[發明專利]一種監測復雜荷載作用的智能螺栓及方法

有效

• 申請號: 201710383143.9
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107024306B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 任亮;馮唐政;宋鋼兵
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

一種監測復雜荷載作用的智能螺栓及方法，屬于光纖傳感技術領域。所述的智能螺栓包括螺栓桿軸、通孔和光纖，螺栓桿軸的軸截面中心以及軸截面中心與軸截面徑向互成120°角的位置設有通孔，共4個通孔，通孔的直徑為1.5mm；互成120°的3個通孔到軸截面中心的距離相等，且都為螺栓桿軸截面半徑的二分之一，在通孔全長范圍粘貼固定光纖。在螺栓軸心以及徑向夾角為120°的3個貫通孔內安裝光纖，通過測量的應變分布確定桿軸最大應變截面，基于該截面上軸心應變和徑向3個點的應變得到截面的最大應變，繼而判斷截面的安全狀況。本發明能夠實現螺栓復雜應力狀況下的實時監測，具有測量精度高，長期穩定性好，結構簡的優點。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，涉及到一種監測復雜荷載作用的智能螺栓及方法。

背景技術

隨著高強度鋼材在建筑和橋梁工程中的推廣應用，連接破壞已經成為影響鋼結構安全的主要因素。作為各種工程結構和機械設備關鍵構件連接處的螺栓的性能穩定性也越發受到重視。實際工程中，螺栓的破壞普遍是由于螺栓桿軸截面邊緣產生的拉應力超過極限應力導致的。這是由于構件上的彎矩、剪力以及軸力傳遞到螺栓上，使螺栓產生較大的彎曲變形，最終使螺栓超過其自身的承載能力而失效。因此監測螺栓在復雜應力狀態下的應力狀態，對于鋼結構的安全具有重大意義。但由于某些構件的特殊性或位置的特殊性，很難監測螺栓自身在復雜應力工作狀態下的安全性能。目前，我國關于螺栓應力的監測與測量的研究主要是針對螺栓軸向應力，對于螺栓復雜應力狀態下的監測鮮有涉及。現有的關于螺栓受力監測的專利CN104964713A能夠測量螺栓軸心的拉壓應變，但是這種測量方法只適用于螺栓受軸向荷載作用的情況。在彎矩做用下，螺栓軸心是螺栓截面應力最小的位置，在螺栓軸心安裝傳感器無法測量這種情況下的應力、應變。因此有需要研究一種能夠實現復雜荷載作用下的螺栓應力監測的方法。

光纖傳感具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕，長期工作穩定性好，傳輸距離遠等諸多優點。近年來已經在建筑、橋梁等領域安全監測中成功應用。為了實現螺栓剪切應力的監測，本發明基于一種分布式應變測量技術，其基本原理是：背向瑞利散射的光譜響應變化主要受應變和溫度的影響，光纖中任意區域瑞利散射的變化會導致該區域對應的背向散射光譜的變化，這些變化可以被標定，并將其轉化為溫變和應變。可將光纖中每段區域看作一個傳感器，整條光纖可當作一個個傳感器的連續組合。該分布式光纖傳感系統所采用的可調諧波長干涉技術，使得分布式溫度和應變的測量可在幾十長的標準光纖上具有毫米級別的空間分辨率，應變和溫度的測試精度可達到1微應變和0.1℃。

發明內容

本發明的目的在于提供一種監測復雜荷載作用的智能螺栓及方法。

本發明的技術方案：

一種監測復雜荷載作用的智能螺栓，包括螺栓桿軸、通孔和光纖，螺栓桿軸的軸截面中心以及軸截面中心與軸截面徑向互成120°角的位置設有通孔，共4個通孔，通孔的直徑為1.5mm；互成120°的3個通孔到軸截面中心的距離相等，且都為螺栓桿軸截面半徑的二分之一，在通孔全長范圍粘貼固定光纖。

一種監測智能螺栓復雜荷載作用的方法，包括以下步驟：

(1)基于分布式光纖應變測量系統，測得螺栓桿軸截面中心處以及與截面徑向互成120°角的3個通孔位置處沿螺栓桿軸全長的應變分布；

(2)通過螺栓桿軸軸向的應變分布，確定螺栓桿軸軸向應變最大的截面；

(3)對于軸向應變最大的截面，分別為該截面最大的壓應變和拉應變；

其中，ε₀、ε₁、ε₂、ε₃分別為螺栓桿軸截面中心處、與截面徑向互成120°角的3個通孔位置處通孔內光纖測量到的應變值；

(4)通過最大拉應變、壓應變判斷出最危險截面的應力、應變是否超出材料的極限強度。