本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種能夠同時實現(xiàn)軸力和剪力自監(jiān)測的智能螺栓及方法。

背景技術(shù)：

在鋼結(jié)構(gòu)和橋梁工程中需要用到大量的鋼材，在實際工程中螺栓連接是最常用的鋼材連接形式之一，連接破壞也成為影響結(jié)構(gòu)安全的重要因素。作為各種工程結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備關(guān)鍵構(gòu)件連接處的螺栓的性能穩(wěn)定性也越發(fā)受到重視。在實際工程中，普遍是因為螺栓承受了過大的荷載比如說過大的軸力和剪力，造成了螺栓應(yīng)力超過了其強度極限而產(chǎn)生破壞。因此監(jiān)測螺栓所承受的荷載，對于鋼結(jié)構(gòu)的安全具有重大意義。但由于某些構(gòu)件的特殊性或位置的特殊性，很難對螺栓的受力狀態(tài)實現(xiàn)有效的監(jiān)測。目前，我國關(guān)于螺栓受力狀態(tài)的監(jiān)測主要是針對于螺栓軸向荷載，對于螺栓剪切荷載的監(jiān)測鮮有涉及?，F(xiàn)有的關(guān)于螺栓受力監(jiān)測的專利cn104964713a能夠測量螺栓軸心的拉壓應(yīng)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而無法實現(xiàn)螺栓剪切荷載的監(jiān)測。在剪切荷載作用下，在螺栓軸心安裝的傳感器基本無法測量這種受力情況下的應(yīng)力、應(yīng)變。因此有需要研究一種能夠同時實現(xiàn)螺栓軸力和剪力監(jiān)測的智能螺栓。

光纖傳感具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕，長期工作穩(wěn)定性好，傳輸距離遠等諸多優(yōu)點。近年來已經(jīng)在建筑、橋梁等領(lǐng)域安全監(jiān)測中成功應(yīng)用。為了實現(xiàn)螺栓剪切荷載和軸向荷載的監(jiān)測，本發(fā)明采用了一種自行開發(fā)的微型傳感器，利用微型傳感器監(jiān)測截面不同位置的應(yīng)變，通過公式推導(dǎo)和標定實驗確定微型傳感器測得的應(yīng)變與軸力和剪力之間的關(guān)系。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠同時實現(xiàn)軸力和剪力自監(jiān)測的智能螺栓及方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種能夠同時實現(xiàn)軸力和剪力自監(jiān)測的智能螺栓，包括螺栓桿軸、通孔、微型光纖光柵傳感器；在螺栓桿軸的軸截面中心以及與軸截面徑向互成120°角的位置設(shè)有通孔，共4個通孔，通孔的直徑為2mm，互成120°角的3個通孔到軸截面中心通孔的距離相等，且都為螺栓桿軸的軸截面半徑的二分之一，在四個通孔中通過膠粘劑將微型光纖光柵傳感器與螺栓牢固結(jié)合。

一種能夠同時監(jiān)測智能螺栓軸力和剪力的方法，包括以下步驟：

(1)基于光纖光柵解調(diào)儀，測得螺栓桿軸的軸截面中心處以及與軸截面徑向互成120°角處的微型傳感器的應(yīng)變值；

(2)基于微型光纖光柵傳感器測得的應(yīng)變值得到螺栓桿軸所承受的軸力和剪力；

軸力的計算公式為：fn＝ε1ea；

剪力的計算公式為：

其中，ε1，ε2，ε3，ε4分別為螺栓桿軸的軸截面中心處、與軸截面徑向互成120°角處的微型光纖光柵傳感器所測得的應(yīng)變值；k為標定系數(shù)，通過標定實驗可以確定，e和a分別為螺栓材料的彈性模量和螺栓桿軸的軸截面面積，r為螺栓桿軸的軸截面半徑。

本發(fā)明的有益效果：該智能螺栓能夠同時實現(xiàn)螺栓軸力和剪力的自我實時監(jiān)測，具有測量精度高，長期穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是智能螺栓的軸向剖面圖。

圖2是智能螺栓的軸截面圖

圖中：1螺栓桿軸；2通孔；3微型光纖光柵傳感器。

具體實施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案(和附圖)詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。

如附圖1所示，在螺栓桿軸1的中軸線打1個通孔；在軸截面半徑的1/2位置處打3個通孔，相鄰兩個通孔與中心通孔連線的夾角為120°。綜合考慮通孔徑大小對螺栓承載力的影響以及微型傳感器的大小，通孔孔徑大小定為2.0mm。

將微型光纖光柵傳感器放置到螺栓內(nèi)部，位置如附圖1所示，在預(yù)拉伸的狀態(tài)下，用膠粘劑將微型光纖光柵傳感器與螺栓牢靠粘接在一起，所述的膠粘劑為環(huán)氧樹脂或者丙烯酸酯類膠。

將螺栓桿軸中心以及與軸截面徑向互成120°角的其他三個位置光纖分別編號為1#、2#、3#、4#。通過光纖光柵解調(diào)儀可以測量1#、2#、3#、4#號微型傳感器的應(yīng)變。

根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)公式推導(dǎo)可以得到螺栓軸力和剪力的表達式分別為fn＝ε1ea、其中ε1，ε2，ε3，ε4分別為1#、2#、3#、4#傳感器測得應(yīng)變，標定系數(shù)k通過標定實驗可以確定，通過上述公式就能測量螺栓所承受的軸力和剪力。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種能夠同時實現(xiàn)軸力和剪力自監(jiān)測的智能螺栓及方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。所述的智能螺栓包括螺栓桿軸、通孔、微型光纖光柵傳感器；在螺栓桿軸的軸截面中心以及與軸截面徑向互成120°角的位置設(shè)有通孔，共4個通孔，通孔的直徑為2mm，互成120°角的3個通孔到軸截面中心通孔的距離相等，且都為螺栓桿軸的軸截面半徑的二分之一，在四個通孔中通過膠粘劑將微型光纖光柵傳感器與螺栓牢固結(jié)合，通過測量的應(yīng)變值可以確定螺栓所承受的剪力和軸力。本發(fā)明的效果和益處是能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓軸力和剪力的實時監(jiān)測，具有測量精度高，長期穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡的優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：任亮;馮唐政;宋鋼兵
受保護的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.26
技術(shù)公布日：2017.08.04