一种可换监测元件的智能拉索及其制备安装施工方法
技术领域
本发明涉及一种智能拉索，尤其涉及一种可换监测元件的智能拉索及其制备安装施工方法。
背景技术
桥梁拉索在结构受力中起关键作用，由于环境腐蚀、疲劳损伤、服役内力重分布等原因，拉索极易受损，未安装长效监测系统情况下，不易了解拉索实际健康状况；光纤光栅测试技术是基于波长信息的绝对测量技术，具有电绝缘性好、耐久性好、耐高温耐腐蚀等诸多优点；早在2003年国内就进行了智能拉索的研制工作，多项发明专利申请技术先后公开了一些用于斜拉索、吊杆拱桥、缆索、悬索桥等拉索体系的光纤光栅智能拉索，具有自动监测拉索受力功能；但以上这些专利申请技术方案都有一个共同点，在制索时将光纤光栅传感器与拉索制作为一个整体，在拉索受力时，光纤光栅传感器与拉索同步受力，测量索力；但光纤为脆性材料，其受力后拉伸应变量小于钢材，以上专利申请技术都存在光纤植入后，在制索标定过程或工程使用一段时间后失效的情况；因此，此类产品未能大批量推向市场。按现有技术方案，若将监测元件改用布里渊光纤同样存在光纤受力后拉伸应变量小于钢材问题；若将监测元件改用振弦传感器或其它形式的应变计，也存在长效监测过程中因松驰导致测力不准或失效的问题，监测元件难以与拉索寿命同步，一但失效或测力不准，结构件中预设的监测功能则无法起作用。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种土木工程结构用的一种可换监测元件的智能拉索，该种可换监测元件的智能拉索采用光纤光栅传感器、布里渊光纤、振弦传感器或其它形式的能监测拉索状态的敏感元器件，实时监测拉索索力变化情况，能方便更换拉索内各类能监测拉索状态的传感器系统，在服役过程中，不但可检测拉索索力变化，还可监测温湿度变化情况，在更换能监测拉索状态的传感器系统时，还可采用内视镜观察索体内部腐蚀状况。本发明同时提供了该一种可换监测元件的智能拉索的制备、安装施工方法，其制备、安装施工方法简单、效率高。
解决上述问题的技术方案是：一种可换监测元件的智能拉索，包括监测元件和拉索两大部份，所述拉索包括成品拉索和现场施工安装拉索，其特征在于：
所述拉索中沿纵向方向全长至少有一个孔道，该孔道中有一监测元件，监测元件通过数据线与外界相连；
所述的监测元件包括光纤光栅传感器监测元件组件、布里渊光纤监测元件组件、振弦传感器监测元件组件以及其它形式的应变计、温温湿度传感器或其它能监测拉索状态的敏感元器件构成的监测元件组件；
监测元件是在成品拉索制作过程中按设计要求张拉到设计力值后再穿入孔道，施加一定的张紧力后两端锁紧固定；或是在现场施工安装拉索按设计要求张拉到设计力值完成施工后，再穿入孔道，施加一定的张紧力后两端锁紧固定。
所述可换监测元件的智能拉索的进一步技术方案是：所述拉索为冷铸式钢丝成品索、冷铸挤压式钢绞线成品索或挤压式钢绞线成品索时，在各成品索中沿纵向方向全长至少有一个孔道，监测元件是在成品拉索制作过程中，当冷铸式钢丝成品索、冷铸挤压式钢绞线成品索或挤压式钢绞线成品索按设计要求张拉到设计力值后再穿过孔道，监测元件的载体被加力后再被固定；构成可换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索、冷铸式钢绞线成品智能拉索或挤压式钢绞线成品索智能拉索。
所述可换监测元件的智能拉索的进一步技术方案或是：所述拉索为现场施工安装的夹片式钢绞线拉索，在夹片式钢绞线拉索的两端锚具中沿纵向方向全长至少预留有一个通孔，在拉索索体中沿纵向方向全长至少预留有一个孔道，监测元件穿过通孔及孔道，通过数据线与外界相连；
所述监测元件是在施工时，当完成钢绞线穿束、张拉、调整索工作后，再被穿入夹片式钢绞线拉索内，监测元件的载体被加力后再被固定；构成可换监测元件的夹片式钢绞线拉索智能拉索。
所述可换监测元件的智能拉索的又进一步技术方案是：所述的监测元件是光纤光栅传感器监测元件组件，该光纤光栅传感器监测元件组件包含载体、光纤、螺母，载体上沿纵向设置有至少一个凹槽，光纤放置在凹槽内，光纤上刻有光栅，光纤光栅与载体可靠耦合在其凹槽内。
所述可换监测元件的智能拉索的又进一步技术方案或是：所述的监测元件是布里渊光纤监测元件组件，该布里渊光纤监测元件组件包含载体、光纤、螺母，载体上沿纵向设置有至少一个凹槽，光纤放置在凹槽内，布里渊光纤并通过胶粘剂或压接方法与载体可靠耦合在一起。
所述可换监测元件的智能拉索的又进一步技术方案或是：所述的监测元件是振弦传感器监测元件组件，该振弦传感器监测元件组件包含载体、振弦传感器、螺母，载体上沿纵向设置有至少一个凹槽，振弦传感器放置在凹槽内，两端焊接固定。
所述可换监测元件的智能拉索的更进一步技术方案是：所述的载体是钢丝或是碳纤维棒或是玻璃纤维棒或是混杂纤维棒。
在拉索的锚固区，所述的孔道是钢管、塑料管或强度足够的其他管材，在拉索的索体部分是具有足够伸缩功能的螺旋钢丝管、钢带形成的管状空间或塑料管。
所述孔道的直径为1mm～20mm，孔道截面形状为多边形、椭圆形、圆形或椭圆环形。
相关的另一技术方案是：一种可换监测元件的拉索的制备及安装施工方法，它是上述可换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索、冷铸式钢绞线成品索智能拉索或挤压式钢绞线成品索智能拉索的制备及安装施工方法，它包括以下步骤：
A、施工准备：
A1、备料：
①按常规冷铸式钢丝成品索、冷铸挤压式钢绞线成品索或挤压式钢绞线成品索所需物料备齐拉索及锚具另部件；
②准备监测元件及制作成孔管道材料；
A2、下料：将制索用钢丝或钢绞线及成孔管道材料，根据索长及工况进行定长下料；
B、绞制绕包：钢丝或钢绞线按不同型号拉索要求带扭绞角紧密排列，将成孔管道放置其中，并用缠包带绕紧；
C、挤塑：将绕包好的钢丝或钢绞线束外热挤HDPE；
D、定长裁索：按工程要求计算制索长度，裁索；
E、制锚：将索体中的孔道与锚具中的孔道对齐，并用热缩管或插接管等连接，其余根据锚具形式按常规方法进行制锚；
F、超张拉：按标准要求进行成品索张拉；
G、包装运输到工地，挂索、张拉到设计索力；
H、装监测元件：将安装有包括光纤光栅传感器监测元件组件、布里渊光纤监测元件组件、振弦传感器监测元件组件之一种以及其它形式的应变计、温湿度传感器或其它能监测拉索状态的敏感元器件构成的监测元件组件的载体，穿入拉索预留孔中，两端用螺母固定；
I、连接：将检测端接线连接上测量仪表；
J、张拉载体：将载体张拉到一设定力值，该力值介于拉索实际力值与最小可能力值的差值和实际力值之间；将螺母锁紧在拉索的锚板或分丝板上，或将螺母锁紧在拉索锚具端盖面；
K、调索：全桥循环调整各拉索受力；
L、保护：安装拉索两端锚具防护装置。
相关的另一技术方案或是：它是上述可换监测元件的夹片式钢绞线拉索智能拉索的制备及安装施工方法，其特征在于，它包括以下步骤：
A、施工准备：
A1、备料：
①按常规夹片式钢绞线群锚所需备齐锚具另部件；
②准备监测元件及制作成孔管道材料；
A2、下料：将制索用钢丝或钢绞线，及成孔管道材料，根据索长及工况进行定长下料；
B、上下端锚具安装：在夹片式钢绞线拉索的两端锚具中至少预留一通孔，孔内安放由钢管、塑料管或强度足够的其他管材构成的刚性成孔管道，其余安装按常规方法进行；
C、HDPE护套管安装：
D、安放成孔管道及钢绞线单根挂索张拉：
将螺旋钢丝管、钢带形成的管状空间或透明的塑料管作成的具有足够伸缩功能的柔性成孔管道放置在索体中、并与之前放置在上下端锚具中心的刚性成孔管道相连接，其余安装按常规方法进行，钢绞线逐根挂索张拉；
E、整体张拉、调索：按常规方法进行；
F、装监测元件：将安装有包括光纤光栅传感器监测元件组件、布里渊光纤监测元件组件、振弦传感器监测元件组件之一种以及其它形式的应变计、温湿度传感器或其它能监测拉索状态的敏感元器件构成的监测元件组件的载体，由一端锚具穿入另一端，用螺母固定；
G、将载体张拉到一设定力值后锁紧螺母；该力值介于拉索实际力值与最小可能力值的差值和实际力值之间；
H、安装索箍减震器；
I、循环调整各拉索受力；
J、安装拉索两端锚具防护装置。
由于采取上述结构，本发明之《一种可换监测元件的智能拉索及其制备安装施工方法》具有以下有益效果：
1、在拉索服役期检修时、无需中断交通即可更换监测元件，并可对拉索内部情况进行检测和防护，方便运营管养：
由于本发明之可换监测元件的智能拉索中沿纵向方向全长预留有至少一个孔道2，该孔道2中有一监测元件3，施工时将成品拉索或现场施工安装拉索按设计要求张拉到设计力值后，再将监测元件穿入孔道，两端固定，因此监测元件3能很方便随时取出，并可以利用孔道2采用内视技术检查拉索内部情况；当拉索索体内湿度超标时，孔道2还可作为通干风的通道去除索体内水份，而且，还可以通入惰性气体或抽真空对索体受力筋材进行防护。
2、本发明之可换监测元件的智能拉索的寿命长，可与拉索寿命同步：
现有技术中的智能拉索，在制作过程中，均采用监测元件与拉索一同制索的方式，同步安装、同步受力，由于采用的检测元件能承受应力均小于拉索材料，系统成活率无法保证；其次，由于监测元件与拉索一同制索的方式、监测元件被固定在拉索内部或与拉索固定连接，当监测元件失效时，无法更换；
而本发明可换监测元件的智能拉索中沿纵向方向全长预留有至少一个孔道2，该孔道2中有一监测元件3，施工时将成品拉索或现场施工安装拉索按设计要求张拉到设计力值后，再将监测元件穿入孔道，两端固定；这种安装施工方法可保证监测元件100%有效成活；此外，给监测元件施加拉力锁固，其应变不小于拉索实测应变值与其最小可能应变值的差值，由此，监测元件可在较低应变水平下，监测较高应变状态的拉索受力，提高了监测元件的使用寿命；并可随时更换，与拉索寿命同步。
3、运输、施工安装方便：
本发明之在工厂制作的可在役更换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索、冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索以及挤压式钢绞线成品索智能拉索等成品索的成孔管道是由带螺旋的钢丝或钢带形成的管状空间，如图6、图7所示，可随拉索一起盘圈、一起受力伸长，运输、施工安装方便；孔道还可以是透明的塑料管，带状管或塑料管还可以在管壁打孔，作为通气孔，方便运营管养。
下面结合附图和实施例对本发明之一种可换监测元件的智能拉索及其制备安装施工方法的技术特征作进一步说明。
附图说明
图1是本发明可换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索和冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索结构示意图；
图2是监测元件结构示意图；
图3是图2的右视图；
图4是可换监测元件的挤压式钢绞线成品索智能拉索结构示意图；
图5是可换监测元件的夹片式钢绞线拉索智能拉索结构示意图；
图6是具有足够伸缩功能的螺旋钢丝管成孔管道结构示意图；
图7是其上带有通气孔的钢带形成的管状空间成孔管道结构示意图；
图8是安装有光纤光栅和温湿度传感器的监测元件组件结构示意图；
图9是安装有布里渊光纤的监测元件组件结构示意图；
图10是图9的右视图；
图11是安装有振弦传感器的监测元件组件结构示意图，
图12是图11的右视图；
图13是本发明可换监测元件的钢丝成品索智能拉索索体截面结构示意图之一（在拉索索体中心有1个孔道）；
图14是本发明可换监测元件的钢绞线成品索智能拉索索体截面结构示意图之一（在拉索索体中心有1个孔道）；
图15、图17是本发明可换监测元件的钢丝成品索智能拉索索体截面结构示意图之二（在拉索索体中有3个孔道）；
图16、图18是本发明可换监测元件的钢绞线成品索智能拉索索体截面结构示意图之二（在拉索索体中有2个孔道）；
图19：本发明可换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索和冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索。
图中：
1-拉索，1a-冷铸式钢丝成品索智能拉索或冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索，1b-挤压式钢绞线成品索智能拉索，1c-夹片式钢绞线拉索智能拉索；2-孔道，21-螺旋钢丝管成孔管道， 22-带有通气孔的钢带成孔管道，221-通气孔；
3-监测元件；4-螺母；5-螺纹；6-凹槽，7-载体，8-光栅，9-光纤，10-粘胶；
11-数据线，12-温湿度传感器，13-预留孔；14-钢丝，15-钢丝成品索外PE套，16-钢绞线，17-钢绞线成品索外PE套；
18-布里渊光纤，19-振弦传感器。
具体实施方式
本发明所述可换监测元件的智能拉索，包括监测元件和拉索两大部份，所述拉索包括成品拉索和现场施工安装拉索，拉索1中沿纵向方向全长至少预留有一个孔道2，该孔道2中有一监测元件3，监测元件3通过数据线11与外界相连；
所述的监测元件3包括光纤光栅传感器监测元件组件、布里渊光纤监测元件组件、振弦传感器监测元件组件以及其它形式的应变计、温湿度传感器或其它能监测拉索状态的敏感元器件构成的监测元件组件；
监测元件可以是在成品拉索制作过程中按设计要求张拉到设计力值后再穿入孔道2，施加一定的张紧力后两端锁紧固定；也可以是在现场施工安装拉索按设计要求张拉到设计力值完成施工后，再穿入孔道2，施加一定的张紧力后两端锁紧固定。
以下，根据拉索类型是成品拉索还是现场施工安装拉索结合附图将其结构特征作进一步说明。
实施例一
一种在工厂制作的可换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索和冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索：
如图1所示，所述拉索为冷铸式钢丝成品索或冷铸挤压式钢绞线成品索，在冷铸式钢丝成品索或冷铸挤压式钢绞线成品索中心全长预留有一个孔道2，
该孔道2中有一监测元件3，监测元件3通过数据线11与外界相连；
如图2所示，所述的监测元件3包含作为载体的钢丝7、光纤9、螺母4，载体7上沿纵向设置有至少一个凹槽6，光纤9放置在凹槽内（参见图3），光纤上刻有光栅8，通过耐久性好的胶粘剂或机械压接方法将光纤光栅与载体可靠耦合在其凹槽内；
上述监测元件3是在制作时，当冷铸式钢丝成品索、冷铸挤压式钢绞线成品索按设计要求张拉到设计力值后再将其穿过孔道2，监测元件3的载体的钢丝7被加力后再被固定；构成可换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索或冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索1a（其结构参见图1，索体的截面图参见图13、图14）。
作为本发明实施例一的一种变换，对于拉索是挤压式钢绞线成品索制作成的挤压式钢绞线成品索与实施例一所述冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索1a的基本结构也是一样的，在挤压式钢绞线成品索智能拉索1b中心全长预留有一个孔道2，该孔道2中有一监测元件3，该监测元件3通过数据线11与外界相连；所述所述的监测元件3如图2所示，上述监测元件3是在制作时，当挤压式钢绞线成品索按设计要求张拉到设计力值后再将其穿过孔道2，监测元件3的载体7被加力后再被固定；构成可换监测元件的挤压式钢绞线成品索智能拉索1b（参见图4）。
上述各种可换监测元件的智能拉索的索体的结构示意图参见图13、图14，图13是可换监测元件的钢丝成品索智能拉索索体截面结构示意图，图14是可换监测元件的钢绞线成品索智能拉索索体截面结构示意图。
上述在工厂制作的可在役更换监测元件的冷铸式钢丝成品索智能拉索和冷铸挤压式钢绞线成品索智能拉索的制备及安装施工方法包括以下步骤：
A、施工准备：
A1、备料：
①按常规冷铸式钢丝成品索、冷铸挤压式钢绞线成品索或挤压式钢绞线成品索所需物料备齐拉索及锚具另部件；
②准备监测元件及制作成孔管道材料（参见图2）；
A2、下料：将制索用钢丝或钢绞线及成孔管道材料，根据索长及工况进行定长下料；
B、绞制绕包：将成孔管道放置在中心，钢丝或钢绞线按不同型号拉索要求带扭绞角紧密排列，并用缠包带绕紧；
C、挤塑：将绕包好的钢丝或钢绞线束外热挤HDPE；
D、定长裁索：按工程要求计算制索长度，裁索；
E、制锚：将中心成孔管道平齐锚具端面；
F、超张拉：按标准要求进行成品索张拉；
G、包装运输到工地，挂索、张拉到设计索力；
H、装监测元件：将粘贴好光纤光栅传感器及温湿度传感器的载体，穿入拉索中心预留孔中，两端用螺母固定；
I、连接：将检测端接线连接上测量仪表；
J、张拉载体：将载体张拉到拉索设计的最小应力，将螺母锁紧在拉索的锚板上（参见图1）或将螺母锁紧在拉索锚具端盖面（参见图19）；
K、调索：全桥循环调整各拉索受力；
L、保护：安装拉索两端锚具防护装置。
实施例二
一种现场施工安装的可换监测元件的智能拉索——夹片式钢绞线拉索智能拉索：
在夹片式钢绞线拉索的两端锚具中心预留有通孔，在拉索索体中心全长预留有一个孔道2，监测元件3穿过通孔及孔道，通过数据线11与外界相连；
如图2所示，所述的监测元件3包含载体7、光纤9、螺母4，载体7上沿纵向设置有至少一个凹槽6，光纤9放置在凹槽内（参见图3），光纤上刻有光栅8，光纤光栅粘贴在载体凹槽内；
监测元件3是在施工时，当完成钢绞线穿束、张拉、调整索等工作后，再被穿入夹片式钢绞线拉索内，监测元件3的载体7被加力后再被固定；构成可换监测元件的夹片式钢绞线拉索智能拉索(参见图5)。
本发明所述一种现场施工安装的可换监测元件的智能拉索—夹片式钢绞线拉索智能拉索的制备过程包括以下步骤：
A、施工准备：
A1、备料：
①按常规夹片式钢绞线群锚所需备齐锚具另部件；
②准备监测元件（参见图2）及制作成孔管道材料；
A2、下料：将制索用钢丝或钢绞线以及成孔管道材料，根据索长及工况进行定长下料；
B、上下端锚具安装：在夹片式钢绞线拉索的两端锚具中心预留一通孔，孔内安放由钢管、塑料管或强度足够的其他管材构成的刚性成孔管道，其余安装按常规方法进行；
C、HDPE护套管安装：
D、安放成孔管道及钢绞线单根挂索张拉：
将螺旋钢丝管、钢带形成的管状空间或透明的塑料管作成的具有足够伸缩功能的柔性成孔管道放置在索体中心、并与之前放置在上下端锚具中心的刚性成孔管道相连接，将单根钢绞线放置在柔性成孔管道周围，逐条挂索张拉；
E、整体张拉、调索：按常规方法进行；
F、装监测元件：将包括粘贴好光纤光栅传感器及温湿度传感器的载体构成的监测元件，由一端锚具穿入另一端，用螺母固定；
G、张拉监测元件载体，锁紧螺母（参见图5）；
H、安装索箍减震器；
I、循环调整各拉索受力；
J、安装拉索两端锚具防护装置。
上述各实施例中，监测元件中所述的载体7可以是钢丝或是同样直径的碳纤维棒或是玻璃纤维棒或是其它能够沿纵向开凹槽的筋材,例如混杂纤维棒。
上述各实施例中，所述的孔道分为刚性和柔性两种，在拉索的锚固区，所述的孔道是钢管、塑料管或强度足够的其他管材，避免由于预留孔道对锚固性能的影响；在拉索的索体部分是具有足够伸缩功能的螺旋钢丝管、钢带形成的管状空间或透明的塑料管，避免拉索受力伸缩导致管道塌陷挤压监测元件。
为了减少对索体外径的影响和便于穿入监测元件，所述孔道的直径为1mm～20mm，孔道截面形状为多边形（包括长方形、正方形、六边形）、椭圆形、圆形或椭圆环形（跑道型）。
作为本发明实施例一、实施例二的一种变换，所述拉索1中沿纵向方向全长设置的孔道2也可以不止1个，可以为2个、3个、4个、5个或更多，根据拉索直径大小和需要而定，孔道2的位置可以是在拉索1中心，也可以设置在拉索其他部位，参见图15、图16、图17和图18，图15、图17中，在拉索索体中有3个孔道, 图15中1个位于拉索1中心、另外两个对称地位于两边；图17中， 1个位于拉索1中心、另外两个对称地位于两边；图16、图18中，在拉索索体中有2个孔道，图16中1个位于拉索1中心、另外1个位于拉索索体边缘；图18中，2个孔道都位于拉索索体边缘。
作为本发明实施例一、实施例二的一种变换，所述监测元件组件亦可为布里渊光纤监测元件组件、振弦传感器监测元件组件以及其它形式的应变计、温湿度传感器或其它能监测拉索状态的敏感元器件构成的监测元件组件；
图9、图10是安装有布里渊光纤的监测元件组件结构示意图；
图11、图12是安装有振弦传感器的监测元件组件结构示意图；
其它形式的应变计、温湿度传感器或其它能监测拉索状态的敏感元器件的安装方法是本领域技术人员能够实施的，此处不再赘述。
