专利名称：桥梁拉索受损状况的检测装置及实时检测方法
技术领域：
本发明涉及桥梁领域，具体讲是一种桥梁拉索受损状况的检测装置及实时检测方法。
背景技术：
拉索是斜拉桥、悬索桥和系杆拱桥等桥梁结构中的主要受力构件，在拉索服役期间，拉索的受力状况和动力响应直接决定整个桥梁结构的受力状况和动力响应。由于受腐蚀、疲劳等因素，长时期使用后的拉索会受到不同程度的损伤，导致拉索的拉力即轴向力下降，最终导致整个桥梁结构的承载力、强度下降，存在安全隐患，甚至会出现坍塌事故。故必须检测拉索的受损状况，及时更换受损严重的拉索，杜绝安全隐患。 现有技术对桥梁拉索的检测方法为先对一根拉索进行检测，即人们把检测仪器固定在单根拉索上，然后敲击该拉索，检测仪器记录该拉索的振动频率，然后将振动频率、该拉索的长度带入经验公式来计算该单根拉索的轴向力的大小，此后用同样的方式逐根检测其它拉索的轴向力的大小，如果计算出的某根拉索的轴向力明显小于警戒值，就更换该拉索。现有技术的检测装置及检测方法无法准确测量出拉索轴向力的大小，测量结果不精确，测量效果差，这是由多个因素造成的。首先，在用仪器采集拉索的振动频率的过程中，测量结果很容易受到外界环境因素如风力、桥面车辆振动等因素的干扰，导致测量的振动频率不准确；而且，用手敲击较短的拉索时，振动的幅度小，小幅度振动的频率不容易被采集；并且，由于拉索下端是锚固在混凝土内的，而锚固这种方式既不属于固接又不属于铰接，其边界条件无法确定，故根本无法得到准确的拉索长度；这样，基于不精确的振动频率和拉索长度计算出来的拉索轴向力自然不精确。实际上，行业内根本没有统一的公式和标准去精确获得拉索的轴向力，而是通过经验公式，粗略的判断拉索的轴向力，然后，为保险起见，把可能出现问题的拉索更换、甚至每隔一段时间将全部拉索更换掉，故浪费严重，维护成本高昂，维护过程麻烦。而且，现有技术的检测过程比较麻烦，每次检测时，需要将检测仪器与单根拉索固定，检测完后又需要将检测仪器与拉索脱开，过程繁琐、速度慢，效率低；正是因为检测过程比较繁琐，故检测的频率难以把握，如果检测频率过于频繁，检测次数过多，则十分麻烦，费时费力，而检测频率低，次数少，间隔时间长，又不能排除安全隐患。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能准确判断拉索受损状况以便及时更换受损拉索且检测过程方便、快捷的桥梁拉索受损状况的检测装置。本发明的技术解决方案是，提供一种桥梁拉索受损状况的检测装置，它包括多个检测装置单体，每个检测装置单体包括一个刚性套筒、两根电缆和一个与显示器电连接的放大器，刚性套筒内设有一个与刚性套筒同轴的压电材料的圆环套，圆环套表面包裹有绝缘层，刚性套筒内设有两块端隔板，圆环套位于两块端隔板之间，端隔板上设有供电缆穿过的通孔，一根电缆的内端经端隔板的通孔并穿透绝缘层与圆环套的内圆周面电连接，另一根电缆的内端经端隔板的通孔并穿透绝缘层与圆环套的外圆周面电连接，两根电缆的外端均与放大器电连接，端隔板和圆环套上均设有用于与拉索下端的分支钢绞线套合的中心孔。本发明要解决的另一技术问题是，提供一种能准确判断拉索受损状况以便及时更换受损拉索且监测过程方便、快捷的桥梁拉索受损状况的实时检测方法。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种桥梁 拉索受损状况的实时检测方法，其步骤包括
a、预制多个检测装置单体，每个检测装置单体包括一个刚性套筒、两根电缆和一压电材料的圆环套，圆环套位于刚性套筒内且与刚性套筒同轴，一根电缆的内端与圆环套的内圆周面电连接，另一根电缆的内端与圆环套的外圆周面电连接，两根电缆的外端伸出刚性
套筒；
b、将上端与桥体固定好的单根拉索的下端穿过桥梁锚固区混凝土预留的喇叭口型孔道，并在喇叭口型孔道内将拉索分叉成多根钢绞线；
C、给喇叭口型孔道内的每根钢绞线套上一个检测装置单体；
d、将每个检测装置单体的两根电缆接入外接电源，在外接电源电压的作用下，使得该检测装置单体的圆环套发生形变，最终使得该圆环套与钢绞线紧套合；
e、将每个检测装置单体的两根电缆与外接电源脱离，再将两根电缆与放大器电连接，而放大器是与显示器电连接的；
f、将该拉索的每根钢绞线下端与锚板固定；
g、从锚板的灌浆孔向锚板上方的喇叭口型孔道填充注浆，使得该拉索的各根钢绞线完全锚固在锚固区内，而混凝土浆液由于刚性套筒最外端的两块端隔板阻隔，不会进入刚性套筒内，此时，该拉索的封锚过程及检测装置安装过程完成；
h、拉索及拉索下端各根钢绞线的正常振动，会产生径向力，每根钢绞线的径向力会压缩紧套合在钢绞线上的压电材料的圆环套，使得圆环套的内、外圆周面之间产生电压，该电压经电缆线传递、放大器放大，最终传导在显示器上，并在显示器上形成一个关于该根钢绞线的时间和电压的波形；
i、当桥梁完工后，且显示器上关于一根钢绞线的波形的峰值在采样时间段T1内保持稳定时，记录该峰值A0作为钢绞线的标准峰值；
j、钢绞线的径向力会随着服役时间增长而逐步衰减，显示器上的实际峰值也同样会不断衰减，当实际峰值在在采样时间段T1内保持稳定时，记录该峰值作为钢绞线的比对峰值A1 ;
k、用比对峰值除以标准峰值，获得的比值如果大于警戒值，则该钢绞线受损状况合理，该钢绞线的拉索无需更换，一旦获得的比值小于警戒值，则判定该钢绞线受损，必须更换掉该钢绞线所在的拉索。该实时检测方法的原理为拉索的径向力与拉索受损乃至拉索的轴向力即拉力状况相互关联，一旦拉索受损，拉索的径向力和轴向力均会衰减，故比对拉索的径向力，就能准确判断拉索的受损状况。
本发明桥梁拉索受损状况的检测装置及实时检测方法与现有技术相比，具有以下显著优点和有益效果
利用该装置采用该方法回避了行业内无法精确测量拉索轴向力的技术难题，而是创造性的提出采用对比的方式，用比对峰值除以标准峰值得到的比值与警戒值比对，因而能准确监测到拉索的受损状况，从而准确判断拉索是否需要更换，客服了现有技术无法准确计算出拉索轴向力，无法精确判断受损状况的技术难题，故既不会因为漏掉受损拉索而产生安全隐患，又不会由于更换了未受损拉索而造成浪费，简化了维护过程，减少了维护成本；而且，该方法只需要在拉索下端封锚时一次性安装好检测装置单体，就可长期测量，而且测量过程仅仅是从显示器中得出两种峰值进行比对即可，无需像现有技术一样每测一次在每根拉索上安装一次测量仪器，故本发明的测量方法简单方便直观；又由于本发明实时检测方法简单方便，故可以更多的根据安全因素考虑，尽可能多次的测量拉索受损状况，进一步杜绝安全隐患；还由于检测装置单体安装时，压电材料的圆环套在电荷补偿的作用下，与拉索的钢绞线贴紧，故进一步精确了测量结果。
作为改进，每个检测装置单体还包括两块限位隔板，两块限位隔板的间隔等于圆环套的厚度，圆环套位于两块限位隔板之间，限位隔板上也设有供电缆穿过的通孔和用于与钢绞线套合的中心孔，这样，两块限位隔板能将圆环套沿刚性套筒的轴向限位，避免圆环套轴向滑移产生测量误差，而外端的两块端隔板能防止封锚时的混凝土进入刚性套筒，锚死钢绞线和圆环套，干扰测量。作为再改进，每块端隔板和相邻的限位隔板之间还设有一块支撑隔板，支撑隔板上也设有有供电缆穿过的通孔和用于与钢绞线套合的中心孔，这样，支撑隔板能有效支撑电缆，防止电缆纠缠打结。作为再又改进，压电材料的圆环套为钛酸钡陶瓷材料的圆环套，该材料压电性能好,且成本不贵。作为进一步改进，步骤i和步骤j中所述的采样时间段T1为45秒到75秒之间的任何一个数值，采样时间在这个范围，采样结果比较准确。作为优选，步骤i和步骤j中所述的采样时间段T1为60秒，这样的采样时间内，
采样结果最精确。作为又改进，步骤k中的警戒值为O. 8到O. 9之间，该数值下，判断结果比较准确。作为又进一步改进，步骤k中的警戒值为O. 9，该数值实在反复多次试验中得出，判断结果最为准确。


图I是本发明桥梁拉索受损状况的检测装置的半剖视结构示意图。图2是本发明桥梁拉索受损状况的检测装置的圆环套的侧剖视放大结构示意图。图3是本发明桥梁拉索受损状况的检测装置安装在拉索锚固区的结构示意图。图中所示 I、刚性套筒，2、电缆，3、圆环套，3. I、绝缘层，4、端隔板，5、通孔，6、拉索，6. I、钢绞线，7、中心孔，8、支撑隔板，9、喇叭口型孔道，10、锚板，11、限位隔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如图I、图2、图3所示，本发明桥梁拉索受损状况的检测装置，它包括多个检测装置单体。拉索6是由多根钢绞线6. I拧成的，在拉索6的下端，拧成拉索6的各钢绞线6. I分叉开。而每个检测装置单体和拉索6的每根钢绞线6. I 一一对应。每个检测装置单体包括一个刚性套筒I、两根电缆2和一个与显示器电连接的放大器。刚性套筒I内设有一个与刚性套筒I同轴的压电材料的圆环套3，压电材料的圆环套3为钛酸钡陶瓷材料的圆环套3。圆环套3表面包裹有绝缘层3. I。刚性套筒I内设有两块端隔板4，圆环套3位于两块端隔板4之间。每个检测装置单体还包括两块限位隔板11，两块限位隔板11的间隔等于圆环套3的厚度，圆环套3位于两块限位隔板11之间。每块端隔板4和相邻的限位隔板11之间还设有一块支撑隔板8，也就是说，圆环套3的一侧从内往外依次设有一块限位隔板
11、一块支撑隔板8和一块端隔板4，圆环套3的另一侧也从内往外依次设有一块限位隔板11、一块支撑隔板8和一块端隔板4。端隔板4、支撑隔板8和限位隔板11上均设有供电缆2穿过的通孔5，一根电缆2的内端依次经端隔板4的通孔5、支撑隔板8的通孔5和限位隔板11的通孔5并穿透绝缘层3. I与圆环套3的内圆周面电连接，另一根电缆2的内端也依次经端隔板4的通孔5、支撑隔板8的通孔5和限位隔板11的通孔5并穿透绝缘层3. I与圆环套3的外圆周面电连接，两根电缆2的外端均与放大器电连接。端隔板4、支撑隔板
8、限位隔板11和圆环套3上均设有用于与拉索6下端的分支钢绞线6. I套合的中心孔7，具体的说，端隔板4、支撑隔板8、限位隔板11和圆环套3上的中心孔7的孔径等于钢绞线
6.I的外径或略大于钢绞线6. I的外径，如孔径是外径的I. 05倍。如图I、图2、图3所示，本发明桥梁拉索受损状况的实时检测方法，其步骤如下。a、预制多个检测装置单体，每个检测装置单体包括一个刚性套筒I、两根电缆2和一压电材料的圆环套3，圆环套3位于刚性套筒I内且与刚性套筒I同轴，一根电缆2的内端依次经端隔板4的通孔5、支撑隔板8的通孔5和限位隔板11的通孔5并穿透绝缘层3. I与圆环套3的内圆周面电连接，另一根电缆2的内端依次经端隔板4的通孔5、支撑隔板8的通孔5和限位隔板11的通孔5并穿透绝缘层3. I与圆环套3的外圆周面电连接，两根电缆2的外端伸出刚性套筒I。b、将上端与桥体固定好的单根拉索6的下端穿过桥梁锚固区混凝土预留的喇叭口型孔道9，并在喇叭口型孔道9内将拉索6分叉成多根钢绞线6. I。C、给喇叭口型孔道9内的每根钢绞线6. I套上一个检测装置单体，其具体步骤为，将钢绞线6. I依次穿过一侧端隔板4的中心孔7、一侧支撑隔板8的中心孔7、一侧限位隔板11的中心孔7、圆环套3的中心孔7、另一侧限位隔板11的中心孔7、另一侧支撑隔板8的中心孔7和另一侧端隔板4的中心孔7。d、将每个检测装置单体的两根电缆2接入外接电源，在外接电源电压的作用下，使得该检测装置单体的圆环套3发生形变，最终使得该圆环套3与钢绞线6. I紧套合。e、将每个检测装置单体的两根电缆2与外接电源脱离，再将两根电缆2与放大器电连接，而放大器是与显示器电连接的，具体的说，就是将多个检测装置单体的放大器与同一台显示器电连接，或者是将多个检测装置单体的放大器与多台不同的显示器电连接，每台显示器会实时显示与它电连接的检测装置单体所在的钢绞线6. I的波形。f、将该拉索6的每根钢绞线6. I下端与锚板10锚接固定。
g、从锚板10的灌浆孔向锚板10上方的喇叭口型孔道9填充注浆，使得该拉索6的各根钢绞线6. I完全锚固在锚固区内，而混凝土浆液由于刚性套筒I最外端的两块端隔板4阻隔，不会进入刚性套筒I内，此时，该拉索6的封锚过程及检测装置安装过程完成。h、拉索6及拉索6下端各根钢绞线6. I的正常振动，会产生径向力，每根钢绞线 6.I的径向力会压缩紧套合在钢绞线6. I上的压电材料的圆环套3，使得圆环套3的内、夕卜圆周面之间产生电压，该电压经电缆2传递、放大器放大，最终传导在显示器上，并在显示器上形成一个关于该根钢绞线6. I的时间和电压的波形；由于每根钢绞线6. I的径向力与显示器上显示的波形的电压值呈正比，故该显示器上关于时间和电压的波形就能直观真实可靠的显示该钢绞线6. I的径向力随时间变化的波形，也就是说，显示器上的波形与钢绞线6. I的径向力随时间变化的波形的周期、频率、相位均相等，显示器的波形的峰值能真实反映钢绞线6. I径向力的峰值。钢绞线6. I的径向力与显示器上显示的波形的电压值呈正比，这是因为
受到径向力F作用时，圆环套3产生电荷Q，径向力F和电荷Q之间的关系式为Q ^', d为压电常数，是根据材料选择的一个定值，如太酸钡材料的压电常数一般取
rf-190xl(r C/JV ;而圆环套3产生的电压U的公式为’而Ce = ^，其中，S是压
电材料的受压面积，它是有压电材料本身的尺寸决定的，对于具体的尺寸确定的压电材料圆环套来说，S就是一个定值，同样，S是压电材料的厚度，对于具体尺寸的圆环套来说，S
也是一个定值，4是真空介电常数，它本来就是一个定值，&是压电材料相对介电常数，也是根据材料选择的一个定值，对于具体的材料太酸钡来说，A也是定值，即由于Cr、、ib、
S都是定值，故Ca也是定值，圆环套3受力产生的电压，d、Ca都是定值，故U与F
成正比，而圆环套3产生的电压会被放大器及显示器放大，最后在显示器上的电压碑-ni/，其中η为放大倍数，它由显示器、放大器的具体型号决定，换句话说，对具体的显示器和放
大器而言，η也是定值。综上，显示器上的电压,由于n、d、Ca为定值，故径向力
F与显示器上的电压Uy呈正比。i、当桥梁完工后，且显示器上关于一根钢绞线6. I的波形的峰值在采样时间段Tl内保持稳定时，记录该峰值Atl作为钢绞线6. I的标准峰值，换句话说，在采样时间段T1内，显示器上波形的多个相邻周期的峰值相等，那该峰值就作为标准峰值；采样时间段T1为45秒到75秒之间的任何一个数值，如45秒内、50秒内或70秒内等等，采样时间段T1优选60秒。j、钢绞线6. I的径向力会随着服役时间增长而逐步衰减，显示器上的实际峰值也同样会不断衰减，当实际峰值在在采样时间段1\内保持稳定时，记录该峰值作为钢绞线6. I的比对峰值A1 ;换句话说，在采样时间段T1内，显示器上波形的多个相邻周期的峰值相等，那该峰值就作为比对峰值；采样时间段T1为45秒到75秒之间的任何一个数值，如45秒内、50秒内或70秒内等等，采样时间段T1优选60秒。k、用比对峰值除以正常峰值，获得的比值如果大于警戒值，则该钢绞线6. I受损状况合理，该钢绞线6. I所在的拉索6无需更换，一旦获得的比值小于警戒值，则判定该钢绞线6. I受损，必须更换掉该钢绞线6. I所在的拉索6 ;警戒值为O. 8到O. 9之间，优选O. 9。权利要求
1.一种桥梁拉索受损状况的检测装置，其特征在于它包括多个检测装置单体，每个检测装置单体包括一个刚性套筒(I)、两根电缆(2)和一个与显示器电连接的放大器，刚性套筒(I)内设有一个与刚性套筒(I)同轴的压电材料的圆环套(3)，圆环套(3)表面包裹有绝缘层(3. 1)，刚性套筒(I)内设有两块端隔板(4)，圆环套(3)位于两块端隔板(4)之间，端隔板(4)上设有供电缆(2)穿过的通孔(5)，一根电缆(2)的内端经端隔板(4)的通孔(5)并穿透绝缘层(3. I)与圆环套(3)的内圆周面电连接，另一根电缆(2)的内端经端隔板(4)的通孔(5)并穿透绝缘层(3. I)与圆环套(3)的外圆周面电连接，两根电缆(2)的外端均与放大器电连接，端隔板(4)和圆环套(3)上均设有用于与拉索(6)下端的分支钢绞线(6. I)套合的中心孔(7)。
2.根据权利要求I所述的桥梁拉索受损状况的检测装置，其特征在于每个检测装置单体还包括两块限位隔板(11)，两块限位隔板(11)的间隔等于圆环套(3)的厚度，圆环套(3 )位于两块限位隔板(11)之间，限位隔板(11)上也设有供电缆(2 )穿过的通孔(5 )和用于与钢绞线(6. I)套合的中心孔(7)。
3.根据权利要求2所述的桥梁拉索受损状况的检测装置，其特征在于每块端隔板(4)和相邻的限位隔板(11)之间还设有一块支撑隔板(8)，支撑隔板(8)上也设有供电缆(2)穿过的通孔(5)和用于与钢绞线(6. I)套合的中心孔(7)。
4.根据权利要求I所述的桥梁拉索受损状况的检测装置，其特征在于压电材料的圆环套(3)为钛酸钡陶瓷材料的圆环套(3)。
5.一种桥梁拉索受损状况的实时检测方法，其特征在于其步骤包括 a、预制多个检测装置单体，每个检测装置单体包括一个刚性套筒(I)、两根电缆(2)和一压电材料的圆环套(3)，圆环套(3)位于刚性套筒(I)内且与刚性套筒(I)同轴，一根电缆(2)的内端与圆环套(3)的内圆周面电连接，另一根电缆(2)的内端与圆环套(3)的外圆周面电连接，两根电缆(2)的外端伸出刚性套筒(I)； b、将上端与桥体固定好的单根拉索(6)的下端穿过桥梁锚固区混凝土预留的喇叭口型孔道(9)，并在喇叭口型孔道(9)内将拉索(6)分叉成多根钢绞线(6. I)； C、给喇叭口型孔道(9)内的每根钢绞线(6. I)套上一个检测装置单体； d、将每个检测装置单体的两根电缆(2)接入外接电源，在外接电源电压的作用下，使得该检测装置单体的圆环套(3)发生形变，最终使得该圆环套(3)与钢绞线(6. I)紧套合； e、将每个检测装置单体的两根电缆(2)与外接电源脱离，再将两根电缆(2)与放大器电连接，而放大器是与显示器电连接的； f、将该拉索(6)的每根钢绞线(6.I)下端与锚板(10)固定； g、从锚板(10)的灌浆孔向锚板(10)上方的喇叭口型孔道(9)内填充注浆，使得该拉索(6)的各根钢绞线(6. I)完全锚固在锚固区内，而混凝土浆液由于刚性套筒(I)最外端的两块端隔板(4)阻隔，不会进入刚性套筒(I)内，此时，该拉索(6)的封锚过程及检测装置安装过程完成； h、拉索(6)及拉索(6)下端各根钢绞线(6.I)的正常振动，会产生径向力，每根钢绞线(6. I)的径向力会压缩紧套合在钢绞线(6. I)上的压电材料的圆环套(3)，使得圆环套(3)的内、外圆周面之间产生电压，该电压经电缆(2)传递、放大器放大，最终传导在显示器上，并在显示器上形成一个关于该根钢绞线(6. I)的时间和电压的波形；i、当桥梁完工后，且显示器上关于一根钢绞线(6. I)的波形的峰值在采样时间段T1内保持稳定时，记录该峰值Atl作为钢绞线(6. I)的标准峰值； j、钢绞线(6. I)的径向力会随着服役时间增长而逐步衰减，显示器上的实际峰值也同样会不断衰减，当实际峰值在在采样时间段1\内保持稳定时，记录该峰值作为钢绞线(6. I)的比对峰值A1 ； k、用比对峰值除以标准峰值，获得的比值如果大于警戒值，则该钢绞线(6. I)受损状况合理，该钢绞线(6. I)所在的拉索(6)无需更换，一旦获得的比值小于警戒值，则判定该钢绞线(6. I)受损，必须更换掉该钢绞线(6. I)所在的拉索(6)。
6.根据权利要求5所述的桥梁拉索受损状况的实时检测方法，其特征在于步骤i和步骤j中所述的采样时间段T1为45秒到75秒之间的任何一个数值。
7.根据权利要求6所述的桥梁拉索受损状况的实时检测方法，其特征在于步骤i和步骤j中所述的采样时间段T1为60秒。
8.根据权利要求5所述的桥梁拉索受损状况的实时检测方法，其特征在于步骤k中的警戒值为O. 8到O. 9之间。
9.根据权利要求8所述的桥梁拉索受损状况的实时检测方法，其特征在于步骤k中的警戒值为0.9。
全文摘要
本发明公开了一种桥梁拉索受损状况的检测装置及实时检测方法，该装置包括多个检测装置单体，每个检测装置单体包括一个刚性套筒(1)、两根电缆和一个与显示器电连接的放大器，刚性套筒(1)内设有一个与刚性套筒(1)同轴的压电材料的圆环套(3)，圆环套(3)表面包裹有绝缘层，两根电缆的内端与圆环套(3)电连接，两根电缆的外端均与放大器电连接；该方法的关键在于收集峰值进行比对，以此判断拉索的受损状况。该检测装置及实时检测方法能准确判断拉索受损状况以便及时更换受损拉索且检测过程方便、快捷。
文档编号G01L1/16GK102654424SQ20121015303
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者常全辉, 彭卫, 查支祥, 王银辉 申请人:浙江大学宁波理工学院