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    穿心式测力环弹性体的结构优化设计.pdf

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    穿心式测力环弹性体的结构优化设计.pdf

    第32卷第1期 2015年3月 土木工程与管理学报 Journal of Civil Engineering and Management Vo1.32 No.1 Mar.2015 穿心式测力环弹性体的结构优化设计 桂 贵, 齐 舒 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司,湖北武汉430034 摘要本文主要针对穿心式测力环的工作原理,通过建立结构模型及理论计算,详细分析了在不同环体高度、 不同边界条件下测力环弹性体截面的受力分布特点,揭示出传统结构形式的测力环产生测试误差的原因,确定 出了弹性体结构上反映应力状态的最佳截面位置为沿环壁厚方向的中轴线截面。依此针对性地设计了侧壁开 孔式环体结构形式,并通过理论分析和加载试验,验证了在有限高度下弹性体结构最佳截面处的应力、应变在 不同边界条件下的分布规律比环壁外侧处变化平缓,这表明优化后的结构形式更能适应不同边界条件的影响。 最后引入光纤光栅作为测试元件和优化后的环体结构一起构成测力环,并在张拉平台上进行试验,进一步验证 了测力环的工程应用性能。结果表明该项研究对于穿心式测力环技术的开发及应用具有一定参考价值。 关键词穿心式测力环;边界条件;侧壁开孔式弹性体 中图分类号TH823 文献标识码A 文章编号2095-0985201501-0042-06 Structure Optimization Design of the Feedthrough Measuring Ring Elastomer GU/Gui,QI Shu Wuhan Bridge Science Research Institute Co Ltd,China Railway Major Bridge Engineering Group, Wuhan 430034,China AbstractThis paper focuses on the operating mechanism of the feedthrough measuring ring,and by structure modeling and theoretical calculations,a detailed analysis is conducted on the stress distribution characteristics of the crosssection of the measuring ring elastomer at different heights and under different boundary conditions.It reveals the causes of the errors in testing measuring ring in traditional structure,and determines the optimal location of reflecting the reaction state on the cross section of the elastomer structure is the sectional axis along the thickness direction.Based on this,the paper designs the sidewall opening ring structure,and through theoretical analyses and load tests,it is verified that the distribution patterns of the stress and the strain,which are reflected on the optimal location on the cross section atlimited heightsand under different boundary conditions,are more smooth than the changes on the outer side of the ring wal1.This shows that the optimized structure better adapts to the effects of different boundary conditions.Finally,fiber grating is introduced to test components,and integrated into the optimized ring structure to construct the measuring ring。In addition,it is tested on the tension plat,and further validates its engineering application perance.The study results show that it can provide insights to the development and application of feedthrough measuring ring technology. Key wordsthe feedthrough measuring ring;boundary conditions;elastomeric sidewall of the opening 在索力测试技术中,穿心式测力环法是一种 最常见也最直接的方式,如,应变片式测力环在孔 道摩阻试验及测试过程中大量应用,光纤光栅 式测力环法近年来在桥梁长期健康监测中的应用 收稿日期201410-09修回日期2014-1ll9 作者简介桂贵1982一,男,湖北黄冈人,工程师,硕士,研究方向为桥梁振动与控制Emailjorsord002163.corn 第1期 桂贵等穿心式测力环弹性体的结构优化设计 43 等等 J。但是在实际应用过程中,测力环法或多 过少都存在测试误差偏大的情况,其直接测试结 果往往需要二次处理和修正 j,这些因素的产生 除了受温度影响以及与所选择的传感器自身的性 能有关外,弹性体作为测力环受载荷的母体,其结 构形式制约了测试的精度。而目前针对弹性体结 构的研究甚少,本文主要总结笔者多年来对穿心 式测力环的工程实际应用情况,对弹性体结构的 受力特点进行详细的分析,并结合试验研究对弹 性体结构进行优化设计,为测力环法的应用和发 展提供基础性的工作。 1 穿心式测力环的主要原理 常见的穿心式测力环的主要组成部件为弹性 体和安装在弹性体外壁上适用于不同测试要求的 传感器。结构形式如下图1所示。 线 图1 常见测力环结构示意 其中弹性体为其主要承压构件,传感器用于 测量弹性体所发生的应变或相关参数。常见的安 装方式如图2所示。 图2现场安装方式示意 测力环位于锚垫板与螺母之间,在形成的整 个体系中,与索体不发生接触。当索体进人工作 阶段后,整个受力过程是锚垫板作为支撑端,在 荷载作用下,索体荷载通过螺杆和螺母使测力环 弹性体发生压缩变形,同时利用安装在弹性体上 的应变传感器实测出其所产生的应变量,然后反 算出索力的大小。 2测力环弹性体的受力影响因素 作为直接承压型元件,穿心式测力环弹性体 的结构形式和尺寸对测试精度起着决定性的作 用。弹性体的内外径尺寸一般由配套的锚固系统 尺寸来决定,因此环体的高度是一个决定因素。 穿心式测力环在使用之前必须对其进行标定,标 定边界条件和实际应用时边界条件不同,对于测 力环的使用性能也将产生影响,因此边界条件是 制约测力环性能的另一个主要因素。 本文以平行钢丝PES7301号索为例 ,对与 其配套的测力环弹性体进行分析,来研究弹性体 的实际受力特性。具体参数如下表1所示 表1 拉索及配套穿心式测力环参数 撩型号 径 /mm度锚/ mln锚/ mm /力 /mm /mm Kl 2.1不同高度环体截面的应力分布特点 在测力环的设计上,为了保证测试的精度和 灵敏度,以及包含测力计的整个锚固体系的安全 使用,弹性体的壁厚参数值必须大 J。根据GB/ T 18365.2001标准,环体壁厚一般与配套的索体 螺母壁厚一致,常见弹性体壁厚一般在32~77 mm之间。 按照圣维南原理 ,对于受压圆柱型构件, 当构件的高度约为2倍的构件截面直径时,构件 中部断面上的应力、应变状态与其两端所作用的 荷载性质和接触条件无关。而安装在实桥拉索锚 头部位的测力环,其外部尺寸受到索长、安装空间 及位置等多方面的限制,因此环体高度只能局限 在一个较小范围内,理论上越小越好。 在壁厚和高度均有限制的情况下,弹性体通 常只能作为一个厚壁环体结构,高度的不同对环 体截面的应力分布影响不同。 本文通过有限元模型,计算出了常见的高度 在120~180 mill区间内环体在受压状态下,中截 面上的应力分布规律,如图3所示。 一120mm _ 一2140 mm j一160mm e一1 80mm . 。 4 8 2 16 2 24 28 3 图3不同高度环体中间截面节点沿环壁径向应力分布 44 土木工程与管理学报 2015正 从应力分布图中可以看到,随着环体高度的 增加,环壁径向的应力分布逐渐平缓,环壁内、外 侧的应力差在减小。因此从环体受力角度来看, 其越高越好。 2.2不同边界条件下环体截面的应力分布特点 对应于工程实际状态,在螺母传力的过程中, 轴向荷载作用下,螺母螺纹各圈间的荷载分布是 不均匀的。因为螺杆受拉伸,外螺纹的螺距增大, 而螺母受到压缩,内螺纹的螺距减小,螺纹螺距的 变化差以连接旋合的第一圈处为最大,以后各圈 递减。旋合螺纹间的荷载分布为靠近支撑面第一 圈螺纹牙受载最大,试验证明,约有1/3的荷载集 中在第一圈上,以后各圈荷载递减,第8圈以后的 螺纹牙几乎不受荷载 J。图4为螺杆锚圈结构 图,图5为螺杆实际受力时状态示意图。 图4螺杆锚圈结构 实际传力螺纹段 垫板 锚垫板;P.螺距 图5螺杆实际受力状态 常规标定工作一般都是在试验机下进行,与 测力环接触的是试验机的承压头或者是刚性垫 板,更准确的做法是用配套的螺母和螺杆作为垫 板,但即使这样,两种方式仍然存在差异。 为了说明两种方式的区别,下图6、7分别模拟 了两种情况下,测力环弹性体受荷载时的状态分析。 1加载面;2螺杆和螺母;3接触面 4.测力环弹性体;5底座 图6螺纹传力状态方式示意/mm 1.加载曲;2.螺秆和螺母;3.接触面 4测力环弹性体;5.底座 图7标定状态方式示意/ram 对应于两种状态,采用ANSYS建模,进行有 限元分析,模型中为了更好的反映环体的非轴心 受压特点,在弹性体和螺母部分的接触面采用接 触单元来进行模拟,有限元模型分别如图8、9所 示 图8实际受力时有限元模型 图9标定加载时有限元模型 通过对上述模型进行计算,我们将不同高度 下的环体,在两种受力状态下中截面上的节点应 力沿径向壁厚方向的分布情况整理如图10所 示。 如图所示,两种状态下环壁外侧的节点应力 均相差约15~20 MPa,高度越高相差越小。弹性 体弹性模量为210 GPa,换算得到的应变量相差 约为71.4~95.2 8,相当于已经产生了4%~7% 的初始精度偏差。 对应力分布规律进一步分析,我们可以发现, 不同的加载边界条件下,当荷载相同时,相同高度 的环体其压应力在壁厚方向的分布呈现如图11 所示的两种情况。 46。 土木工程与管理学报 在模型中,分 情况,如下图15、1 几何中 沿高度方向 图15开孑L侧壁位置示意 线 图16环外壁位置不意 图l5中为开孔侧壁中轴线位置处节点沿高 度的方向示意,对应于新环体结构安装传感器位 置;图l6为环外壁节点沿高度位置示意,对应于 常见环体结构安装传感器位置。在5000 kN作用 下节点应变分布情况如图17所示 大凸台处环外壁中轴线位置应变 一一小凸台处环侧壁中轴线位置应变 图17不同位置中轴线处节点沿高度的应变分布 如图所示,由于边界条件的影响,节点应力在 两端均存在较大的突变,但小凸台开孑L处侧壁中 轴线位置处的较大区域内节点应变变化幅度极 小,而大凸台处较大,其原因是由于小凸台的尺寸 小,在受压状态下,该部位近似成为了一种长细受 压杆件,杆件长度超过了2倍的截面尺寸,因此其 中部的受力状态受到两端边界条件的影响较小, 其应变分布趋势平滑且单调。 3.2环体结构试验验证 为验证优化后的环体结构受力性能,制作一 组试验环体,在每个小凸台下开孔侧壁和大凸台 处环外壁沿高度方向每间隔约5 mm粘贴应变 片,开孔壁侧共均匀分布有l3个测点,环外壁侧 共分布有17个测点如图18所示。 加载设备为MTS6000试验机,试验机精度为 5%o FS,试验过程如图19所示 图19弹性体应变测试 表2列出荷载为500 t时两个不同部位处测 点的应变值,图20为沿高度方向位置相同的3~ 15号测点应变分布曲线。 表2实测环体应变值以及相邻测点应变差值 环壁外侧沿高度位置 开孔边侧沿高度位置 测点号 实测应变/I.Le 测点号 实测应变/ £ 测点号 图20 500 t荷载作用下3~15号测点应变分布曲线 第1期 桂贵等穿心式测力环弹性体的结构优化设计 。47 实测结果显示,小凸台下环侧壁处的实测应 变趋势以及数值大小和理论计算结果基本一致, 而大凸台下环壁外侧趋势大致相同,但应变量存 在偏差。分析原因是由于模型计算时环体底部均 作了约束,且为理想状态,而实际加载时存在接触 问题和垫板的刚度问题,导致环外壁应变量偏小。 但这一结果也说明了开孔侧壁中轴线位置处的应 力状态更适应边界条件影响这一特点。 为近一步验证这种弹性体结构形式作为测力 环元件的实际效果,采用高精度、抗干扰能力强的 光纤光栅作为测试传感器,对称粘贴在4个小凸 台下的8个开孔壁侧中轴线位置处,构成了光纤 光栅式测力环。试验环先在MTS6000试验机下 进行标定,然后在拉索张拉平台上模拟现场条件 进行测试。试验环基本标定参数如表3所示。 表3试验环标定荷载系数t/nm 一 图21 试验环在拉索张拉平台上的测试 图2l是试验环在某索厂拉索张拉平台上的 测试过程,张拉设备为数控装置,设备精度为5% Fs。三个试验环体的实测荷载及误差如表4所 示 表4实测荷载及误差 试验机 实测荷载/t 与试验机读数误差百分}匕/% 读数/t试验环1试验环2试验环3试验环1试验环2试验环3 3O 23.73 3O.53 26.O0 20.89 1.76 13.34 60 55.14 64.64 60.43 8.10 7.74 0.71 9O 86.11 95.55 92.72 4.33 6.16 3.02 120 l17.70 126.64 124.12 1.91 5.53 3.44 150 148.86 156.85 154.33 0.76 4.57 2.89 180 178.50 186.31 183.48 0.83 3.50 1.93 210 208.09 215.77 212.62 0.91 2.75 1.25 240 237.42 245.54 241.51 1.08 2.31 O.63 270 267.13 274.43 270.59 一1.O6 1.64 O.22 300 296.90 304.07 300.80 1.03 1.36 0.27 330 324.59 333.84 330.19 一1.64 1.16 0.06 360 353.35 363.05 357.70 1.85 0.85 一O.64 通过实测的误差值可以看到,试验环在低吨 位状态误差偏大,其误差原因是由于环体和张拉 设备之间存在的接触间隙所导致。但是随着荷载 的增大,环体和设备紧密接触,在接近设计荷载的 较大范围内,实i贝0误差均能控制在2%之内。 4 结 论 1对于穿心式测力环,环体高度及环体在 工作时的边界条件对测力环性能的影响较大; 2穿心式测力环环体结构在荷载作用下, 反映应力状态的最佳截面位置为沿环壁厚方向中 部的中轴线截面; 3优化后的侧壁开孔式的环体结构,其最 佳截面位置处的应力状态更能适应不同边界条件 的影响,在该位置处布置传感器所形成的测力环 测试误差较小,这项结论尤其适合于高径比较小 的环体结构; 4优化的结构设计对于穿心式测力环技术 的应用具有一定的参考价值。 参考文献 [1] 廖辉,刘阳婧.穿心式索力传感器在预应力孔道 摩阻系数测定试验中的应用[J].公路,2010, 6106108. 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