基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法技术

本发明专利技术提供了基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法，监测钢索包括钢索、电源和电阻信号采集仪，其中，适用于新建桥梁的监测钢索中，各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一和第二锚杯固定于第一和第二导电锚定板上并由第一和第二导电锚定板联接为一导体，第一绝缘导线的一端穿过第一锚杯固定于第一导电锚定板上且其端部的线芯与第一导电锚定板联接为一导体、另一端穿过第二锚杯和第二导电锚定板经电阻信号采集仪与电源连接，第二导电锚定板通过第二绝缘导线与电源连接。适用于现役桥梁的监测钢索中，各钢丝或钢绞线的两端分别穿过锚杯固定于导电锚定板上并通过导电锚定板联接为一导体；各电锚定板通过第三绝缘导线连接电源和电阻信号采集仪。

【技术实现步骤摘要】
基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法
本专利技术属于钢索服役状态监测领域，涉及基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法，适用于中承式或下承式拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆等。
技术介绍
截止目前，中国桥梁总量已超过70万座。随着科学技术的进一步发展，大跨度桥梁所占比重将越来越大。大跨度桥梁常使用缆索承重体系，在现有的以索力检测和损伤监测为主的监测手段下，仍然时有拉索骤断毁桥的事故发生，造成了巨大的生命财产损失，如隶属于314国道的新疆孔雀河大桥，于2011年吊杆断裂，造成桥面坠毁，6人受伤。经统计，大部分桥梁缆索的使用寿命在20年以下，按照我国《公路桥涵设计通用规范》的规定，公路桥涵设计基准期为100年，在桥梁基准期内至少要换索4～6次。按照目前“疑断则换”、“换则全换”的换索技术，换索费用将会非常高，如委内瑞拉的马拉开波桥，在通车20年后全桥换索，整个工程耗资5000万美元，历时10个月。钢索作为桥梁的主要承重构件，为体外构件，长期处于高应力状态下，对外界侵害比较敏感，在环境和荷载双重作用下，会出现应力腐蚀、疲劳腐蚀等腐蚀破坏。由于环境条件及载荷的不确定性，对于整个拉吊索来说，不同位置处钢丝的腐蚀程度、应力状态各不相同，可能有的钢丝已经处于断丝状态，而有的钢丝则完好无损，仍能继续承载。这对于如何确定性的保证拉吊索的服役安全性提出了巨大的挑战。对于拉索与吊索，无论采用哪种防护措施，都不可能完全避免拉吊索的钢丝发生锈蚀。国内外学者也做了很多相关研究，但经统计，现有技术中有关腐蚀及疲劳腐蚀的实验，均没有对腐蚀程度(即何为轻微腐蚀、一般腐蚀、严重腐蚀)进行量化的定义，也没有得到确定的剩余强度与腐蚀程度(对应于不同的截面削弱)之间的相关关系，因此如何衡量钢索的服役状态，仍然是目前需要解决的重要问题之一。ZL201620590695.8公开了一种钢索损伤或断丝信号控制系统，该控制系统基于钢索导电原理，通过对钢索中每根钢丝或选定的若干表层钢丝进行电流采集，利用电流与钢丝断丝的关系，可以判断被监测的钢丝是否断丝。但该控制系统要求对钢索中的钢丝之间进行绝缘处理才能顺利实现检测，对所有钢丝进行绝缘处理，不但使得监测系统的构造复杂，而且会增加钢索制造处理工序，不易实现。该控制系统只能判断被监测的钢丝是否发生断丝，无法识别当钢丝部分锈蚀后出现截面削弱和强度下降问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供基于电阻变化的监测钢索及钢索服役状态监测方法，以解决现有监测钢索无法识别钢丝部分锈蚀后出现截面削弱和强度下降的问题。本专利技术提供的适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索、钢索防护套、电源，钢索由若干根钢丝或钢绞线组成，钢索位于钢索防护套中，还包括第一绝缘导线、第二绝缘导线和电阻信号采集仪；各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯和第二锚杯固定于第一导电锚定板和第二导电锚定板上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板和第二导电锚定板联接为一导体，第一绝缘导线位于钢索中心，第一绝缘导线的一端穿过第一锚杯固定于第一导电锚定板上且第一绝缘导线端部的线芯与第一导电锚定板联接为一导体，第一绝缘导线的另一端穿过第二锚杯和第二导电锚定板经电阻信号采集仪与电源的一端连接，第二导电锚定板通过第二绝缘导线与电源的另一端连接；电源、电阻信号采集仪、第一绝缘导线、第二绝缘导线和钢索形成一个电学回路。上述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，所述电阻信号采集仪为电阻测试仪或者智能电量测量仪。上述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，第一锚杯和第二锚杯分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈；或者，第一导电锚定板与第一锚杯之间设有绝缘垫圈，第二导电锚定板和第二锚杯之间设有绝缘垫圈。本专利技术还提供了一种适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索、钢索防护套、电源，钢索由若干根钢丝或钢绞线组成，钢索位于钢索防护套中，还包括第三绝缘导线和电阻信号采集仪，各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯和第二锚杯固定于第一导电锚定板和第二导电锚定板上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板和第二导电锚定板联接为一导体；第一导电锚定板和第二导电锚定板通过第三绝缘导线连接电源和电阻信号采集仪；电源、电阻信号采集仪、第三绝缘导线和钢索形成一个电学回路。上述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，所述电阻信号采集仪为电阻测试仪或者智能电量测量仪。上述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索的技术方案中，第一锚杯和第二锚杯分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈。本专利技术还提供了一种钢索服役状态监测方法，该方法的步骤如下：①在新建桥梁上采用上述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，或者是将现役桥梁上的钢索改造成上述适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索；②选用材质与监测钢索材质相同的钢索作为电阻测试钢索，对电阻测试钢索进行不同程度的截面削弱，测定钢索在不同截面削弱程度下对应的电阻值，计算电阻测试钢索相对于初始状态下的电阻变化率，确定钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同的钢索作为剩余强度测试钢索，对剩余强度测试钢索进行不同程度的腐蚀，测定不同腐蚀程度的钢索的截面削弱程度和对应的剩余强度，确定钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系；③监测步骤①中的监测钢索的电阻，计算相对于初始状态下的电阻变化率，根据电阻变化率确定监测钢索截面削弱程度，进而确定监测钢索的剩余强度，计算监测钢索的剩余承载力，将监测钢索的剩余承载力与桥梁钢索的设计索力相比较，即可得知钢索的服役状态。上述钢索服役状态监测方法的步骤②中，引入钢索应力历史及锈蚀程度对电阻变化率的影响作为修正因素，来进一步提高钢索电阻变化率与钢索截面削弱程度之间的定量相关关系的准确性；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同且服役到期后的钢索进行电阻测试，即可确定钢索应力历史和锈蚀程度对电阻变化率的影响。上述钢索服役状态监测方法的步骤②中，引入钢索应力历史和锈蚀程度对剩余强度的影响作为修正因素，来进一步提高钢索截面削弱程度与剩余强度之间的定量相关关系的准确性；选用材质和初始横截面结构与监测钢索相同且服役到期后的钢索进行强度测试，即可确定钢丝应力历史和锈蚀程度对剩余强度的影响。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术提供了适用于新建桥梁和现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，该监测钢索将整个钢索作为一个电阻应变片，采用电阻信号采集仪实时采集电阻信号，当钢索发生拉伸变形、腐蚀等均会造成钢索截面削弱，相应地，钢索的电阻就会发生变化，而钢索截面削弱与钢索的剩余强度密切相关，由钢索电阻变化—截面削弱—剩余强度的相关关系，根据钢索电阻变化情况可确定钢索的剩余强度，进而确定钢索的剩余承载力，将钢索的剩余承载力与设计索力比较，可确定钢索的服役状态，即钢索是处于正常服役状态、还是存在断索危险，从而确定是否需要换索。采用本专利技术的监测钢索可实现对每根钢索进行单独的实时监测，实现“损一换一”的目的，对在役桥梁和新建桥梁均适用，对于现行的“换则全换”的方法，有巨大的经济效益本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索(1)、钢索防护套(2)、电源(3)，钢索(1)由若干根钢丝(4)或钢绞线(5)组成，钢索(1)位于钢索防护套(2)中，其特征在于还包括第一绝缘导线(6)、第二绝缘导线(7)和电阻信号采集仪(8)；各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯(9)和第二锚杯(10)固定于第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)联接为一导体，第一绝缘导线(6)位于钢索中心，第一绝缘导线(6)的一端穿过第一锚杯(9)固定于第一导电锚定板(11)上且第一绝缘导线(6)端部的线芯与第一导电锚定板(11)联接为一导体，第一绝缘导线(6)的另一端穿过第二锚杯(10)和第二导电锚定板(12)经电阻信号采集仪(8)与电源(3)的一端连接，第二导电锚定板(12)通过第二绝缘导线(7)与电源(3)的另一端连接；电源(3)、电阻信号采集仪(8)、第一绝缘导线(6)、第二绝缘导线(7)和钢索(1)形成一个电学回路。

【技术特征摘要】
1.适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索(1)、钢索防护套(2)、电源(3)，钢索(1)由若干根钢丝(4)或钢绞线(5)组成，钢索(1)位于钢索防护套(2)中，其特征在于还包括第一绝缘导线(6)、第二绝缘导线(7)和电阻信号采集仪(8)；各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯(9)和第二锚杯(10)固定于第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)联接为一导体，第一绝缘导线(6)位于钢索中心，第一绝缘导线(6)的一端穿过第一锚杯(9)固定于第一导电锚定板(11)上且第一绝缘导线(6)端部的线芯与第一导电锚定板(11)联接为一导体，第一绝缘导线(6)的另一端穿过第二锚杯(10)和第二导电锚定板(12)经电阻信号采集仪(8)与电源(3)的一端连接，第二导电锚定板(12)通过第二绝缘导线(7)与电源(3)的另一端连接；电源(3)、电阻信号采集仪(8)、第一绝缘导线(6)、第二绝缘导线(7)和钢索(1)形成一个电学回路。2.根据权利要求1所述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，其特征在于，所述电阻信号采集仪(8)为电阻测试仪或者智能电量测量仪。3.根据权利要求1或2所述适用于新建桥梁的基于电阻变化的监测钢索，其特征在于，第一锚杯(9)和第二锚杯(10)分别通过螺母固定在桥梁结构主体上，在螺母与桥梁结构主体之间设有绝缘垫圈(13)；或者，第一导电锚定板与第一锚杯之间设有绝缘垫圈(13)，第二导电锚定板和第二锚杯之间设有绝缘垫圈(13)。4.适用于现役桥梁的基于电阻变化的监测钢索，包括钢索(1)、钢索防护套(2)、电源(3)，钢索(1)由若干根钢丝(4)或钢绞线(5)组成，钢索(1)位于钢索防护套(2)中，其特征在于还包括第三绝缘导线(14)和电阻信号采集仪(8)，各钢丝或钢绞线的两端分别穿过第一锚杯(9)和第二锚杯(10)固定于第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)上，各钢丝或钢绞线通过第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)联接为一导体；第一导电锚定板(11)和第二导电锚定板(12)通过第三绝缘导线(14)连接电源(3)和电阻信号采集仪(8)；电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖光明，焦方会，杨华龙，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51