鋼絞線斜拉索索力監(jiān)測與應用

王先麗

( 湖南省洞新高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 長沙　410016)

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鋼絞線斜拉索索力監(jiān)測與應用

王先麗

( 湖南省洞新高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 長沙410016)

鋼絞線是橋梁結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵受力部件，鋼絞線的應力狀態(tài)是評價拉索橋梁健康狀況的重要指標?；诖艔椥脑砼c主要的磁路結(jié)構(gòu)，分析了鋼絞線的磁疇特性及鋼絞線的應力與磁通量的耦合關(guān)系，提出了典型的傳感器磁路結(jié)構(gòu)并構(gòu)建鋼絞線磁通量應力測試系統(tǒng)。將測試系統(tǒng)應用于某橋梁的鋼絞線索力監(jiān)測，比較監(jiān)測值與設(shè)計值，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測值較為精確，兩者具有較好的一致性，說明基于磁彈效應的鋼絞線應力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度高、可重復性強，滿足橋梁斜拉索工程施工質(zhì)量與施工安全的要求，可為該類結(jié)構(gòu)的索力與變形監(jiān)測提供參考。

鋼絞線； 索力監(jiān)測； 磁彈效應

1　概述

橋梁工程等重要混凝土結(jié)構(gòu)中廣泛使用鋼絞線，而鋼絞線作為橋梁工程受力的主要載體之一，其受力狀態(tài)直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性與耐久性[1]。若鋼絞線應力狀態(tài)異常，就會使橋梁整個承重結(jié)構(gòu)破壞甚至發(fā)生斷裂坍塌事故，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重的威脅。所以對于重要的混凝土結(jié)構(gòu)，必須要有一種合適的檢測技術(shù)來進行全過程的監(jiān)測與控制，以便了解、掌握該類結(jié)構(gòu)所處的應力狀態(tài)及其應力變化規(guī)律，使承載構(gòu)件的受力處于動態(tài)內(nèi)力及可控的范圍之內(nèi)[2]。

傳統(tǒng)的應力測試一般有點式測溫探頭、紅外熱像儀、電阻應變片、振弦式應力計、光纖光柵傳感器等儀器方法[3-5]。由于該類結(jié)構(gòu)大多應用于施工環(huán)境惡劣且應力較為集中的工程項目中，受傳感器本身的缺陷的影響，特別是傳感器的布設(shè)與測試過程中存在較大的人為誤差，采樣頻率與精度不能準確把握，測試結(jié)果往往很難反映出真實的變形情況。磁通量傳感器是根據(jù)鐵磁材料的磁彈效應原理而做成。當鋼材受到載荷作用時，鋼材內(nèi)應力變化會改變鋼材內(nèi)部磁場的磁通量，在對應的變化關(guān)系確定的情況下，可以通過磁導率的變化就可以準確地推導出應力的變化程度，這種基于磁彈效應原理的應力測試方法屬于非接觸式測量，既不會損傷原有構(gòu)件，也不需要對傳感器重新標定，使用壽命長，測試方法簡單，非常適合鋼絞線或體外拉索的長期動態(tài)監(jiān)測。

2　測試原理及主要磁路結(jié)構(gòu)

2.1鋼絞線的磁疇特性

當鋼索被強度為H的外磁場磁化時，磁疇內(nèi)部的磁化強度M與磁感應強度B具有如下對應的函數(shù)關(guān)系[6]：

(1)

式中：x為磁化率，表示物質(zhì)磁化屬性的無量綱物理量。根據(jù)x的大小與方向，可將物質(zhì)的磁性分為三大類型，即鐵磁性、順磁性與抗磁性。一般而言，很小的磁場就能使鐵磁性材料磁化飽和，其磁化率xf>0，且數(shù)量級在101～106之間。μ0為真空磁導率，μ0=4π×107(H/m)。研究鋼絞線的磁化規(guī)律，其目的在于找出磁疇內(nèi)部磁感應強度B與外磁場強度H之間的對應關(guān)系，典型的B-H曲線如圖1所示。

圖1　鐵磁材料的磁滯回線Figure 1　　　　The magnetic hysteresis loops of ferromagnetic material

由該圖可以看出： ①當鋼絞線沒被磁化時，內(nèi)部磁感應強度B隨著外部磁場強度H的增加而沿曲線o-a-b-c逐漸增加直到飽和點d，此時，磁場強度為Hs。其中，在初始磁化區(qū)段(o-a段)B與H為緩慢遞增關(guān)系且磁化是可逆的；a-b段是不可逆磁化區(qū)域，在該區(qū)域里有最大的磁導率Pm；b-c-d段為旋轉(zhuǎn)磁化區(qū)(近飽和磁化區(qū))到磁化區(qū)的變化段。顯然，若外磁場撤除，鋼絞線將沿d-e-f-g段退磁至反飽和磁化狀態(tài)，磁場強度反增至-Hs。若外磁場強度方向改變，則磁化方向?qū)⒀厍€g-h-d進行，該曲線與d-e-f-g曲線一起共同構(gòu)成封閉回路，我們稱之為磁滯回線。②當鋼絞線被強度為H0的磁場磁化時，設(shè)外磁場強度的變化量為ΔH，鋼絞線的磁化感應變化率為ΔB，則鋼絞線的磁導率增量Δμ可以定義為[7]：

(2)

2.2鋼絞線應力與磁通量的耦合關(guān)系

就目前常見的磁彈索力傳感器而言，磁化工作點H0的選取按照外磁場強度使鋼絞線達到最大的磁導率Pm的原則來進行。由上一節(jié)所分析的鋼絞線磁疇特性可知，由于鋼絞線磁導率增量Δμ與它所受的應力相關(guān)，而最大磁導率Pm則僅是與鋼絞線本身材料特性相關(guān)的一個變量，因此，實際意義上Δμ與Pm并無嚴格的對應關(guān)系。雖然理論上無法獲得鋼絞線應力與磁通量的耦合關(guān)系模型，但可以通過實驗分別考察鋼絞線在不同應力狀態(tài)下的磁化曲線，以此推算出其對應關(guān)系。圖2是鋼絞線分別在應力為50、100 MPa時的初始磁化經(jīng)驗曲線，該經(jīng)驗曲線表明：在相同工作條件下，鋼絞線的磁導率將隨外應力的增加而減小，反之亦然。同時可以發(fā)現(xiàn)，磁感應強度ΔB變化最為敏感的區(qū)域在2000～4000 A/m勵磁強度范圍之內(nèi)，此時鋼絞線應力與磁導率增量Δμ具有最佳的耦合狀態(tài)。據(jù)此，可將傳感器的磁化工作點H0設(shè)定在這一應力范圍內(nèi)，使鋼絞線處于旋轉(zhuǎn)磁化區(qū)，以便獲得最佳的測量靈敏度。

圖2　不同應力狀態(tài)下鋼絞線初始磁化曲線Figure 2　　　　The Initial magnetization curve of steel strand under different stress states

2.3磁路結(jié)構(gòu)及磁通量測試系統(tǒng)

磁通量傳感器的電磁力學原理是將匝數(shù)比分別為N1、N2電流激勵線圈與感應測量線圈纏繞在鋼索(鋼絞線)芯上，通過適當?shù)姆绞窖鼐€圈的軸向增加磁場的均勻度。保持激勵磁化強度H0均勻恒定，鋼絞線一旦受到拉應力的作用時，其受力大小即可由檢測線圈感應出的電信號換算得出。典型磁路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[8]，其中，a、b分別代表縱、橫向截面直徑。

圖3　典型的傳感器磁路結(jié)構(gòu)Figure 3　Typical sensor of magnetic circuit structure

基于以上磁彈索力測試原理及磁路結(jié)構(gòu)可知，完整的預應力鋼絞線測試系統(tǒng)至少應由以下兩部分構(gòu)成，即由測量線圈、勵磁線圈及用于屏蔽磁場干擾信號的保護裝置等組成的磁路傳感器，以及包括激發(fā)器、信號調(diào)解器、數(shù)據(jù)采集與內(nèi)置微處理器等組成的磁彈儀。測試裝置的激勵電壓由傳感器的初級線圈供給，應力信息則從次級線圈獲得。232或485轉(zhuǎn)光纖通訊接口直接與計算機連接，通過顯示器及輔助鍵盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集及監(jiān)測情況的遠程控制。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[9-10]。

圖4　鋼絞線磁通量測試系統(tǒng)Figure 4　The magnetic flux testing system of steel strand

3　實例應用

3.1工程概況

某橋主橋為雙塔雙索面結(jié)構(gòu)，預應力混凝土鋼絞線斜拉，橋面凈寬23.5 m，長度為948 m，跨度布置為224 m+500 m+224 m。橋兩側(cè)用88對按扇形布置的OVM250鋼索拉起橋面重量，索體采用符合GB/T5224-2003國家標準的55-ΦS15.2 mm環(huán)氧全噴涂鋼絞線，每股公稱面積140 mm2，標準抗拉強度為fpk=1.86×103MPa，彈性模量為EP=1.95×105MPa。橋的主塔為塔 — 墩固結(jié)體系，塔梁半漂浮，主梁跨-高比為1/65，索塔高與中跨的比例為0.38。

3.2監(jiān)測方案與傳感器標定

由于該橋斜拉索數(shù)量較多，基于適用性與經(jīng)濟性的需求考慮，有代表性地選擇關(guān)鍵截面布設(shè)18對傳感器(S1～ S18)。采取信號集中、人工監(jiān)測的方式： ①在橋塔與橋面結(jié)合處設(shè)三個數(shù)據(jù)采集站，用護線管保護傳感器的傳輸線，并沿橋面往橋塔方向布線，信號線及測點做好相應的標記與編號； ②數(shù)據(jù)采集站位于塔的下方，并有標準的預留接口，方便在線監(jiān)測系統(tǒng)的升級與更新。監(jiān)測分布圖如圖5所示[11]。

圖5　斜拉索磁通量傳感器數(shù)據(jù)采集分布Figure 5　The data acquisition and distribution of the magnetic flux sensor in stay cable

為了減少傳感器在安裝過程中對既有拉索結(jié)構(gòu)受力的影響，傳感器的制作與安裝直接統(tǒng)一在斜拉索的PE外保護套上進行。傳感器的標定在實驗室進行，采用與制作工藝與施工現(xiàn)場相同的測試用傳感器進行模擬檢測標定的方法；此外，為了消除測量環(huán)境與測量位置對測量精度的影響，對部分拉索的索力用千斤頂現(xiàn)場測量，消除磁通量傳感器的零點漂移。最終所歸納出的傳感器技術(shù)特點與指標如表1所示。

表1 磁通量傳感器技術(shù)特點與指標Table1 Technicalcharacteristicsandindexesofmagneticfluxsensor技術(shù)特點技術(shù)指標響應頻率0.05Hz供電電源AC110-240V系統(tǒng)誤差≤5%FS環(huán)境溫度-40～60℃量程拉索彈性范圍接線長度≤200m①測量精度高,可重復性強;②維護成本低,使用壽命長;③非接觸性監(jiān)測,不損傷結(jié)構(gòu);④索體原有PE保護層不受破壞;⑤自動溫度補償

3.3鋼絞線斜拉索索力監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1基本思路

預應力斜拉索由多根鋼絞線捆捻而成，斜拉索的索力也由該索包含的各鋼絞線拉力來提供，因而對該橋索力的監(jiān)測也應包含單根鋼絞線拉力測試與整索的索力監(jiān)測兩個方面。由于該橋的拉索較多，若每根索都安裝磁通量傳感器進行監(jiān)測，無疑浪費成本且周期較長。在此，選取S1～ S4共4根斜拉索、每根拉索選3根鋼絞線進行磁通量受力監(jiān)測。其基本的控制要求為： ①單根鋼絞線所受拉力的離散誤差在設(shè)計值的±3%之間；②整索索力誤差≤±5%。

3.3.2單根鋼絞線受力均勻性監(jiān)測

根據(jù)上述基本監(jiān)測思路，得到3根鋼絞線的拉力測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單根鋼絞線拉力值Table2 Pullingdataofthesinglestrand索號鋼絞線號目標值/kN監(jiān)測值/kN相對差/%1150149-0.67S1251501532.00501501510.671150149-0.67S225150148-1.3350150149-0.6711501510.67S3251501521.3350150148-1.3311501521.33S4251501521.3350150148-1.33

從表2可以看出: 4根斜拉索中，同索鋼絞線實測最大相對誤差為鋼索S1，其值為2.68%；且鋼索S1的第25根鋼絞線實際測量值與目標值誤差最大，為2.00%。數(shù)據(jù)分析表明：初張拉完后鋼絞線具有較均勻的索力特性，結(jié)果可以滿足施工精度的控制要求。

3.3.3張拉后整體索力監(jiān)測

為了驗證磁通量傳感器在鋼絞線整索索力監(jiān)測中的實際應用效果，比照S1～ S18的初始索力測試值與成橋后的測量值，結(jié)果如表3所示，主跨內(nèi)、外設(shè)計值與監(jiān)測值分別如圖6所示。從表3與圖6可知: 基于磁彈效應原理的鋼絞線索力的實際值與監(jiān)測值重合度較高，主跨外側(cè)設(shè)計值與監(jiān)測值相差最大的是S17，相對誤差為4.98%；最小的是S4，相對誤差為0；主跨內(nèi)側(cè)設(shè)計值與監(jiān)測值相差最大的是S13，相對誤差為4.84%；最小的是S15，相對誤差為0.14%。該測試結(jié)果同樣滿足施工精度要求。

表3 張拉后整體索力監(jiān)測數(shù)據(jù)Table3 Monitoringdataofwholecableforceaftertension索號外側(cè)內(nèi)側(cè)設(shè)計值/kN監(jiān)測值/kN相對差值/%設(shè)計值/kN監(jiān)測值/kN相對差值/%S1942298374.12937896613.02S286478595-0.6082428075-2.03S382858262-0.2882498111-1.67S4828682810.00811684343.92S5813184724.16851587532.21S6813983252.29877790222.79S7878590062.52721674853.73S8725375363.90728574422.16S983058003-3.64930995822.93S10941496482.49959297992.16S119933102353.049953103233.72S1210022101130.919884100942.12S1399519895-0.5610042105284.84S149935101862.539929101612.33S1510022100450.2310051100650.14S16899492232.55101349971-1.61S17919196494.98912394233.19S18891392253.50889291562.97

圖6　主跨索力設(shè)計值與檢測值Figure 6　Design and test value of main span cable force

4　結(jié)語

論文針對鋼絞線斜拉索施工特點以及結(jié)構(gòu)組成，從單根鋼絞線的拉力及拉索整體索力兩方面進行了受力監(jiān)測，得出以下研究結(jié)論：

① 基于磁彈效應原理的預應力橋梁鋼索索力測試是一種非接觸、無損測試方法，磁通量傳感器可現(xiàn)場制作，并能結(jié)合傳感器樣本和樣索的標定進行監(jiān)測，安裝、使用方法簡單，適用預應力橋梁鋼索索力施工過程的工程監(jiān)控與運營期的長期動態(tài)監(jiān)測。

② 對某大橋的工程測試結(jié)果統(tǒng)計分析表明：采用先張法對大橋斜拉索進行施工，同索鋼絞線實測最大相對誤差為2.68%，主跨外側(cè)鋼絞線整索索力設(shè)計值與監(jiān)測值相對誤差最大為4.98%，均滿足受力變形的控制要求。

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Monitoring and Application for Stay Cable Tension of Steel Strand

WANG Xianli

(Hunan Dongxin Expressway Construction and Development Co., Ltd.， Changsha, Hunan 410016， China)

Steel strand is the key component in the system of bridge stress, and the stress state or the size is an important index to evaluate the health condition of the cable bridge. Based on the principle and the main circuit structure of magneto elastic effect, the coupling relationship between stress and magnetic flux and the characteristics of magnetic domain of steel strand is analyzed, and a typical sensor magnetic circuit structure is proposed and the stress testing system of the steel wire is constructed. Then, the test system is applied to the cable force monitoring of a bridge and comparison its monitoring and design values, we can draw a conclusion that the two have a good consistency and the monitoring value is more accurate, it is shown that the steel strand stress monitoring system based on the magneto elastic effect has high precision and repeatability, it can meet the requirements of engineering construction quality and construction safety of the bridge cable, and can also provide reference for the cable force and deformation monitoring of the structure.

bridge construction; prestressed steel strand; cable force monitoring; magneto elastic effect

2016 — 06 — 12

湖南省科技廳重點研發(fā)計劃項目(2015SK20532)

王先麗(1981 — )，男，湖南常德人，工程師，碩士，研究方向：橋梁工程結(jié)構(gòu)。

TU 378

A

1674 — 0610(2016)04 — 0188 — 05