索桥索力检测仪研究

2022-03-05赵红岩王智学金春福

辽宁省交通高等专科学校学报 2022年6期

金雷赵红岩王丹王智学金春福

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳 110122）

1 概述

我国是桥梁大国，索桥以其施工、性能特点被越来越多的使用。索桥索力［1］监测，无论是在索桥的建设过程中，还是在其日常维护监测中，都具有举足轻重的地位。索力是否处在合理的范围内将直接影响结构的整体受力状态和线形的平顺程度，也是事故的主要因素。因此，对拉索的索力［2］进行定时的测试是斜拉桥、下承式拱桥和悬索桥等带索拉索桥日常维护的重要内容。进行索力测试时，较为常见的四种方法［3］：油压法、压力法、磁通法和频率法。不同的工程，不同的测试方法。但普遍存在监测困难、测量误差较大、成本较高等问题，如频率法虽然较为常用且效果较好，但在测最短拉索时误差较大。

针对上述问题，本项目提出一种测量索桥索力的装置。以压电式力传感器［4］为核心力敏，设计监测装置。确保在传感器失效、损坏等极端环境下，拉索预紧力不发生改变。变拉应力转化为压应力，切合压电式力传感器特点。利用分载原理扩大传感器测力范围，适合桥梁重载情况。引入记忆合金建立温控测力耦合系统，实现传感器的再预紧。利用数字化设计技术，建立桥模。进行受力分析、设计索力监测装置，完成系统搭建，最终实现拉索桥索力的测量。

2 建模

在研究了典型索桥结构后，对索桥进行数字化建模，采用REVIT 等软件，设计索桥模型如图1 （a）所示。索桥由桥墩、桥体和拉索构成。桥体与桥墩无明显承载关系，既所有桥体重量均有拉索承担。考察单索受力情况，如图1 （b）所示，桥体重量产生拉伸作用F，根据弹性定律，拉索产生Δx 形变。进行拉压转化，如图1 （c）所示，施加外载将拉索拉伸，装入传感器及楔形块，卸荷外载，传感器由楔形块压紧于桥面底部，将拉索拉力转化为对传感器的压力。传感器、桥面、楔形块示意图如图1 （d）所示。最终，提出实验模型如图1 （e）所示，由桥体1、2，桥索3，索力动态检测4 传感器及标定用拉力传感器5 组成。

图1 实验相关模型

3 索力测量传感器设计

索力检测，基于压电晶体的压电感应效应，采用小型化、微型化、嵌入式设计晶组作为力敏，采用成型电荷放大器模组，构成信号处理系统，对索桥索力进行动态测量。压电式力传感器晶组结构，如图2 （a）所示，压电晶体反向叠放，中心为芯电极。压电晶体在法向力作用下，产生感生电动势，芯电极为一极，一般为正极；将上下晶片的表面连接到一起为另一极，一般与传感器壳体金属导通，作为接地。基于晶组设计压电式力传感器如图2 （b）所示。

图2 索力检测用压电式传感器及其晶组

根据索桥拉索技术特点，针对单根拉索情况，设计索力监测装置如下图3 所示。索力监测装置包括上下盖，分载体、传感器和记忆合金垫圈。左侧为CAD 二维图，详细表示了各部细节；中图为原理示意图，其中1 为顶盖， 2 为分载体，3 为记忆合金压环， 4 为传感器；右图为零件装配爆炸图。三维装配图如图4 所示，索力监测装置具备如下特点。

图3 索桥索力动态测量仪

图4 索力监测装置

（1）设计测量保险装置。

索桥索力测量装置在建桥时植入，在实际使用过程中，需要安全稳定。由于法兰结构中有非304 金属材料——压电晶体，其有破碎、损坏的可能性，存在不稳定因素，需要对装置设计保险环节。如图4 所示，传感器内部有任何问题，索力由3 分载块承载，对索桥拉索预紧力不改变，形成保险效应。

（2）利用分载效应，提高索力测量范围。

通过传感器与分载块面积之比，形成分载效应，使得传感器部分承担预紧力，扩大传感器测量范围。如图4 所示， 4 为传感器环节， 3 为记忆合金环，传感器与记忆合金环共同构成索力监测力敏， 2 为分载块结构。

（3）引入记忆合金环，实现温控耦合测量。

当升高记忆合金温度，达到临界点后，记忆合金拉伸，张紧传感器产生，传感器承载开始测量；当降温，记忆合金收缩，传感器不参与测量。如图5 所示。

图5 分载原理示意图

4 索桥索力测量实验与结论

在数字建模的基础上，采用304 不锈钢制作实验用模型，如图6 所示。受场地所限，实验模型为数字模型的一半。外购标准压电式拉力传感器，串入拉索内，为了保证平衡，加工拉力传感器配重，串入另一根拉索内。采用标准砝码施加载荷，砝码可置于桥面上方，也可悬挂于桥面下挂钩处。本项目设计索力测量装置置于桥面下方，拉压转换进行测量。设计调整垫块，保证索力载荷垂直于传感器法向平面。采用电荷放大器作为二次仪表。采用5kg 砝码预紧拉索，分别施加1-9kg 砝码，产生增量，每种规格砝码测量5次，取均值。外购拉力传感器及本项目设计索力检测仪所得实验数据如表1 所示。