基于振弦式壓力傳感器的橋梁索力監(jiān)測探討

張龍龍，鐘山

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

振弦式壓力傳感器因基于鋼弦頻率隨鋼弦張力變化而變化的工作原理，而對于建筑結構應力應變測量系統(tǒng)較為適用，通過鋼弦傳感器輸出建筑結構相應的頻率信號，該壓力傳感器具有結構簡單、精度高、抗干擾能力強、受溫度影響小、對電纜要求低、零漂小、性能穩(wěn)定等技術優(yōu)勢，有利于遠距離傳輸及遠程測量，且測試效果較好，因此在土木工程、隧道橋梁、水庫大壩等工作環(huán)境惡劣且技術要求高的工程監(jiān)測領域廣泛應用。

1 振弦式壓力傳感器工作原理

根據(jù)激振及讀數(shù)技術的不同，振弦式壓力傳感器主要分為撥振和自動諧振兩種。撥振方式下，通過將電磁線圈置于鋼弦之間，作為激勵線圈，線圈接收到兩芯導線所傳入的電子脈沖信號后使磁場發(fā)生變化，進而促使鋼弦以諧振頻率發(fā)生振動。鋼弦因張力不同而其諧振頻率也不盡相同，線圈接收到鋼弦切割磁力線的頻率后將其通過線纜傳輸至讀數(shù)裝置。由讀數(shù)裝置通過高頻石英計時器進行振頻的準確測定，以便在毫微秒時間內(nèi)顯示出0.1微應變級重復分辨率[1]。而自動諧振方式通常使用兩個獨立線圈，分別用作激勵線圈和感應線圈，用于激勵鋼弦以其諧振頻率振動以及感應鋼弦的振動。

撥振壓力傳感器電路結構較為簡單，傳感器可靠性及抵御惡劣環(huán)境性能更為優(yōu)秀，儀器體積也更小，僅需要兩芯電纜即可正常運轉(zhuǎn)，故整體費用也更低。由于當前單線圈連續(xù)激振技術已經(jīng)獲得突破，因此雙線圈自動諧振方式的應用越來越少見。

1.1 儀器結構

振弦式壓力傳感器主要憑借機械振弦原理，儀器靈敏度及測量結果精度高，測量過程受環(huán)境溫度的影響較小，且零點穩(wěn)定不變，初始輸出值即為頻率值，在數(shù)據(jù)信號長距離傳輸過程中受干擾小，對橋梁結構索力監(jiān)測及運行狀況監(jiān)測均較為適用。在振弦式壓力傳感器中有內(nèi)置存儲芯片，主要存儲儀器型號、標定系數(shù)及編號等，通過其與配套讀數(shù)儀的聯(lián)測，還能存儲儀器工作溫度、運行環(huán)境溫度、壓力、應變等測量參數(shù)。當前，普遍使用的FWC-2000 型振弦式壓力傳感器技術指標詳見表1。

表1 振弦式壓力傳感器技術指標

1.2 工作原理

振弦式傳感器主要進行駐波頻率最小值的測量，其實現(xiàn)測試功能的電氣測量方案具體見圖1，該方案通過引入線圈以使傳感器同時具備激振和拾振功能。恰當?shù)叵蚓€圈中通入電流，引發(fā)振弦強振并形成駐波，此即為激振過程。激振結束后將線圈供電切斷，并將線圈與測試電路連接，借助線圈內(nèi)感應電勢得出振弦固有頻率，此即為拾振過程。

圖1 間歇激振原理

1.2.1 激振方式

間歇激振和連續(xù)激振均為常見的激振方式，間歇激振原理可通過圖1 加以說明。激勵脈沖通過張弛振蕩器發(fā)出，以便控制繼電器斷開/吸合，所產(chǎn)生的交變磁力將促使振弦強迫振動并激發(fā)駐波。連續(xù)激振還可以進一步分為電磁法和電流法兩種，其中電流法將磁場中的振弦視為振蕩電路的重要組成部分，對振弦輸入電流后，振弦會在洛倫磁力的影響下發(fā)生振動，進而輸出含有固定頻率的信號，放大后可進行電路測量。這一過程也具有明顯的缺點：首先，振弦連續(xù)通電后會引發(fā)彈性模量、弦長、溫度等物理參數(shù)改變，影響測值的準確性；其次，振弦持續(xù)激振作用也不利于振動器使用壽命的延長。

根據(jù)電磁法連續(xù)激振方式作用原理（見圖2），感應電勢由拾振線圈產(chǎn)生后經(jīng)由放大器放大處理，再回送至激振線圈得到能量補充，以使振弦維持固有頻率振動。這種作用方式也具有明顯缺陷：雙線圈激振所對應的工藝結構較為復雜；輸出形成閉環(huán)后使高頻電磁干擾振蕩發(fā)生的可能性增加，可靠性也因此受到影響。

圖2 電磁法連續(xù)激振方式作用原理

1.2.2 拾振方式

感應電勢經(jīng)由前置放大電路以及有源低通濾波電路后信號得到放大，且高頻雜波得以剔除，再經(jīng)過零比較器處理后便得到頻率標準的信號，最后的固有頻率振弦顯示于頻率計數(shù)器端。

1.2.3 壓力傳感器工作原理

張緊的鋼弦是振弦式壓力傳感器的敏感元件，鋼弦與傳感器受力部件固定連接，并通過鋼弦自振頻率及所承受的外力進行物理量的測量。振弦式壓力傳感器工作原理具體見圖3，傳感器的鋼弦其實就是一根張緊的鋼絲，設置在電磁鐵中，其上端固定在支承上，下端連接可動部件；當可動部件受到靜態(tài)張力的作用后鋼弦便會張緊。當向電磁線圈兩端施加脈沖電流時，純鐵片便會在電磁力的作用下帶動金屬絲發(fā)生共振。

圖3 振弦式壓力傳感器工作原理

在采用振弦式壓力傳感器進行橋梁索力監(jiān)測的過程中，主要根據(jù)橋梁實際承受荷載情況，將2～6個高精度振弦式壓力傳感器均勻布置在橋梁四周，并將儀器核心元件固定于端塊間鋼弦之上，張緊鋼弦后測量鋼弦頻率、張力、應變的量。鋼弦振頻和張力間存在的函數(shù)關系見式（1）：

式中：f為張緊后鋼弦的自振頻率（Hz）；T為鋼弦實際張力（kN/m）；L為鋼弦長（m）；m為鋼弦實際質(zhì)量（kg/m）。

結合類似工程監(jiān)測實踐，振弦式壓力傳感器長期穩(wěn)定性受到諸多因素影響，為保證監(jiān)測結果的準確性，必須采取有效措施來控制因溫度、應變等變化而引發(fā)的鋼弦徐變、結構腐蝕，確保其設計的科學性，避免其長期漂移。振弦式壓力傳感器通常用于錨索壓力傳感器上所作用的總荷載測量，還能用于測量不均勻荷載、偏心荷載等。通過在振弦式壓力傳感器結構中的內(nèi)置溫度傳感器，還能實現(xiàn)索力溫度對應變結果補償程度的監(jiān)測。

經(jīng)由振弦式壓力傳感器直接輸出的是若干個鋼弦的頻率，為得到具體的索力監(jiān)測結果，還必須通過式（2）進行換算：

式中：F為壓力值；k為鋼弦?guī)l系數(shù)，取8.421×10-4，其他參數(shù)含義同前。

由于當前振弦式壓力傳感器芯片大多內(nèi)置，可以進行壓力值的直接換算，所以讀數(shù)儀所讀取的應變和壓力值也就是換算后的最終結果。振弦式壓力傳感器內(nèi)置溫度傳感器后可自動修正并保存溫度調(diào)整系數(shù)，其所提供的最終監(jiān)測結果也為自動排除溫度影響后的結果；相反，若振弦式壓力傳感器并無內(nèi)置溫度傳感器，則還應對溫度影響因素進行人工處理。

2 振弦式壓力傳感器在橋梁索力監(jiān)測中的應用

2.1 工程概況

某跨河主橋按照復合式上承拱橋設計，為保證拱腳處水平推力的平衡性，在柱墩處設置大型群樁基礎，并在橋梁上部箱梁中增設PES-Φ7-139 型高強鍍鋅鋼絲拉索貫穿全橋，鋼絲拉索兩頭分別錨固于邊跨端橫梁位置。每幅橋設置12 根拉索，全橋共設置48套拉索，根據(jù)實際張拉溫度將每根鍍鋅鋼絲拉索的張拉力嚴格控制在3 800～3 900kN 范圍內(nèi)；為進行鋼絲拉索實際張拉控制力以及橋梁實際運行狀態(tài)的監(jiān)測，在每三根拉索中增設1 個振弦壓力傳感器?？紤]到全橋系桿均置于箱梁底板桿支架處，為避免系桿線形出現(xiàn)誤差，必須進行其支架橫縱向的準確定位，將其橫縱向誤差分別控制在1cm 及5cm 以內(nèi)。在穿繞鋼絲拉索時，必須加強對拉索錨頭的保護，避免損壞、變形。

橋梁施工時其拉索索力調(diào)整應嚴格遵循分批、對稱及逐級張拉原則，因該上承式拱橋所布置拉索數(shù)較多，故張拉施工應按4根/批的數(shù)量分批次進行，且張拉力逐級遞增，前三批拉索分級循環(huán)張拉，并在每次張拉結束后復測拉索實際索力。為保證拉索張拉力控制效率以及設計預應力效果，應實行振弦式壓力傳感器和千斤頂油表聯(lián)測。一旦振弦式壓力傳感器讀數(shù)所顯示的壓力值和千斤頂油表顯示壓力值之差超出5%，則應立即暫停張拉，盡快查明原因，重新調(diào)整索力后重新恢復張拉。

2.2 影響索力的因素

橋梁鋼筋混凝土結構會在大氣溫度、混凝土收縮徐變、拉索鋼絲松弛等的綜合作用下沿縱橋向發(fā)生形變，橋梁內(nèi)部拉索伸長量也會隨之改變，考慮到拉索變形屬于彈性變形，故其索力也必將表現(xiàn)出不同程度的變化。橋梁鋼筋混凝土梁體和拉索具有不同的溫度變化，為此必須在理論計算與索力監(jiān)測結果相結合的基礎上，將張拉時的溫度設定為基準溫度。根據(jù)相關經(jīng)驗及廠家所提供的資料數(shù)據(jù)，拉索溫度每變動1℃，則長度為180m 的拉索索力將變動7～10kN[2]。為避免出廠后的成品拉索因拉動而松弛，拉索在出廠時均進行了超張拉處理，然而，即使是進行了超張拉處理的拉索，其往往也會表現(xiàn)出1%～2.5%的松弛率，所以必須考慮長度180m 拉索可能發(fā)生的松弛情況?？傊?，橋梁拉索索力因受諸多因素的影響而始終處于變化過程中，應用振弦式壓力傳感器進行橋梁拉索索力監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)索力超出許可范圍，必須采取有效措施調(diào)整拉索索力，確保橋梁結構安全性。

2.3 振弦式壓力傳感器標定

在安裝振弦式壓力傳感器以及張拉千斤頂前必須標定，且標定結果完全符合相關規(guī)范要求才能使用。本橋梁工程所使用的振弦式壓力傳感器在出廠前均已通過相應檢測機構檢驗且標定合格，在施工開始前，從16 個壓力環(huán)中隨機抽出2 個送交相應檢測機構再次檢驗和標定。使用0.5～20MN 型基準測力機進行過校準，該儀器使用溫度范圍為±18℃，配套JMZX-2008型綜合測試指示儀表。

2.4 監(jiān)測結果分析

針對得到的該橋梁主橋上行線所設置的4 個振弦式壓力傳感器壓力環(huán)數(shù)值，進行鋼絲拉索張拉施工過程中油壓千斤頂油表讀數(shù)和振弦式壓力傳感器讀數(shù)的比較。通過比較，兩種索力監(jiān)測結果的誤差均控制在5%以內(nèi)，遠小于設計要求的10%，表明振弦式壓力傳感器所得出的橋梁索力監(jiān)測結果較為可靠[3]。

振弦式壓力傳感器監(jiān)測結果的準確程度直接決定著橋梁工程運行的安全性及穩(wěn)定性，為此，在進行該儀器安裝時必須嚴格按照規(guī)范，并在監(jiān)測相應時間后進行必要的維護。本橋梁工程在壓力傳感器安裝的過程中，待電纜從儀器伸出后均牢固固定于相應結構，確保電纜其余段不受人員觸碰等偶然因素的影響；儀器及光纜接頭均具備防水功能。

3 結語

綜上所述，振弦式壓力傳感器可以在橋梁結構日常運行過程中展開索力長期監(jiān)測，以便及時了解橋梁結構索力變化及實際運行狀態(tài)，一旦索力變動幅度超出規(guī)范許可范圍，傳感器也會同時發(fā)出預警，以便橋梁管理部門及時采取有效措施。結合橋梁工程實例對振弦式壓力傳感器作用原理、結構特征及技術參數(shù)的分析可以看出，振弦式壓力傳感器在橋梁運行過程中的索力監(jiān)測結果真實可靠，且儀器工作性能和運行的穩(wěn)定性良好，適用于對橋梁結構運行狀態(tài)的長期監(jiān)測。