；如何将封装的光纤光栅传感器内置于缆索内部，确保光纤光栅传感器埋植工艺可靠；如何有效地将光纤光栅信号无失真地引出缆索体外等问题。

图1为《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》的光纤光栅应变传感器结构示意图。

图2为该发明的第二钢管示意图。

图3为该发明的支座零件图。

图4为图3的A-A剖示图。

图5为该发明的光纤光栅应变传感器与缆索的钢丝连接示意图。

图6为该发明的光纤光栅温度传感器结构示意图。

图7为常用缆索的结构示意图。

图8为该发明的缆索分丝板截面示意图。

图9为该发明的缆索内预留钢管示意图。

图10为该发明内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统结构示意图。

图11为该发明内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统监测示意图。

图中附图标记：锚杯1、环氧铸锚填料2、钢丝3、连接筒4、分丝板5、孔5-1、连接筒密封填料6、预留钢管7、光纤线缆8、光纤光栅应变传感器9、光纤光栅温度传感器10、索体11、光纤光栅解调仪12；第一光纤光栅9-1、第二钢管9-2、第一钢管9-3、支座9-4、第二热缩套9-5、第一保护钢管9-6；第二光纤光栅10-1、第二保护钢管10-2、第二热缩套10-3。

2016年12月7日，《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

内置传感器测量缆索的受力状态一直是研究的难点，缆索内置光纤光栅应变传感器9的封装结构如下：

参见图1，图1为《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》涉及的光纤光栅应变传感器结构示意图。由图1可以看出，《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》涉及的光纤光栅应变传感器9包括第一光纤光栅9-1、第二钢管9-2、第一钢管9-3、直径略粗的第一保护钢管9-6以及用于与缆索用钢丝连接的支座9-4，所述第一保护钢管9-6有一件，第一钢管9-3、支座9-4和第二钢管9-2均有二件，二件第一钢管9-3、二件支座9-4和二件第二钢管9-2左右对称布置于所述第一保护钢管9-6的左右两边，其中第二钢管9-2的直径＜第一钢管9-3的直径＜第一保护钢管9-6的直径，所述第二钢管9-2中间轴向开槽，如图2。将支座9-4上部区域穿孔，如图3和图4，将一定标距的第一钢管9-3中间穿过所述支座9-4上部区域穿孔连接在支座9-4上，所述第一钢管9-3中间径向切开分成两件，切割的目的是将力直接传递到光纤光栅上，即直接拉光纤光栅，避免了第一钢管9-3直接承受大应变。将直径略大、长度合适的第一保护钢管9-6的两端分别套装在所述二件第一钢管9-3的一端，保护细钢管9-3切开后连接位置，第一钢管9-3的另一端套装在所述第二钢管9-2的一端，将第一光纤光栅9-1穿过第一钢管9-3、第二钢管9-2和第一保护钢管9-6，光栅栅区在第一保护钢管9-6中心位置，将第一光纤光栅9-1两端用胶固定在第二钢管9-2的槽内，第二钢管9-2外套第二热缩套9-5保护开槽部位，所述第一光纤光栅9-1两端尾纤由所述第二钢管9-2的另一端引出。

所述的光纤光栅温度传感器的封装结构是：如图6，所述的光纤光栅温度传感器10包括第二光纤光栅10-1、第二保护钢管10-2和第二热缩套10-3，第二光纤光栅10-1悬置于第二保护钢管10-2内，从第二保护钢管10-2内引出尾纤，引出处用胶固定，并用第二热缩套10-3热缩保护。

将光纤光栅应变传感器9和光纤光栅温度传感器10布置于缆索内部，涉及到如何将光纤光栅应变传感器9和光纤光栅温度传感器10的传感信号有效引出索体外的问题。常用缆索的结构示意图如图7所示，该缆索由锚杯1、环氧铸锚填料2、钢丝3、连接筒4、分丝板5、连接筒密封填料6和索体11组成。在缆索的分丝板5上预留几个孔5-1，如图8所示。将合适长度、合适直径的预留钢管7穿过预留的孔5-1内，为光纤线缆8引出预留通道。对预留钢管7的要求是能够承受一定的折度和灌环氧铸锚填料2时需承受的侧向压力。向锚杯1内灌入环氧铸锚填料2，将锚杯1放入加热炉内加热固化，使锚杯与内部的钢丝成为一体。在灌锚工序结束后，将光纤光栅应变传感器9通过其支座9-4与缆索的连接筒4部位的外层钢丝3连接，如图5和图9，使钢丝3上所受的力有效地传递到光纤光栅应变传感器9的光纤光栅上。将光纤光栅应变传感器9用保护罩保护，用胶泥密封保护罩与钢丝空隙处，外面再用胶带密封，保护光纤光栅应变传感器，形成完全封装后的光纤光栅应变传感器9，如图9所示。将封装后的光纤光栅温度传感器10悬置于所述连接筒4内钢丝上，将光纤线缆8穿入预留钢管7内。套上连接筒4，灌入连接筒密封填料6，进行连接筒的常温固化环节。最终的智能缆索结构示意图如图10所示。

将智能缆索锚端引出的光纤线缆8接入光纤光栅解调仪12，如图11所示，通过监测光纤光栅中心波长的变化，通过内置的光纤光栅温度传感器，实时监测缆索内温度变化；通过内置的光纤光栅应变传感器，并结合光纤光栅温度补偿的结果，对缆索内钢丝的应力分布状况及缆索的整体受力进行实时监测。

内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统专利目的

《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》的目的是提供一种能提高光纤光栅传感器及光纤在缆索制造及应用过程中的存活率、确保光纤光栅传感器埋植工艺可靠以及能有效地将光纤光栅信号无失真地引出缆索体外的内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统。

内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统技术方案

一种内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统包括锚杯、分丝板、连接筒、内置于连接筒部位的光纤光栅传感器以及索体，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，将所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器先进行封装，并将光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的尾纤引出，封装后的光纤光栅应变传感器固定连接于连接筒部位的外层钢丝上，封装后的光纤光栅温度传感器悬置于连接筒部位的钢丝上，在所述分丝板上穿孔，在所述连接筒和锚杯内预先埋入预留钢管，该预留钢管由所述分丝板上的穿孔引出，将光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的的尾纤接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪；通过监测光纤光栅中心波长的变化，可实现对缆索内温度、缆索的整体受力情况及缆索内钢丝的应力分布状况进行实时监测。

所述光纤光栅应变传感器的封装结构是：所述光纤光栅应变传感器包括第一光纤光栅、中间轴向第二钢管、第一钢管、直径略粗的第一保护钢管以及用于与缆索用钢丝连接的支座，所述第一保护钢管有一件，第二钢管、支座、第一钢管均有二件，二件第二钢管、二件支座、二件第一钢管左右对称布置于所述第一保护钢管的左右两边，其中第二钢管的直径＜第一钢管的直径＜第一保护钢管的直径，所述第二钢管中间轴向开槽，将支座上部区域穿孔，将一定标距的第一钢管中间穿过所述支座上部区域穿孔连接在支座上。将直径略大、长度合适的第一保护钢管的两端分别套装在所述二件第一钢管的一端，第一钢管的另一端套装在所述第二钢管的一端，将第一光纤光栅穿过第二钢管、第一钢管和第一保护钢管，光栅栅区在第一保护钢管中心位置，将第一光纤光栅两端用胶固定在二个第二钢管的槽内，第二钢管开槽处外套第二热缩套保护开槽部位，所述第一光纤光栅两端尾纤由所述第二钢管的另一端引出，将光纤光栅应变传感器的支座与所述缆索的钢丝相连接，光纤光栅应变传感器外罩保护罩保护，用胶泥密封保护罩与钢丝密封处，胶泥密封后的钢丝空隙处外面再用胶带密封，形成完全封装后的光纤光栅应变传感器。

所述的光纤光栅温度传感器的封装结构是：所述的光纤光栅温度传感器包括第二光纤光栅、第二保护钢管和第二热缩套，第二光纤光栅悬置于第二保护钢管内，从第二保护钢管内引出尾纤，引出处用胶固定，并用第二热缩套热缩保护。

内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统有益效果

《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》提供一种在缆索的连接筒部位内置光纤光栅传感器的智能缆索系统，通过外接光纤光栅解调仪，测量光纤光栅中心波长的变化，可对缆索内应力分布状况及缆索的整体受力状况进行实时监测，满足特大桥梁的健康监测要求，提高大桥的安全性。

1.一种内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统包括锚杯（1）、分丝板（5）、连接筒（4）、内置于连接筒（4）部位的光纤光栅传感器以及索体（11），所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器（9）和光纤光栅温度传感器（10），其特征在于：将光纤光栅应变传感器（9）和光纤光栅温度传感器（10）先进行封装，并将光纤光栅应变传感器（9）和光纤光栅温度传感器（10）的尾纤引出，封装后的光纤光栅应变传感器（9）固定连接于连接筒（4）部位的外层钢丝（3）上，封装后的光纤光栅温度传感器（10）悬置于连接筒部位的钢丝（3）上，在所述分丝板（5）上穿孔（5-1），在所述连接筒（4）和锚杯（1）内预先埋入预留钢管（7），该预留钢管（7）由所述分丝板（5）上的穿孔（5-1）引出，将光纤光栅应变传感器（9）和光纤光栅温度传感器（10）的尾纤接入一光纤线缆（8），该光纤线缆（8）通过所述预留钢管（7）从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆（8）接入一光纤光栅解调仪（12）；所述光纤光栅传感器的封装结构是：所述光纤光栅应变传感器（9）包括第一光纤光栅（9-1）、第一钢管（9-3）、第二钢管（9-2）、第一保护钢管（9-6）以及支座（9-4），所述第一保护钢管（9-6）有一件，第一钢管（9-3）、支座（9-4）和第二钢管（9-2）均有二件，二件第一钢管（9-3）、二件支座（9-4）和二件第二钢管（9-2）左右对称布置于所述第一保护钢管（9-6）的左右两边，其中第二钢管（9-2）的直径＜第一钢管（9-3）的直径＜第一保护钢管（9-6）的直径，所述第二钢管（9-2）中间轴向开槽，支座（9-4）上部区域穿孔，第一钢管（9-3）中间穿过所述支座（9-4）上部区域穿孔连接在支座（9-4）上，将第一保护钢管（9-6）的两端分别套装在所述二件第一钢管（9-3）的一端，第一钢管（9-3）的另一端套装在所述第二钢管（9-2）的一端，将第一光纤光栅（9-1）穿过第二钢管（9-2）、第一钢管（9-3）和第一保护钢管（9-6），光栅栅区在第一保护钢管（9-6）中心位置，将第一光纤光栅（9-1）两端用胶固定在所述二件第二钢管（9-2）的槽内，第二钢管（9-2）开槽处外套第二热缩套（9-5），所述第一光纤光栅（9-1）两端尾纤由所述第二钢管（9-2）的另一端引出，光纤光栅应变传感器（9）的支座与所述缆索的钢丝相连接，光纤光栅应变传感器（9）外罩保护罩保护，用胶泥密封保护罩与钢丝密封处，胶泥密封后的钢丝空隙处外面再用胶带密封，形成完全封装后的光纤光栅应变传感器；所述的光纤光栅温度传感器（10）封装结构是：所述光纤光栅温度传感器（10）包括第二光纤光栅（10-1）、第二保护钢管（10-2）和第二热缩套（10-3），第二光纤光栅（10-1）悬置于第二保护钢管（10-2）内，第二光纤光栅（10-1）从第二保护钢管（10-2）内引出尾纤，引出处用胶固定，并套上第二热缩套（10-3）。

重大桥梁结构的冲刷往往发生在大规模的洪水期间，具有隐蔽性高、影响因素多、随机性强、破坏后修复难度大等特征，目前还没有可靠的桥梁在线冲刷监测手段。本项目提出基于智能铁磁性标签石块的冲刷监测方法，针对桥梁冲刷环境、传感器长期服役以及目前磁法探测技术的磁异常测试精度等问题，考虑成本因素，研究开发智能铁磁性标签石块的封装技术，发展智能石块定位的磁法探测技术；研究智能石块的水动力学特征，通过智能石块的位置变化反演桥梁冲刷状态。在此基础上，选取有代表性的桥梁结构，研究桥梁冲刷的智能石块布设方法，研究基于监测信息的桥梁冲刷演化规律，发展桥梁冲刷的快速评定与抛石防护方法与技术。.通过上述研究，发展一套基于智能石块的桥梁冲刷监测技术，揭示桥梁长期冲刷演化规律，为桥梁冲刷难题提供一套监测和防护一体化安全保障技术。

重大桥梁结构的冲刷具有隐蔽性高、影响因素多、随机性强、破坏后修复难度大等特征，目前还没有可靠的桥梁在线冲刷监测手段。本项目本项目提出了基于智能磁性石块的桥墩冲刷监测方法。研究基于智能磁性石块的桥墩冲刷位移场监测方法，分析智能磁性石块的动态冲刷监测机理，对于冲刷导致的桥墩结构体系的安全水平降低给出计算公式，并分析桩墩刚度比、桥墩高度、承台质量和滑动橡胶支座等对桥墩结构体系稳定的影响。主要研究内容和研究成果包括：（1） 基于智能磁性石块的桥墩冲刷监测系统由磁性智能石块和磁力梯度仪构成，智能磁性石块可由电磁铁或钕铁硼永磁铁构造。考虑智能石块的磁矩、全张量磁力梯度仪的精度和地球磁场的情况下，分析了冲刷位移监测系统的有效监测距离。（2） 分别采用基于LM-遗传算法的磁场梯度定位和基于磁场梯度缩并定位的算法实现智能磁性石块的冲刷位移场监测。在实际桥梁工程的冲刷监测中，考虑到磁力梯度仪的实测误差，变形监测的精度可通过增大智能石块的磁矩、改变全张量磁力梯度仪的位置进行调整。（3） 智能磁性石块的动态冲刷监测机理研究。对于桥墩局部冲刷防护的石块起动，在已有研究基础上以圆柱形桥墩为例分析了桥墩局部的流速，通过赫兹接触理论分析给出了智能石块兼具监测和防护性能时的直径与行近流速的关系。在简化冲刷坑和冲刷坑内流场的基础上，分析了冲刷坑中智能石块的受力和不同运动模式，得到了智能石块可动态监测冲刷坑深度时的直径与行近水流的关系。（4） 对于桥墩结构体系的冲刷问题，采用桥墩-群桩的等效结构体系简化分析土-桩-桥墩结构的相互作用，并考虑了上部桥面结构的滑动橡胶支座和承台质量对结构体系的屈曲性能的影响。桩墩刚度比、桥墩长度和橡胶支座等对群桩-桥墩结构体系的稳定有较重要的影响。在实际工程中，可优化桥墩和群桩的刚度比、长度比，使得结构体系拥有合理的刚度分布，从而在冲刷作用下可在一定程度上减缓桥墩-群桩结构体系的屈曲性能的降低。（5） 智能磁性石块不需要布线，不受雨水、泥石流、撞击等环境影响，也不需要维护，可广泛用于桥墩冲刷监测、岩土工程的变形监测等领域。本文中提出的基于智能石块的桥墩局部冲刷监测方法，其中智能石块可扩展到射频识别定位技术、ZigBee等诸多穿透水、岩土的非接触式三维定位技术。 2100433B