光纤光栅智能拉索 (一)、所属领域
本发明涉及的是一种用于斜拉桥、吊杆拱桥、缆索、悬索桥等拉索体系的智能拉索，具体地说是一种具有自动监测功能的拉索。
(二)、背景技术
斜拉桥拉索、拱桥吊杆、缆索、悬索等拉索构件是桥梁、索道等结构的核心重要构件。因为桥梁结构的自由度小，尤其吊杆拱桥结构，拉索起到“牵一发动全身”的关键作用。由于环境腐蚀、疲劳损伤、服役内力重分布等原因，拉索极易受到损伤，其服役时间往往比预先设计的短的多，且换索的费用很高，一般在原桥总造价的一倍以上，为原拉索造价的数十倍。如德国KohibrandEstuary桥，建成3年后换索，耗资6000万美元，为原造价的4倍。此外，拉索内部的钢丝由于受力不均很容易导致部分钢丝(或钢绞线)的应力差别很大，个别钢丝会预先达到屈服，甚至断丝，最终导致拉索中的钢丝全部失效。因此，拉索的受力监测(或检测)与损伤检测、评价意义重大。目前对索的受力测试、损伤评价和换索决策主要依靠加速度测试、腐蚀检测和磁圈检测技术，这些技术存在精度低、可操作性差、受干扰稳定性差、不能实时在线监测等缺点。拉索的受力和损伤评价亟需可靠的测试手段技术。
(三)、发明内容
本发明的目的在于提供一种具有智能特性的光纤光栅智能拉索。
本发明的目地是这样实现的：它包括钢丝或钢绞线和包在钢丝或钢绞线外的护套，在钢丝或钢绞线中沿长度方向布设有与钢丝或钢绞线结合成一体的光纤光栅传感器。本发明还可以包括这样一些结构特征：1、光纤光栅传感器中串有温度补偿悬空光纤光栅。2、温度补偿悬空光纤光栅固封在金属毛细管中。3、光纤光栅传感器在拉索截面呈周向布置。4、光纤光栅传感器分布在钢丝或钢绞线外表面。5、光纤光栅传感器信号传输光纤从锚头端部引出，其锚头端部上开有预留孔。6、光纤光栅传感器信号传输光纤从导管上引出，其导管端部上开有预留孔。7、在引出信号输出光纤的位置出设置有保护盒。
光纤光栅测试技术是基于波长信息的绝对测量技术。由于光纤光栅具有波长选择性、与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体积小、成本低廉等特性，光纤光栅传感器具有突出的优点：能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；不受潮湿环境影响；耐久性好，具有抵抗包括高温(小于600℃)在内的各种恶劣环境及化学侵蚀的能力，具有承受振动和冲击的能力；质量轻、体积小、对结构影响小、易于布置；既可以实现点测量，也可以实现分布式测量；绝对测量；节省线路，只用一根线就可以传送结构状态信号；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；频带宽，信噪比高等。目前，光纤光栅传感器已经广泛用于土木工程、航空航天、石油化工、医学、环境工程等领域。
本发明将光纤光栅与拉索有机结合，使在具有普通拉索的特性外，具备了光纤光栅的所有优点：如耐腐蚀、传感精度高(可达1～2με)、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、稳定性与耐久性好等，可以方便地掌握拉索在施工和服役过程的受力情况，从而可以指导拉索的预应力张拉与施工，并为服役拉索的损伤识别和换索决策提供直接的信息。通过内外周向布置光纤光栅可以方便把握拉索内部钢丝的受力不均情况。这种智能拉索是光纤光栅的一种优良封装保护，克服了裸光纤光栅难以适应拉索结构粗放式施工的要求，并充分发挥光纤光栅的优良传感器性能。此外，智能拉索可以根据工程实际需要，切割成任意长度，将传输光缆引出即可。这种拉索使用非常方便，特别适于产业化生产。
本发明利用高强钢丝或钢绞线拉索的受力与强度特性和光纤布拉格光栅的感知特性研制开发的光纤光栅智能索，可广泛用于斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥、缆索等需要拉索构件的工程结构。
(四)、附图说明
图1是本发明的一种实施方案的截面示意图；
图2、3是本发明的信号传输光纤的引出部位结构示意图；
图4是本发明的另一种实施方案的结构示意图。
(五)、具体实施方案
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
实施例一。结合图1，光纤光栅智能拉索包括钢丝或钢绞线5和包在钢丝或钢绞线外的护套8，在钢丝或钢绞线中沿长度方向布设有与钢丝或钢绞线结合成一体的光纤光栅传感器7。同时结合图2、3，本发明的产品可以采用这样的方法来制作：首先，确定光纤光栅在拉索上的位置，并计算出口光缆的最小长度，然后将光纤光栅用高性能胶粘剂布置于经过抛光处理的拉索的钢丝上，并标注光栅所处的位置。考虑拉索长期服役健康监测时的温度影响，在布设的光纤光栅中让其中一个悬空，只感受温度信息，用作温度补偿。这里必须注意：温度补偿用光纤光栅必须置于毛细金属管内，并悬空，使其处于自由伸缩状态。随后，通过拉索加工成形工艺将光纤光栅跟钢丝(或钢绞线)束一起进入装有聚乙烯的拉拔模具，经过热缩成形将光栅与拉索有机地构成一体。最后，拉索切割成形后，在拉索加锚具处理端部时，将信号传输光缆从拉索中引出，并与光纤跳线连接。传输光缆可以从敦头锚(或冷铸敦头锚)或端部导管4上引出。它们分别是这样实现的：针对从锚头上引出情况，首先在锚头上开预留孔2，然后将传输光纤引出，并置于预制的保护盒3内即可；针对从导管4上的引出情况，预先在导管上开预留孔4，考虑导管的旋转安装，预先将引出的光缆以一定的数目缠绕在去PE护套钢丝上，待导管安装后，引出光缆，并用保护盒3进行保护。待实测时，将信号传输光缆引出即可。
实施例二。结合图4，光纤光栅智能拉索包括拉索6、光纤光栅传感器7、9、保护光纤光栅传感器9用的毛细金属管10和信号传输光缆1。可以采用这样的方法来制作：首先用钢刀小心地在拉索6上切出约20×2cm的槽口11，露出钢丝(或钢绞线)，然后用砂纸分等级将露出的钢绞线抛光，并用丙酮清洗抛光的钢绞线表面，清除屑末和油脂。之后，用性能优良的胶粘剂将已经焊接好的光纤光栅7和9粘贴到恰当位置。这里必须注意：温度补偿用光纤光栅5必须置于毛细金属管内，并悬空，使其处于自由伸缩状态。光纤光栅布设好后，引出光纤光栅传输光缆1。最后按照索体PE套损伤处理方法对开槽口处PE护套进行修复，其修复工艺过程为：①槽口清洗：用溶剂(丙酮)对切除槽口的PE断面进行清洗；②槽口填充和焊接：待溶剂(丙酮)挥发完全后，将与索体PE护套相同材料的PE条填充切口(用切出材料即可)，然后用塑料焊枪对槽口进行焊接，使得槽口完全密封。③焊口外观处理根据索体的外观颜色和标注传感器位置的需要，对焊接后的槽口进行油漆外观处理，使之与索体在外观达到一致或反差较大的颜色。