磁通量法測某罩棚索力的應(yīng)用研究

摘 要：以某收費(fèi)站罩棚為研究對象，通過布置EM磁通量傳感器，研究背索在施工過程及運(yùn)營過程中實際背索索力狀態(tài)。這種通過非破壞形式監(jiān)測索力變化的方法能夠較好反應(yīng)實際索力，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)部分背索在運(yùn)營過程中存在索力松弛的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：罩棚；索力監(jiān)測；磁通量；施工階段

1 索力監(jiān)測方法概述

現(xiàn)階段測索力的常用方法有磁通量法、鋼弦計法、頻譜法、壓力環(huán)法、千斤頂法5種測試方法，不同測試方法的精度不同，誤差不同[1]。索張力的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到施工過程控制能否順利進(jìn)行，尤其是結(jié)構(gòu)成型后是否接近設(shè)計狀態(tài)是關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

磁通量法是測定和監(jiān)測拉索索力的一種非破壞性方法，基于EM原理的索力測試精度可達(dá)到95%左右，EM線圈還可長期留置結(jié)構(gòu)中供使用階段進(jìn)行索力監(jiān)測。近幾年來，該項技術(shù)已經(jīng)在幾十項重大索結(jié)構(gòu)工程中的施工階段和使用階段的取得了很好的成效。

磁通量法即能用于監(jiān)測施工過程及運(yùn)營過中索力值的變化，也能用于預(yù)應(yīng)力混凝土的索力監(jiān)測，基于此本文主要探討磁通量法在某收費(fèi)站罩棚索力監(jiān)測的實際應(yīng)用。

2 工程背景

2.1 項目概況

某收費(fèi)站罩棚采用全張拉的索膜結(jié)構(gòu)體系，很好的利用大跨度的張拉結(jié)構(gòu)的力度美來表現(xiàn)建筑的美，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)的高度統(tǒng)一。建筑平面呈內(nèi)凹的曲殼形狀，最大跨度90.1m（桅桿低間距），兩側(cè)立4根梭形桅桿，內(nèi)凹的曲線為邊環(huán)索束，每根桅桿頂部交叉下拉6根吊索，與環(huán)邊索拉結(jié)，罩棚對稱軸處設(shè)置谷索，谷索與邊環(huán)索之間用聯(lián)系索連接，每根桅桿頂部外側(cè)有兩根下拉索與外側(cè)的錨座連接，邊環(huán)索、吊索、聯(lián)系索、桅桿和下拉索共同組成了空間張索系，基礎(chǔ)和錨座設(shè)置在收費(fèi)站兩側(cè)，中間無需一根立柱，整體結(jié)構(gòu)輕盈飄逸，力感十足。

膜材根據(jù)建筑要求選擇不同透明度的膜材，不透明膜材是PTFE，透明膜材選用ETFE膜材，不同膜材的使用使建筑具有良好的采光性，并能阻擋紫外線照射，同時，也使建筑外觀效果和更加豐富和層次。兩側(cè)桅桿頂高31m，罩棚頂高13.0m。

本工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測包括背索和谷索的索力，健康監(jiān)測周期從索膜結(jié)構(gòu)施工階段開始，至工程竣工驗后三年。結(jié)構(gòu)竣工后，第一年每季度監(jiān)測一次，第二、三年每半年監(jiān)測一次。另外，遇有重大氣象或地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，向項目物管方提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于評估結(jié)構(gòu)安全性。

2.2 磁通量測索力的目的

索膜結(jié)構(gòu)是一種特殊的結(jié)構(gòu)體系，其材料屬性有較大的離散性、設(shè)計條件和實際結(jié)構(gòu)存在較大的差異、實際結(jié)構(gòu)行為與理論預(yù)測差距較大。在國內(nèi)索膜結(jié)構(gòu)工程十幾年的應(yīng)用歷史上，發(fā)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)破壞的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他形式的結(jié)構(gòu)體系。產(chǎn)生重大社會影響的膜結(jié)構(gòu)工程破壞事故包括寧波北侖體育館（中國女排訓(xùn)練基地）、三亞博鰲論壇會展廳屋面、三亞美麗之冠會展中心等，上海F1賽車場和上海八萬人體育場等也均發(fā)生過程度不等的破損事故。

為避免索膜結(jié)構(gòu)發(fā)生重大破壞性安全事故，首先應(yīng)確保結(jié)構(gòu)按圖施工，達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)。其次，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)在使用階段按照其使用功能進(jìn)行使用，不得未經(jīng)設(shè)計院同意擅自更改使用功能。所以只有利用結(jié)構(gòu)的全過程健康監(jiān)測，通過及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全隱患，并將其消除于萌芽狀態(tài)，才能確保結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)營過程的安全[2]。在此基礎(chǔ)上才能正確評價施工階段及運(yùn)營階段的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性能，有利于采取有效的防護(hù)和修復(fù)措施，保證結(jié)構(gòu)安全，并達(dá)到以下目的：

2.2.1監(jiān)測結(jié)構(gòu)施工過程中的結(jié)構(gòu)性態(tài)，實現(xiàn)對項目過程的有效控制；

2.2.2監(jiān)測結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全；

2.2.3極端災(zāi)害事件后，評判災(zāi)害事件造成的損傷程度及部位，為業(yè)主進(jìn)行災(zāi)害應(yīng)急管理提供決策依據(jù)；

2.2.4為運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)檢查和維護(hù)方案提供信息和依據(jù)。

2.3磁通量測點布置

結(jié)構(gòu)兩端的桅桿后的背索（BS）是本工程的重要受力構(gòu)件，在本工程施工階段及后續(xù)運(yùn)營階段均需要進(jìn)行索力監(jiān)測。單個背索是由雙索組成，圖2展示了EM磁通量傳感器的布置位置，即每根索布置1個，共計16個測點。索編號和規(guī)格、數(shù)量見表1。

3 監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測設(shè)備

如圖3所示為EM磁通量索張力測量儀器原理圖。由激磁線圈和測量線圈組成的電磁感應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)直流電通入，由于有鋼索存在，會在激磁線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在測量線圈中產(chǎn)生瞬時電流，并隨之在測量線圈產(chǎn)生一個瞬時電壓。測量線圈輸出的瞬時電壓通過放大器經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到[3]。圖4為現(xiàn)場安裝的EM磁通量傳感器，圖5為自動化采集儀。

電磁感應(yīng)而在磁通量傳感器中產(chǎn)生的電流強(qiáng)度以及電壓大小與鐵芯材料的磁導(dǎo)率有著密不可分的關(guān)系，而且鋼索的應(yīng)力狀態(tài)與鋼索的磁導(dǎo)率相關(guān)。通過電磁感應(yīng)系統(tǒng)測量得到的瞬時電壓以及鋼索的橫截面積、溫度等材料參數(shù)可以推算得到材料的磁導(dǎo)率，從而借助該外部系統(tǒng)間接得到鋼索的應(yīng)力狀態(tài)[4]。

3.2 索力監(jiān)測數(shù)據(jù)

在整個結(jié)構(gòu)及運(yùn)營階段過程中，選取施工關(guān)鍵階段作為索力監(jiān)測依據(jù)。施工階段關(guān)鍵節(jié)點為：背索張拉到三級，整體張拉完畢、膜面安裝完畢3個階段。為統(tǒng)計單個背索的索力值，現(xiàn)將磁通量測得的背索2個數(shù)據(jù)相加，和理論計算得到的索力值進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表3。

3.3 索力監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到以下結(jié)論：

3.3.1整體張拉完畢階段BS1實測索力比理論索力低6.57%，BS2實測索力比理論索力低4.43%，BS1實測索力比理論索力低7.68%，BS1實測索力比理論索力低13.4%。

3.3.2膜面安裝完畢階段（即施工階段完成）BS1實測索力比理論索力低1.02%，BS2實測索力比理論索力高18.2%，BS1實測索力比理論索力高7.91%，BS1實測索力比理論索力高2.50%。

3.3.3運(yùn)營階段所有背索索力均表現(xiàn)為索力松弛，BS1運(yùn)營第3年索力比膜面安裝完畢階段松弛約2.99%，BS2運(yùn)營第3年索力比膜面安裝完畢階段松弛約2.79%，BS3運(yùn)營第3年索力比膜面安裝完畢階段松弛約2.77%，BS3運(yùn)營第3年索力比膜面安裝完畢階段松弛約0.64%。

3.3.4BS1、BS3、BS4索力實測值和理論值差值均在10%以內(nèi)。BS2在膜面安裝完畢階段實測的索力值高于理論值18.2%，BS2索力增大原因推斷是由于膜面安裝順序，及鋼構(gòu)誤差所引起，且實測索力大于理論索力，故膜面安裝完畢階段后沒有進(jìn)行補(bǔ)張拉措施，使背索索力松弛到理論索力附近。

4 結(jié)束語

通過磁通量法實現(xiàn)了施工階段及運(yùn)營階段的非破壞性索力監(jiān)測，大大提高了對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的掌握，并借助該方法，為本工程健康監(jiān)測提供了一定理論數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)實踐證明磁通量法能夠較好的測得索力，根據(jù)其原理能夠方便快速布置在橋梁、建筑的索結(jié)構(gòu)體系中。

參考文獻(xiàn)

[1]張卓杰，王榮輝，甄曉霞，劉新歡，韓曉成.平行鋼絞線斜拉索索力測試方法評價[J].橋梁建設(shè)，2016，46（02）：42-47.

[2]李碩.基于灰色系統(tǒng)理論的大型鋼結(jié)構(gòu)工程損傷識別技術(shù)研究[D].山東建筑大學(xué)，2012.

[3]張其林，陳魯，朱丙虎，李大林.大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2011，40（04）：3-8.

[4]陳魯，張其林，吳明兒.索結(jié)構(gòu)中拉索張力測量的原理與方法[J].工業(yè)建筑，2006（S1）：368-371.

作者簡介：

張國棟，性別：男，出生日期：1991年5月23日，籍貫：江蘇昆山，學(xué)歷：本科，民族：漢，單位：上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，單位地址：上海市楊浦區(qū)，職稱：助理工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測