索橋索力檢測儀研究

金 雷 趙紅巖 王 丹 王智學(xué) 金春福

（遼寧省交通高等專科學(xué)校， 遼寧 沈陽 110122）

1 概述

我國是橋梁大國， 索橋以其施工、性能特點(diǎn)被越來越多的使用。 索橋索力［1］監(jiān)測， 無論是在索橋的建設(shè)過程中， 還是在其日常維護(hù)監(jiān)測中， 都具有舉足輕重的地位。 索力是否處在合理的范圍內(nèi)將直接影響結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和線形的平順程度， 也是事故的主要因素。 因此， 對拉索的索力［2］進(jìn)行定時(shí)的測試是斜拉橋、下承式拱橋和懸索橋等帶索拉索橋日常維護(hù)的重要內(nèi)容。 進(jìn)行索力測試時(shí)， 較為常見的四種方法［3］：油壓法、壓力法、磁通法和頻率法。 不同的工程， 不同的測試方法。 但普遍存在監(jiān)測困難、測量誤差較大、成本較高等問題， 如頻率法雖然較為常用且效果較好， 但在測最短拉索時(shí)誤差較大。

針對上述問題， 本項(xiàng)目提出一種測量索橋索力的裝置。 以壓電式力傳感器［4］為核心力敏，設(shè)計(jì)監(jiān)測裝置。 確保在傳感器失效、損壞等極端環(huán)境下， 拉索預(yù)緊力不發(fā)生改變。 變拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力， 切合壓電式力傳感器特點(diǎn)。 利用分載原理擴(kuò)大傳感器測力范圍， 適合橋梁重載情況。引入記憶合金建立溫控測力耦合系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)傳感器的再預(yù)緊。 利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)， 建立橋模。進(jìn)行受力分析、設(shè)計(jì)索力監(jiān)測裝置， 完成系統(tǒng)搭建， 最終實(shí)現(xiàn)拉索橋索力的測量。

2 建模

在研究了典型索橋結(jié)構(gòu)后， 對索橋進(jìn)行數(shù)字化建模， 采用REVIT 等軟件， 設(shè)計(jì)索橋模型如圖1 （a） 所示。 索橋由橋墩、橋體和拉索構(gòu)成。橋體與橋墩無明顯承載關(guān)系， 既所有橋體重量均有拉索承擔(dān)。 考察單索受力情況， 如圖1 （b） 所示， 橋體重量產(chǎn)生拉伸作用F， 根據(jù)彈性定律，拉索產(chǎn)生Δx 形變。 進(jìn)行拉壓轉(zhuǎn)化， 如圖1 （c）所示， 施加外載將拉索拉伸， 裝入傳感器及楔形塊， 卸荷外載， 傳感器由楔形塊壓緊于橋面底部， 將拉索拉力轉(zhuǎn)化為對傳感器的壓力。 傳感器、橋面、楔形塊示意圖如圖1 （d） 所示。 最終， 提出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 （e） 所示， 由橋體1、2， 橋索3， 索力動態(tài)檢測4 傳感器及標(biāo)定用拉力傳感器5 組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)模型

3 索力測量傳感器設(shè)計(jì)

索力檢測， 基于壓電晶體的壓電感應(yīng)效應(yīng)，采用小型化、微型化、嵌入式設(shè)計(jì)晶組作為力敏， 采用成型電荷放大器模組， 構(gòu)成信號處理系統(tǒng)， 對索橋索力進(jìn)行動態(tài)測量。 壓電式力傳感器晶組結(jié)構(gòu)， 如圖2 （a） 所示， 壓電晶體反向疊放， 中心為芯電極。 壓電晶體在法向力作用下，產(chǎn)生感生電動勢， 芯電極為一極， 一般為正極；將上下晶片的表面連接到一起為另一極， 一般與傳感器殼體金屬導(dǎo)通， 作為接地。 基于晶組設(shè)計(jì)壓電式力傳感器如圖2 （b） 所示。

圖2 索力檢測用壓電式傳感器及其晶組

根據(jù)索橋拉索技術(shù)特點(diǎn)， 針對單根拉索情況， 設(shè)計(jì)索力監(jiān)測裝置如下圖3 所示。 索力監(jiān)測裝置包括上下蓋， 分載體、傳感器和記憶合金墊圈。 左側(cè)為CAD 二維圖， 詳細(xì)表示了各部細(xì)節(jié)；中圖為原理示意圖， 其中1 為頂蓋， 2 為分載體，3 為記憶合金壓環(huán)， 4 為傳感器； 右圖為零件裝配爆炸圖。 三維裝配圖如圖4 所示， 索力監(jiān)測裝置具備如下特點(diǎn)。

圖3 索橋索力動態(tài)測量儀

圖4 索力監(jiān)測裝置

（1） 設(shè)計(jì)測量保險(xiǎn)裝置。

索橋索力測量裝置在建橋時(shí)植入， 在實(shí)際使用過程中， 需要安全穩(wěn)定。 由于法蘭結(jié)構(gòu)中有非304 金屬材料——壓電晶體， 其有破碎、損壞的可能性， 存在不穩(wěn)定因素， 需要對裝置設(shè)計(jì)保險(xiǎn)環(huán)節(jié)。 如圖4 所示， 傳感器內(nèi)部有任何問題， 索力由3 分載塊承載， 對索橋拉索預(yù)緊力不改變，形成保險(xiǎn)效應(yīng)。

（2） 利用分載效應(yīng)， 提高索力測量范圍。

通過傳感器與分載塊面積之比， 形成分載效應(yīng)， 使得傳感器部分承擔(dān)預(yù)緊力， 擴(kuò)大傳感器測量范圍。 如圖4 所示， 4 為傳感器環(huán)節(jié)， 3 為記憶合金環(huán)， 傳感器與記憶合金環(huán)共同構(gòu)成索力監(jiān)測力敏， 2 為分載塊結(jié)構(gòu)。

（3） 引入記憶合金環(huán)， 實(shí)現(xiàn)溫控耦合測量。

當(dāng)升高記憶合金溫度， 達(dá)到臨界點(diǎn)后， 記憶合金拉伸， 張緊傳感器產(chǎn)生， 傳感器承載開始測量； 當(dāng)降溫， 記憶合金收縮， 傳感器不參與測量。 如圖5 所示。

圖5 分載原理示意圖

4 索橋索力測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上， 采用304 不銹鋼制作實(shí)驗(yàn)用模型， 如圖6 所示。 受場地所限， 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閿?shù)字模型的一半。 外購標(biāo)準(zhǔn)壓電式拉力傳感器， 串入拉索內(nèi)， 為了保證平衡， 加工拉力傳感器配重， 串入另一根拉索內(nèi)。 采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加載荷， 砝碼可置于橋面上方， 也可懸掛于橋面下掛鉤處。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)索力測量裝置置于橋面下方， 拉壓轉(zhuǎn)換進(jìn)行測量。 設(shè)計(jì)調(diào)整墊塊， 保證索力載荷垂直于傳感器法向平面。 采用電荷放大器作為二次儀表。 采用5kg 砝碼預(yù)緊拉索， 分別施加1-9kg 砝碼， 產(chǎn)生增量， 每種規(guī)格砝碼測量5次， 取均值。 外購拉力傳感器及本項(xiàng)目設(shè)計(jì)索力檢測儀所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖6 索橋索力實(shí)驗(yàn)裝置

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

可見， 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)傳感器在整理量程內(nèi)，線性度較好， 在高載荷情況下更接近標(biāo)準(zhǔn)值， 可見低載荷情況下存在一定誤差， 分析可能由于鋼絲張力的原因。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 所設(shè)計(jì)索力檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)索力測量。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目基于壓電式力傳感器設(shè)計(jì)索橋索力動態(tài)檢測儀， 采用壓電石英晶體作為力敏， 利用分載機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小傳感器大量程， 另外作為保險(xiǎn)裝置確保橋梁安全性， 引入記憶合金實(shí)現(xiàn)溫控耦合測量， 提高傳感器壽命。 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證， 所設(shè)計(jì)傳感器在0.5-5kg 量程內(nèi)， 線性度較好， 可以實(shí)現(xiàn)索力檢測。