智能缆索综述.pdf

第3 6 卷V 0 1 3 6第3 期N o 3金属M e t a l制品P r o d u c t s2 0 l O 年6 月J u n e2 0 1 0d o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 4 2 2 6 2 0 1 0 0 3 0 0 1智能缆索综述赵霞1 一，刘礼华1，李盛2，姜德生2，周明宝1，吉俊兵1(1 江苏法尔胜泓舁集团有限公司，江苏江阴2 1 4 4 3 3；2 武汉理工大学，湖北武汉4 3 0 0 7 0)摘要将传感器集成于缆索内部，研发具有自感知能力的智能缆索是桥梁结构健康监测领域研究的前沿。阐述智能缆索的研究背景及概念，分析智能缆索研发的主要内容，针对如何保证传感器在埋植过程中的存活率，及如何保证传感器测试效果的长期稳定两大技术难点，从大应变监测，传感器埋植于缆索的工艺，及长期可靠性问题等几个方面研究。以缆索用抗拉强度为16 7 0M P a 的钢丝为例，指出缆索在运营期间钢丝所产生的最大变形不超过3 8 4 0X1 0 一。分析传感器局部埋植法和整体敷设法的优缺点。介绍智能缆索的研究现状及目前存在的问题。关键词智能缆索；测力传感器；结构健康监测；大应变监测中图分类号T G 3 5 6 4+5R e v i e wo fi n t e l l i g e n tc a b l eZ H A OX i a l，2，L I UL i-h u a l，L IS h e n 9 2，J I A N GD e-s h e n 9 2，Z H O UM i n g-b a 0 1，J IJ u n b i n 9 1(1 胁n g s uF a s t e nH o p e s u nG r o u pC o，L t d，J i a n g y i n2 1 4 4 3 3，C h i n a；2 W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，W u h a n4 3 0 0 7 0，C h i n a)A b s t r a c t T or e s e a r c ha n dd e v e l o pi n t e l l i g e n tc a b l ew i t hs e l f-p e r c e p t i o nc a p a b i l i t yi sf o r e f r o n to fd e v e l o p i n gc a b l es t r u c t u r-a lh e a l t hm o n i t o r i n gf i e l dw h e nt r a n s d u c e ri si n t e g r a t e di n t oi n s i d ec a b l e T h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dc o n c e p to fi n t e l l i g e n tc a b l ei se x p o u n d e d。t h em a i nc o n t e n to fd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n tc a b l ei sa n a l y z e d A i m i n ga tt w ot e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s：h o wt oa s s u r et h es u r v i v a lr a t eo ft r a n s d u c e ri nt h ep r o c e s so fe m b e d d i n g，h o wt oa s s u r el o n gt e r ms t a b i l i t yo ft r a n s d u c e rt e a-t i n ge f f e c t，f r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t ss u c ha sl a r g es t r a i nm o n i t o r i n g，t h ep r o e e s so ft r a n s d u c e re m b e d d e di n t oc a b l ea n dl o n gt e r mr e l i a b i h t ya n dS Oo nt or e s e a r c h T a k i n gt e n s i l es t r e n g t h16 7 0M P as t e e lw i r ef o rc a b l ea se x a m p l e，s t e e lw i r eH l a x i m u md e f o r m a t i o ni sl e s st h a n3 8 4 0 1 0 一w h e nc a b l ei sr u n n i n g t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a n s d u c e rl o-c a le m b e d d i n ga n do v e r a l lh y i n gm e t h o di sa n a l y z e d T h ed e v e l o p i n gp r e s e n ts i t u a t i o no fi n t e l l i g e n tc a b l ea n de x i s t i n gp r o b-l e m sa tp r e s e n t i r ei n t r o d u c e d K e y w o r d si n t e l l i g e n tc a b l e；f o r c et r a n s d u c e r；s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g；l a r g es t r a i nm o n i t o r i n g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，缆索的工作状态是桥梁是否处于安全状态的重要标志之一。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，由缆索系统引起的安全事故和经济损失非常惨重，实际缆索的服役时间往往比预先设计的短得多，且换索的费用相当高t j。若能对缆索系统在施工及运营期间的状态进行有效地在线监测、安全评定和寿命评估，不仅能为桥梁系统的维护、保养提供可靠的依据，还可及时处理存在的隐患，避免事故的发生。1 结构健康监测技术及智能缆索的概念结构健康监控技术是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感驱动元件，在线实时获得与结构健康状况有关的信息(如应力、应变、温度、振动等)，结合先进的信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特征参数，识别基金项目：十一五国家科技支撑计划项目，编号2 0 0 7 B A E l 5 8 0 4；中国博士后科学基金资助项目，编号2 0 0 9 0 4 5 0 1 1 6。万方数据2 金属制品第3 6 卷结构的状态，包括损伤，并对结构的不安全因素，在早期就加以控制来消除安全隐患或控制其进一步发展，从而实现结构自诊断、自修复，保证结构的安全和维修费用的降低。对于仅有监测功能而没有主动控制功能的系统称为结构健康监测系统一J。智能缆索是将缆索智能化，把温度、应力、振动等特种传感器集成到拉索中，将先进的结构健康监测技术与缆索结构有机结合，使其从单纯承力的缆索上升为具有自动感知能力的智能缆索，便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。这对桥梁运营部门具有十分重要的社会意义与经济价值，是国际桥梁结构健康监测领域正在探索的热点与难点。智能缆索将普遍采用的在桥梁建成后将监测系统安装到桥梁上的结构健康监测技术，跃升到将监测系统与桥梁体系真正有机地集成为一体。2 智能缆索的研究内容将传感器安置于已经建成的缆索外部对其索力进行体外监测的应用研究已取得较大发展”。6J，而智能缆索的研发集中于如何将测量索力的传感元件(光纤类、电阻类等)集成于缆索内部，从而形成具有自感知特性的新型索。智能缆索研究作为桥梁结构健康监测领域的前沿学科，国际上尚没有产品问世。智能缆索的目标是将传感器在缆索制造过程中一次性埋植于缆索内部，对内置测力传感器提出更高、更特殊的要求。主要涉及两大技术难点：(1)如何保证传感器在埋植过程中的存活率；(2)如何保证传感器测试效果的长期稳定。2 1 大应变监测要求对于缆索内置的测力传感器而言，大应变监测是对传感器提出的要求。缆索是大跨度桥梁的主要受力构件，在缆索出厂前，需要经过超张拉工序，超张拉力一般为破断载荷的5 5 一6 0 J。以缆索用抗拉强度为16 7 0M P a 的钢丝为例进行分析，由钢弹性模量E(取2 1 0 5M P a)与应力1 7 应变占的关系盯=E e，得出缆索超张拉时产生的最大应变为(4 5 9 2 5 0 1 0)1 0 s。缆索运营期间，工作许用应力小于破断载荷的4 0，得出缆索运营期间的最大应变不超过3 3 4 0 1 0 8。对于斜拉索，钢箱梁段动载荷占拉索总载荷的2 0，恒载荷占8 0；混凝土梁段动载荷占总载荷的8，恒载荷占9 2。换算过来，钢箱梁段斜拉索应变变化范围(2 6 7 2 3 3 4 0)X1 0 占，混凝土梁段斜拉索应变变化范围(3 0 7 2 3 3 4 0)1 0 一占。考虑到缆索上桥后温度变化对传感器的影响，温差变化在5 0 左右(缆索工作温度：一2 0 7 0，标定传感器室温2 5 左右)，以光纤光栅传感器为例，温度变化使光纤光栅产生应变1 2 5 0 1 0 s，另外，5 0 温度变化使钢丝产生应变0 5 0 0 1 0 一占，因此，钢丝产生的最大应变为3 8 4 0X 1 0 8，光纤光栅产生的最大工作应变为5 0 9 0 1 0 一占。未经封装的裸光纤光栅波长一应变灵敏系数为l 岬8，若感测应变为5 0 0 0 1 0 占，光纤光栅中心波长将发生5n m 的漂移，虽然可以满足短期监测效果，但是光纤光栅长期在此大应力状态下工作，很难保证其长期稳定性。2 2 传感器埋入缆索的工艺如何将精密的传感器与缆索相结合，使传感器经受住缆索的各道制造工序最终成活，并能准确地输出传感信号，从而有效地保证内置传感器的存活率是智能缆索研究的一大难题。考虑传感器的埋人工艺，必须详细了解缆索的制造流程。以大跨度桥梁的斜拉索为例，主要工艺流程：排丝_ 扭绞-+挤塑-灌锚-+超张拉r 7。8 1。考虑拉索制造的各道工序，传感器埋入拉索可有2 种形式：局部埋植法和整体敷设法，如图1 所示。一肚璃一a)局部埋植么竺竺兰箩体敷设娅嘲b)整体敷设图1 传感器埋入示意图F i g 1T r a n s d u c e re m b e d d e ds k e t c h2 2 1 局部埋植法缆索精下料步骤：将索端的聚乙烯护套及高强度聚酯带剥掉适当长度，使钢丝裸露在外面，灌锚工序结束后，在此部位套上连接筒灌注密封填料，因此，灌锚工序结束后，在连接筒部位的钢丝外层进行传感器的埋植是理想的局部埋植方式，通过测单根钢丝的应变获得整体缆索的应变分布情况。局部埋植法对传感器提出以下要求：(1)传感器以何种封装形式埋入拉索，以保证传感器的存活率；(2)传感万方数据第3 期赵霞，等：智能缆索综述3 器以何种可靠的形式与钢丝连接，保证钢丝的受力能够长期有效地传递到传感器上，并保证在连接筒部位灌人密封填料以后，仍能保证力的有效传递；(3)如何保证能将传感信号有效无失真地传递到缆索体外。2 2 2 整体敷设法整体敷设法的思路是将传感器以适当结构形式封装，做成线缆结构，与钢丝一起参与缆索制造的各道工序，与钢丝扭绞灌锚成一体，通过传感器的输出获知缆索的整体形变。整体敷设法对传感器有如下要求：(1)传感器线缆可以与钢丝一起参与扭绞、挤塑、灌锚工序，并最终保证传感器的存活率；(2)线缆结构的弹性变形范围应比钢丝大，即保证缆索发生变形都在线缆的弹性变化范围内；(3)保证传感器线缆与钢丝能够协同变形，传感器输出信号能够准确、无失真地反映缆索的受力状况；(4)保证传感器能够有效地、无失真地传递到缆索体外。2 2 32 种方法的比较传感器局部埋植法和整体敷设法各有优缺点，见表1。表12 种方法的比较T a b l elC o n t r a s to ft w os o l u t i o n s疲劳状态下，是否会产生蠕变，从而出现数据失真；传感器封装材料的长期稳定性；传感器封装结构与缆索结合的长期稳定性研究。3 智能缆索的研究现状智能缆索作为一个新兴的研究课题，近年来已引起全世界的广泛重视。国内外已有一些智能索的研究报道，报道中大多数采用的是光纤传感器一“6|。对智能索研究报道最多的是哈尔滨工业大学周智等将纤维增强塑料(F i b e rR e i n f o r c e dP o l y m e F，F R P)筋封装成光纤光栅传感器，制成光纤光栅一纤维增强塑料复合筋(F R P O F B G)(图2)，复合筋根据缆索实际长度切割，将复合筋通长埋设到拉索中，制成智能拉索，如图3 所示。智能索在天津永和桥、四川峨边大渡河大桥已有试用 9-t 4 ，但未见后续实桥监测数据及长期使用报道。比利时F O S&S 公司将光纤光栅及光纤封装成线缆形式埋人缆索，实现对索内平均温度的测量，但该种线缆结构不能实现对索力的监测。图2F R P O F B G 智能筋F i g 2F R P O F B Gi n t e l l i g e n tt e n d o n传感器局部埋植法所有制作工艺集中在灌锚工序，测试集中在张拉工序，其余工序按照常规程序操作，相对而言，对施工影响较小；传感器整体敷设法是传感器线缆与钢丝一起参与缆索的各道制造工序，对施工影响较大。传感器局部埋植法只能布设到连接筒部位的外层钢丝上，不能监测里层钢丝受力情况；传感器整体敷设法将传感器线缆与钢丝一图3F R P O F B G 筋式智能拉索起参与扭绞工序，可以监测里层钢丝受力情况。从F i g 3E R P O F B Gi n t e l l i g e n tc a b l e实施难度来说，两种方法相当。从成本X _ V d 较，局部以上研究都属于传感器整体敷设法。采用传感埋植法较低。器局部埋植法，将传感器局部埋植于拉索中，实现对2 3长期监测可靠性研究整体索力的测量，具有成本低，操作简单等优点。但不同于体外监测方式，智能缆索是将传感器一在拉索内部进行传感器局部埋植制成智能索鲜见报次性植人，要保证传感器能够长时间、无失真地反映道。李宏男等副在黄河第二高速桥的索力监测中，缆索内部状态，必须进行长期监测的可靠性研究，包将光纤光栅传感器和电阻应变片直接粘贴于缆索连括传感器实验室的长期稳定性研究和实际工程中的接筒位置的钢丝表面，在拉索的张拉过程中，光纤光长期稳定性研究。具体包括传感器在缆索长期张拉栅传感器与应变片的测量结果是相等的，但是传感万方数据-4 金属制品第3 6 卷器的存活率不高。另有报道将电阻应变片粘贴于缆索的连接筒部位，在实验室环境中，在张拉机及疲劳试验机上进行了静载和动载试验 16|，但是并未给出在实桥上的应用报道。已有多家单位开展智能索的研究，研究现状总结如下。(1)智能索内的传感器选择以光纤传感器为主，光纤传感器中又以光纤B r a g g 光栅的应用研究为主。(2)智能索中传感器的布置有局部埋植法和整体敷设法2 种方法，2 种方法各有优缺点。(3)对于缆索的大应变监测要求，保证传感器的长期可靠性监测效果是研究的重点。(4)智能索的研究以哈尔滨工业大学研制的F R P O F B G 智能复合筋报道居多。4 存在的问题目前智能索仍然没有成熟的产品，离实用还有一段距离，存在许多问题。(1)智能索报道中回避了传感器在实施过程中的存活率情况的具体说明。(2)文献报导的关于智能索的应用大多停留在实验室或实验索阶段，实际桥上的应用情况仅停留于系统介绍，或仅给出了索厂标定阶段的数据，缺少长期使用效果的监测数据。(3)相关智能索的试验内容还缺乏实验索的疲劳试验数据。(4)智能索的研究集中于将传感器内置于缆索内部，监测其内部温度、应力等参数，而能监测其内部锈蚀情况的集成传感器智能索是未来的另一重要发展方向。参考文献 1 王文涛斜拉索换索工程 M 2 版北京：人民交通出版社，2 0 0 6 2 梁雄斜拉桥拉索腐蚀行为及使用寿命预测研究 D 重庆：重庆交通大学，2 0 0 8 3 袁慎芳结构健康监控 M 。北京：国防工业出版社，2 0 0 7 4 刘志勇斜拉桥斜拉索索力测试方法综述 J 铁道建筑，2 0 0 7(4)：1 8 2 0 5 姜德生，郝义昶，刘胜春光纤B r g g 光栅测力环在系杆拱桥中的应用 J 仪表技术与传感器，2 0 0 6(2)：4 3 4 4 6 刘胜春，姜德生，李盛新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力 J 武汉理工大学学报，2 0 0 6(8)：1 1 0 1 1 2 7 邓冬梅，杨建春用于斜拉索索力在线监测的新型传感技术 J 传感器与微系统，2 0 0 6(8)：4 6 8 交通部重庆公路科学研究所G B T1 8 3 6 5-2 0 0 1 斜拉桥热聚乙烯高强钢丝斜拉索技术条件 s 北京：中国标准出版社，2 0 0 1 9 邓年春，欧进萍，周智，等一种新型平行钢丝智能拉索 J 公路交通科技，2 0 0 7(3)：8 2 8 5 1 0 L iH，O uJ P，Z h o uZ A p p l i c a t i o n so fo p t i c a lf i b r eB r a g gg r a t i n g ss e n s i n gt e c h n o l o g y b a s e ds m a r ts t a yC a-b l e s J O p t i c sa n dL a s e r si nE n g i n e e r i n g，2 0 0 9(1 0)：10 7 7 10 8 4 1 1 邓年春，周智，龙跃，等光纤光栅冷铸镦头锚拉索及其在桥梁中应用 J 预应力技术，2 0 0 7(3)：1-6 1 2 周智，欧进萍F B G 智能传感器及其在土木工程中的应用研究 J 功能材料，2 0 0 4(增刊)：1 5 2 1 5 6 1 3 王勃，欧进萍，张新越，等混凝土用智能F R P 筋的试验研究 J 功能材料，2 0 0 4(增刊)：3 4 8 3 5 3 1 4 杜彦良，绍琳，李剑芝，等适用于斜拉索的智能混杂纤维复合材料的研究 J 功能材料，2 0 0 8(2)：2 8 2 2 8 5。1 5 李宏男，任亮结构健康监测光纤光栅传感技术 M 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 8 1 6 董雪花，张河，徐志洪，等桥梁索力智能监测技术研究 J 江苏交通，2 0 0 3(9)：1 9 2 0(收稿日期：2 0 1 0 0 2 2 6)作者简介赵霞1 9 7 8 年生，江苏法尔胜泓异集团有限公司、武汉理工大学光纤传感技术研究中心在站博士后。刘礼华1 9 6 5 年生，研究员级高工，江苏法尔胜泓羿集团有限公司副总裁、总工程师。李盛1 9 8 0 年生，武汉理工大学助理研究员。姜德生1 9 4 9 年生，教授，博士生导师，中国工程院院士，武汉理工大学光纤传感技术研究中心主任。周明宝1 9 6 5 年生。研究员级高工，江苏法尔胜泓弄集团有限公司技术中心副主任。吉俊兵1 9 8 1 年生，江苏法尔胜泓异集团有限公司助理工程师。万方数据