[发明专利]一种基于表面应变的拉索索力测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于表面应变的拉索索力测量方法及装置，振弦应变传感器通过接触式的带凸起的刚性夹具固定标距地安装在被测索表面。拉索受轴向拉力产生的索体表面变形通过刚性夹具传递到传感器上，传感器感应到变形而实现索体表面应变测量。通过研究索体表面应变与整体应变关系，提出一种考虑计算系数的索力测量方法，结合应变数据、拉索的几何参数与力学性能得到了计算索力的公式，形成了一套安装高效、计算简便的拉索索力测量方法及装置。本发明实现了快速无损安装、实时测量、测试可靠性高、环境适应性强，拉索索力计算方法公式明确、过程简洁。

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，更具体地说，涉及一种基于表面应变的拉索索力测量技术，包括一种可快速安装、准确测量的接触式无损伤索力测量设备与有效计算实测索力值的测量方法。

背景技术

索是国家重大公共建筑重要的受力构件之一，广泛应用于空间结构、桥梁结构等大跨度建筑结构中。实时监测拉索受力情况对于保障建筑结构在全生命周期的正常工作，防止灾害发生，实施结构维护，都有着十分迫切的需求。

目前，常用的拉索索力测量主要有5种方法，即压力表法、测力环法、振动法、磁通量法以及夹具法。压力表法直接读取预应力施工的油压值，然后利用标定公式换算索力，常用于施工过程中的索力测量；测力环法是在索锚固端布设测力环，测量锚头和锚垫板间的反作用力得到索力，需占用索的锚固端空间且预先安装；振动法基于索体自振频率与索力的关系，推导理论公式计算索力，对于边界条件不明的短索和安装阻尼器等情况，理论公式推导存在一定困难；磁通量法通过标定试验获得了磁化拉索产生的感应电动势与索力的关系，然后实现索力测试，需现场标定，工序较为复杂；夹具法是一种简单易行的索力测量的方法，利用夹具将单个位移传感器附着于被测索段表面，测量钢索应变而计算索力，但已有的测量手段有一定不足之处：

(1)仅在拉索单侧设置传感器：对于质地不均匀或可能存在局部受弯的拉索，单个传感器会引入局部受力不均匀的现象，而产生无法忽略的测量干扰；

(2)钢索夹具与钢索间接触面处理简单：无法同时兼顾夹持牢固性与对拉索局部表面的保护，并且索体变形至传感器的传力路径较为复杂，无法准确的定位被测区间的长度，易产生测量误差；

(3)采用位移传感器进行应变测量：传感器灵敏度低，无法测量索力的灵敏度要求。

(4)计算公式定义不明确：理论上，索力由索整体应变结合索的几何物理参数计算得到，而实测为索体表面应变，二者并不等价，因表面应变代替整体应变而造成计算误差。

从上述现有技术中的问题可以看出，夹具式索力测量方法应从以下两个方面进行完善，其一，传感器夹具需兼顾夹持牢固度和无损伤装卸，提升实测数据的工程价值和可靠度，实现被测区域的精确控制；其二，考虑拉索各层钢丝变形与索整体变形关系等影响因素，提出索力计算系数的确定方法以实现索力值的准确计算。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有常用测量技术应用于拉索索力测量时的不足，提供一种基于表面应变的拉索索力测量方法及装置，将传感器无损安装方式和索力测量方法相结合，建立起一套完整的拉索索力测量方法。本方法采用带温度自补偿的振弦式应变测试技术，技术成熟且应用广泛，其结果稳定可靠；设计了接触式无损伤的刚性夹具，用以连接既有拉索，并固定传感器；通过拉索与夹具、夹具与振弦传感器之间的协同变形，获取因拉索受力变化而产生的拉索表面应变变化。结合理论分析推导了实测的索体钢丝表面应变与索体整体应变的关系，提出了索力计算系数K_n。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于表面应变的拉索索力测量方法，具体步骤如下：

(1)获取温度自补偿的振弦应变传感器的初始温度、初始频率、实测频率和实测温度，计算拉索经温度补偿修正后的应变值，得到拉索表面应变；计算公式如下：