基于磁彈效應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線全量應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

龐國(guó)英 董傳智 段元鋒，* 周超波

(1．臺(tái)州市公路管理局，臺(tái)州318000;2．浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州310058;3．杭州健而控科技有限公司，杭州310030)

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受外力荷載作用之前對(duì)構(gòu)件施加壓力，使荷載作用時(shí)截面受拉區(qū)域先存在壓應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu)。與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比它具有結(jié)構(gòu)安全可靠、節(jié)約材料、自重較小、抗裂性好和剛度大等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩、高速公路、民用建筑等結(jié)構(gòu)中，是現(xiàn)代土木工程領(lǐng)域發(fā)展速度最快、用途最廣、最具發(fā)展?jié)摿Y(jié)構(gòu)形式之一［1］。

鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其受力狀態(tài)直接影響預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的適用性和安全性。預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉及橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于材料性能、施工狀況和環(huán)境條件等因素的影響，混凝土橋梁會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的預(yù)應(yīng)力損失，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力水平的降低和預(yù)應(yīng)力分布的不均勻。

一旦預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的鋼絞線預(yù)應(yīng)力失效，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件將可能在表面未有征兆的情況下很快發(fā)生破壞，對(duì)于連續(xù)多跨的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，一旦鋼絞線預(yù)應(yīng)力失效，將導(dǎo)致余跨的鋼絞線預(yù)應(yīng)力一起失效，從而使結(jié)構(gòu)的承載能力下降，使結(jié)構(gòu)處于不良的工作狀態(tài)，給橋梁結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)潛在危害。針對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中鋼絞線的應(yīng)用現(xiàn)狀，亟需一種檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鋼絞線中的有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便準(zhǔn)確地了解和掌握預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變化規(guī)律，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行維修或更換，避免由于鋼絞線中的應(yīng)力損失導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力監(jiān)測(cè)有其特殊性:①位于混凝土內(nèi)部，工作空間狹小;②跨度大、距離長(zhǎng)，需進(jìn)行準(zhǔn)分布監(jiān)測(cè)才能獲取全面準(zhǔn)確的預(yù)應(yīng)力狀態(tài);③初始張拉應(yīng)變水平高，損失應(yīng)變量相對(duì)較小，采用應(yīng)變測(cè)量法效果不佳;④橋梁結(jié)構(gòu)的壽命一般為幾十年，需要對(duì)持久應(yīng)力進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。目前常用的電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變儀［2］、光纖光柵應(yīng)變儀［3］、鋼絞線傳感器［4］等，都無(wú)法或難以實(shí)現(xiàn)對(duì)在役預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力絕對(duì)量(而非相對(duì)變化量)的無(wú)損監(jiān)測(cè);由于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力鋼絞線其邊界條件、應(yīng)力幅值、作業(yè)空間等與拉索、吊桿等柔性結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，因此振動(dòng)頻率法［5，6］也不適用于混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力測(cè)量;超聲導(dǎo)波檢測(cè)［7］雖具有理論上的可行性，但試驗(yàn)表明其測(cè)試結(jié)果很不穩(wěn)定，目前尚停留在理論探索和試驗(yàn)研究階段。要實(shí)現(xiàn)對(duì)在役預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力筋實(shí)際應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)，必須結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋自身的特點(diǎn)尋求新的方法。

磁通量傳感器［8］是一種新型的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，它不僅能夠?qū)︻A(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行無(wú)損、長(zhǎng)久、穩(wěn)定的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，更重要的是能夠適應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線特殊的施工工況，是一種可以替代前述各種監(jiān)測(cè)手段的好方法，磁彈效應(yīng)法已然成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［8－12］。

雖然磁通量索力傳感器已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程的索力測(cè)量中，但是其中的許多關(guān)鍵問(wèn)題仍需解決和完善，如磁彈索力傳感器系統(tǒng)的精細(xì)建模與系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)研究的完善，磁屏蔽的改進(jìn)和測(cè)量精度的提高等。在目前的工程案例中，如江陰大橋［10］、南京長(zhǎng)江二橋［11］、南京葫蘆頂大橋和天津永和大橋［12］，都是對(duì)大跨度纜索橋的拉索或吊桿進(jìn)行測(cè)量，其周圍鐵磁環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。而鋼絞線周圍鐵磁環(huán)境復(fù)雜，需要進(jìn)行專門的實(shí)驗(yàn)研究，以確定傳感器的抗鐵磁環(huán)境干擾能力。目前關(guān)于基于磁彈效應(yīng)的鋼絞線應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究未見(jiàn)報(bào)道。

本文基于鐵磁材料磁彈效應(yīng)(即鋼絞線在外力作用下其磁特性變化)，通過(guò)測(cè)量鋼絞線的磁特性參數(shù)來(lái)測(cè)量其應(yīng)力。對(duì)單根鋼絞線周圍有無(wú)其他鋼絞線兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)鋼絞線周圍鐵磁環(huán)境的影響程度進(jìn)行定量。

2 工作原理及系統(tǒng)組成

鐵磁性材料可以實(shí)現(xiàn)磁與眾多物理量的相互轉(zhuǎn)換，其中的磁—機(jī)相互轉(zhuǎn)換功能是將機(jī)械量轉(zhuǎn)換成磁學(xué)量或反之。實(shí)現(xiàn)磁—機(jī)轉(zhuǎn)換的核心是材料的磁彈效應(yīng)(或逆磁致伸縮效應(yīng)或壓磁效應(yīng))。所謂的磁彈效應(yīng)是指鐵磁性材料受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，其材料的導(dǎo)磁性發(fā)生改變，尤其是磁導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象［13］。

在被測(cè)鋼構(gòu)件上纏繞兩個(gè)線圈，分別為勵(lì)磁線圈和測(cè)量線圈，在勵(lì)磁線圈組成的回路中通過(guò)變化的電流，通過(guò)測(cè)出測(cè)量線圈兩端的感應(yīng)電壓，可以推算被測(cè)構(gòu)件磁導(dǎo)率的變化，裝置如圖1所示。

置于磁場(chǎng)中的鋼構(gòu)件的感應(yīng)電壓積分值與鐵磁材料的增量磁導(dǎo)率關(guān)系［14］:

圖1 線圈截面示意圖Fig．1 The diagram of the coil’s cross-section

式中，μinc為增量磁導(dǎo)率;μ0為空氣磁導(dǎo)率;Uout為磁場(chǎng)中有鐵磁材料時(shí)的勵(lì)磁時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電壓積分有效值;U0為磁場(chǎng)中無(wú)鐵磁材料時(shí)的勵(lì)磁時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電壓積分有效值;SA為測(cè)量線圈包裹的面積;SB為鋼構(gòu)件的橫截面積。

最終得到應(yīng)力與反應(yīng)鐵磁材料特性的Uout的關(guān)系式［14］:

視實(shí)際需要，可依據(jù)客戶選擇，在帶有校準(zhǔn)孔的儀器設(shè)備中，將柔性T型熱電偶溫度傳感器放置于校準(zhǔn)孔內(nèi)，并采用上述同樣記錄方法測(cè)量其溫度示值誤差，間隙較大時(shí)需采用隔熱材料堵塞孔口處。[2]

可以看出感應(yīng)電壓積分與應(yīng)力值之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼絞線進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可以獲得相應(yīng)的標(biāo)定公式，用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

根據(jù)此工作原理，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了基于磁彈效應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)包括五個(gè)部分:傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、磁彈儀(驅(qū)動(dòng)電路)、工業(yè)計(jì)算機(jī)及運(yùn)行在工業(yè)計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)。其中，傳感器由勵(lì)磁線圈、測(cè)量線圈以及用于屏蔽磁場(chǎng)和其他信號(hào)干擾的保護(hù)裝置組成;采集裝置選用美國(guó)國(guó)家儀器公司的數(shù)據(jù)采集模塊;磁彈儀是磁通量傳感器測(cè)試系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要用于勵(lì)磁及系統(tǒng)電路控制;工業(yè)計(jì)算機(jī)是作為軟件運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理及信號(hào)發(fā)送的硬件載體，可以適應(yīng)工業(yè)級(jí)別的安全和穩(wěn)定性要求;軟件采用基于LabVIEW圖形語(yǔ)言進(jìn)行編程，高效、穩(wěn)定，能夠長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括鋼絞線、系統(tǒng)測(cè)試軟件、采集卡、磁彈儀、傳感器樣品、工控機(jī)和實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)采用的鋼絞線標(biāo)號(hào)為15－7Φ5。規(guī)格為單根七股、直徑15．5 mm、外包環(huán)氧樹脂皮層、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa。

圖2 基于磁彈效應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig．2 EM effect based stress monitoring system

基于美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)了一套鋼絞線應(yīng)力監(jiān)測(cè)軟件。通過(guò)采集與控制模塊(NI 6221)對(duì)磁彈儀中的電容器進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁與測(cè)量過(guò)程。

磁通量傳感器樣品為尼龍骨架(絕緣、不導(dǎo)磁)上繞制一定匝數(shù)的勵(lì)磁線圈和測(cè)量線圈，外包屏蔽材料防止周圍電磁信號(hào)及其他干擾源的信號(hào)擾動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)的加載設(shè)備為自制加載架(圖3)，采用柳州橋姆YDC-250千斤頂和ZB4－500電動(dòng)油泵對(duì)鋼絞線進(jìn)行加載。鋼絞線預(yù)先穿過(guò)磁通量傳感器，并將磁通量傳感器固定在鋼絞線上，然后將鋼絞線兩端錨固在加載架上。在其中一端的錨具下安裝壓力傳感器，以獲得標(biāo)定應(yīng)力信息。

圖3 加載裝置Fig．3 The loading device

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析

本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn):第一個(gè)實(shí)驗(yàn)為對(duì)單根鋼絞線進(jìn)行張拉，并用傳感器進(jìn)行測(cè)試;第二個(gè)實(shí)驗(yàn)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，將所張拉的鋼絞線和磁通量傳感器周圍放置同樣規(guī)格的多根鋼絞線，以模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，驗(yàn)證周圍鋼絞線即鐵磁材料對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試影響。

4．1 實(shí)驗(yàn)一:單根鋼絞線應(yīng)力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的工作范圍確定了加卸載區(qū)間為50 kN到180 kN。每隔35 kN為一個(gè)荷載步，每個(gè)荷載步靜置1 min，實(shí)驗(yàn)中從50 kN加載到180 kN，再按相同荷載步卸載到50 kN，作為一個(gè)加卸載循環(huán)。單個(gè)荷載步加載到位之后的靜置時(shí)間內(nèi)，勵(lì)磁電路及采集設(shè)備開(kāi)始工作，每次勵(lì)磁到采集結(jié)束為一次測(cè)量，每個(gè)荷載步中重復(fù)測(cè)量多次，多次測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值以減少測(cè)量誤差。

圖4是實(shí)驗(yàn)一中對(duì)單次荷載測(cè)量獲得的19次磁特征量(感應(yīng)電壓積分)的散點(diǎn)圖，其中縱軸表示感應(yīng)電壓積分值，即磁通量，橫軸表示采集次序或者測(cè)量序列。由圖4可以看出19次測(cè)量值都在均值(7．944)附近。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到，標(biāo)準(zhǔn)差為1．29%左右，因而具有很高的測(cè)量重復(fù)性。

圖4 實(shí)驗(yàn)一單荷載測(cè)試磁特征量分布圖Fig．4 Multiple test results for a single load(test 1)

圖5 為應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定曲線，圖6為擬合值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比情況，圖7為擬合值與實(shí)驗(yàn)值之間相對(duì)于滿量程(180kN)的百分比誤差。

由圖5可知:在50 kN～180 kN的測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)傳感器的選定勵(lì)磁區(qū)間內(nèi)的磁特征量進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果為 y=410．67 －32．263x，線性相關(guān)系數(shù)R=0．99874。由此可以看出，磁通量與鋼絞線所受到的力之間具有較高的線性度。由圖6和圖7可知，在考慮到滿量程為180 kN的情況下，誤差百分比最大在2．25%左右，實(shí)驗(yàn)誤差值較小，滿足工程需要。

4．2 實(shí)驗(yàn)二:周圍有其他鋼絞線的應(yīng)力測(cè)試

在單根鋼絞線周圍外置若干相同型號(hào)的鋼絞線束，作為鐵磁材料，可以對(duì)磁通量傳感器的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)采用了前述未加周圍鋼絞線工況相同的加載過(guò)程，測(cè)得擬合結(jié)果如圖8所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)一力與磁特征量關(guān)系Fig．5 Relation between force and magnetic quantity(test 1)

圖6 實(shí)驗(yàn)一擬合值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig．6 Comparison between fitting and experimental results(test 1)

圖7 實(shí)驗(yàn)一百分比誤差Fig．7 The percentage error(test 1)

圖8 實(shí)驗(yàn)二力與磁特征量的關(guān)系Fig．8 Relation between force and magnetic quantity with magnetic disturbance(test 2)

圖9 為實(shí)驗(yàn)二中擬合值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比情況，圖10為擬合值與實(shí)驗(yàn)值之間相對(duì)于滿量程(180kN)的百分比誤差。

在實(shí)驗(yàn)二中，最大誤差為3kN以下，誤差百分比最大為1．5%左右，實(shí)驗(yàn)誤差值較小，滿足工程需要。

圖9 實(shí)驗(yàn)二擬合值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig．9 Comparison between fitting and experimental results(test 2)

圖10 實(shí)驗(yàn)二百分比誤差Fig．10 The percentage error(test 2)

4．3 實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二的對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二的區(qū)別在于，后者是在被測(cè)鋼絞線以及測(cè)試傳感器的周圍放置了相同規(guī)格的鋼絞線，從而為被測(cè)鋼絞線周圍添加了鐵磁材料。目的在于驗(yàn)證鐵磁材料對(duì)傳感器的測(cè)試結(jié)果的影響。

這里將實(shí)驗(yàn)二測(cè)得的磁特征值帶入實(shí)驗(yàn)一得到的標(biāo)定公式中，得出基于實(shí)驗(yàn)一的計(jì)算值，并與實(shí)驗(yàn)二中鋼絞線實(shí)際的加載值相比較，如圖11、12所示。

圖11 計(jì)算值與加載值對(duì)比Fig．11 Comparison between calculated value and loading value

圖12 計(jì)算值與加載值的百分比偏差Fig．12 The percentage relative difference between calculated value and loading value

由圖12可以看出，將實(shí)驗(yàn)二測(cè)得的磁特征量帶入到實(shí)驗(yàn)一的標(biāo)定公式，得到的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)二的加載值最大百分比偏差為滿量程的2．5%。注意到用周圍無(wú)鋼絞線的標(biāo)定公式作為周圍有鋼絞線的傳感器標(biāo)定公式，其測(cè)量的最大百分比偏差(2．5%)與實(shí)驗(yàn)一周圍無(wú)鋼絞線應(yīng)力測(cè)試百分比誤差(2．25%)相差不大，可以得出周圍鋼絞線對(duì)本傳感器的測(cè)量影響可忽略的結(jié)論。

6 結(jié)論

本文介紹了基于磁彈效應(yīng)的鋼絞線全量應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)，并對(duì)周圍有無(wú)鋼筋兩種情況下的單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。得到了以下結(jié)論:

(1)基于磁彈效應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不需要了解受力歷史，可直接對(duì)鋼絞線的應(yīng)力進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)，且具有較高的測(cè)試精度(相對(duì)誤差為2．3%)和良好的重復(fù)性(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)差為1．3%)。

(2)所研發(fā)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于采用了合適的磁屏蔽措施，用周圍無(wú)鋼絞線(鐵磁材料)的標(biāo)定公式進(jìn)行有鋼絞線情況下的測(cè)試，與實(shí)際加載值的相對(duì)偏差為2．5%，與傳感器自身標(biāo)定誤差(2．3%)相當(dāng)，因而周圍鐵磁材料的影響可忽略。

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