橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力磁彈法檢測技術(shù)研究

周逸欽

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司,江西 南昌 330100）

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼絞線是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)，能夠有效增強混凝土結(jié)構(gòu)的強度和剛度，抵御結(jié)構(gòu)超度形變和發(fā)生開裂。預(yù)應(yīng)力鋼絞線有彈塑性和材料功效安全應(yīng)用范圍，其參與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的組合過程如果操作不當(dāng)，很可能發(fā)生自身松弛、斷裂或者損壞混凝土結(jié)構(gòu)等工程病害[1]。因此，橋梁工程應(yīng)用該技術(shù)，施工過程需要加強鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測，以為施工控制提供依據(jù)。案例混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁路橋工程，采用套筒式整絞束磁彈感受器開展橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力無傷檢測分析。該型感受器在施工過程中預(yù)埋于工作位置，可以進行鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力無傷檢測，成橋后與結(jié)構(gòu)形成一體，也適用于通車后的在線鋼絞線預(yù)應(yīng)力監(jiān)測。結(jié)合工程應(yīng)用，該文介紹磁彈法預(yù)應(yīng)力檢測原理、感受器型式以及工程檢測分析結(jié)果，希望為同類工程檢測提供技術(shù)參考。

1 磁彈法預(yù)應(yīng)力檢測原理

鐵磁部件處于磁場環(huán)境，能夠受到磁力作用而磁化，其磁導(dǎo)性會受到內(nèi)部應(yīng)力和溫度的影響而發(fā)生改變。保持溫度及其他條件不變，僅通過改變鋼絞線的張力，就可以改變磁滯曲線，并且ΔB/ΔH磁導(dǎo)率也會隨即發(fā)生變化。因此在得到Δμ后，經(jīng)過推導(dǎo)計算即可以得到預(yù)應(yīng)力數(shù)值。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋磁彈檢測用感受器

磁彈檢測中，感受器是關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)可將磁彈感受器分為閉磁路磁彈感受器和非閉磁路磁彈感受器2類。閉磁路感受器又分單旁路、雙旁路和套筒式3種。一個時期以來，套筒式感受器的應(yīng)用比較廣泛。

套筒式磁路結(jié)構(gòu)由鋼絲繞成的鐵芯（鋼絞線）、激勵線圈、軛鐵、磁極和感應(yīng)線圈組成。其中磁極、空隙、軛鐵和鋼絞線形成磁回路。當(dāng)有電流脈沖通過時，激勵線圈會在電磁感應(yīng)作用下產(chǎn)生脈沖磁場。鋼絞線被磁化后，會發(fā)生縱向脈沖磁場。在電磁感應(yīng)作用下，感應(yīng)線圈發(fā)生感應(yīng)電壓，電磁相應(yīng)即可為部件預(yù)應(yīng)力檢測提供可能性。套筒式的磁路結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，磁力線都會穿過鋼絞線，因此漏磁問題可以忽略不計，能夠保證絞線被均勻磁化。

套筒式磁路結(jié)構(gòu)中，鋼絞線作為激勵和感應(yīng)線圈的鐵芯，嵌入套筒式磁路結(jié)構(gòu)中。鋼絞線經(jīng)過均勻磁化，利于采集檢測信號，因此索力磁彈感受器可以獲得較高的檢測靈敏度和精確度，而且這種磁路結(jié)構(gòu)相對簡單易行。在工程檢測應(yīng)用中，只要預(yù)先在特定區(qū)域埋設(shè)了套筒式感受器，就能實現(xiàn)工期或運營期內(nèi)對預(yù)應(yīng)力鋼絞索的有效檢測。磁彈感受器存在單絞檢測用和整絞檢測用的區(qū)別。

2.1 單絞檢測用感受器

錨板附近的磁彈感受器采取鋼絞線單根外側(cè)直接裝配方式，測試則選擇其中的3~5根進行。統(tǒng)計感受器采集的數(shù)據(jù)，通過計算即可以獲得檢測索力。單根檢測所獲數(shù)據(jù)相對更準(zhǔn)確，利于獲得更有檢測精度的單股鋼絞張力數(shù)據(jù)。比較單根鋼絞的張拉應(yīng)力狀態(tài)，即可以總結(jié)獲得鋼絞張拉應(yīng)力規(guī)律，判斷受力是否均勻。但這種感受器也存在缺點，如存在位置限制、安裝不夠方便以及推算索力準(zhǔn)確度等問題[2]。

2.2 整絞檢測用感受器

整絞檢測用感受器裝配在波紋管外部，對鋼絞線直接進行整束測量。整絞檢測的優(yōu)勢是測點選擇靈活，位置受限小，易于裝配，并且能夠準(zhǔn)確獲得鋼絞線整束的預(yù)應(yīng)力值，提高檢測精度，但是整絞檢測在張拉均勻性檢測把握上具有功能劣勢。

案例工程采用套筒式整絞束磁彈感受器開展橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測。

3 案例有效預(yù)應(yīng)力磁彈法檢測與分析

3.1 檢測案例

某高速公路的一座跨越山谷的混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁橋，公路-I級荷載標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度80 km/h，跨度配置102.00 m+190.00 m+102.00 m，橋面寬度配置防撞護欄0.50 m+行車道11.00 m+防撞護欄0.50 m。上部構(gòu)造采取橫向、縱向、部分豎向的三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計，施工過程采取分級和雙控張拉進行施工控制。這里介紹的是工程中對0#塊頂板縱向束T0、主跨12#塊頂板縱向束、主跨合龍段底板束的磁彈法檢測及分析成果。

3.2 感受器配置

采取CCT120J型磁彈感受器，規(guī)格直徑×內(nèi)徑×長度為20.50 cm×12.00 cm×37.00 cm，可直接安裝在鋼絞線所在的塑料波紋管外，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

該次現(xiàn)場檢測所用的磁彈感受器計3個，其分別編號140701D、140702D和140703D。感受器在施工過程中預(yù)埋于預(yù)應(yīng)力束測試斷面所在的波紋管外部，成橋后它們與結(jié)構(gòu)一體，穩(wěn)定性較好，抗干擾能力較強，屬無損檢測，也適用于通車后的在線監(jiān)測。

3.3 檢測結(jié)果與分析

現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)為預(yù)應(yīng)力值，單位為kN。為了方便后面的分析比較，將力值換算成應(yīng)力值，單位為MPa。

3.3.1 第1階段的磨損計算值與實測值比較

磨損實測值，即鋼束在張拉到位錨固前，在感受器埋設(shè)點處所測得的預(yù)應(yīng)力值與張拉端預(yù)應(yīng)力的差值，具體詳見表2所示。

表2 鋼束測點處摩擦致使預(yù)應(yīng)力損失比較 /MPa

表2數(shù)據(jù)顯示，T0和T12處的摩擦致使預(yù)應(yīng)力損失的實測值比計算值分別高16.81 MPa和20.47 MPa，實測值分別是計算值的約1.63倍和1.58倍，實測摩擦損失值與計算值的差異比較大。顯示該項預(yù)應(yīng)力損失易受其他因素影響。如果磁致彈性傳感器的零值確定得不夠準(zhǔn)確，測量值的準(zhǔn)確性就會有問題。

3.3.2 第1階段接縫壓縮、鋼筋回縮、錨具形變的計算值與實測值比較

在該項計算中，注意考慮了反摩擦作用影響。接縫壓縮損失、鋼筋回縮和錨具形變的際測值，即鋼束完成錨固時的預(yù)應(yīng)力值與錨固前預(yù)應(yīng)力的差值，其理論值與實測值差異見表3所示：

表3 錨具形變等引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損失比較 /MPa

表3數(shù)據(jù)顯示，T0和T12處的該項預(yù)應(yīng)力損失的實測值比計算值分別低1.47 MPa和2.75 MPa，實測值分別是計算值的約1.63倍和1.58倍，實測摩擦損失值與計算值的差異比較大。實測值分別占計算值的97.9%和92.8%。實測值與計算值比較接近，表明磁彈法用于檢測連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力損失，具有一定的可靠性和適用性，特別是在檢測接縫壓縮、鋼筋回縮和錨具形變方面功效良好。

3.3.3 第1階段總損失的模擬值、計算值、實測值的對比分析

錨具變形和摩阻損失等損失之和即為第1階段總損失[3]。模擬值是經(jīng)Midas Civil軟件中的模型計算獲得的由錨具變形和摩阻等損失構(gòu)成的瞬時損失集合量。模擬值Ⅰ是參考規(guī)范取管道偏差系數(shù)和摩擦系數(shù)的模擬結(jié)果。模擬值Ⅱ是參考測試值取管道偏差系數(shù)和摩擦系數(shù)的模擬結(jié)果。

表4中數(shù)據(jù)顯示，預(yù)應(yīng)力第1階段的總損失的實測值接近于計算值，兩種模擬值也接近于計算值，表明預(yù)應(yīng)力第1階段的總損失的磁彈法檢測成果具有適用性。

表4 第1階段總損失的模擬值、計算值、實測值的對比/MPa

3.3.4 第2階段磨損計算值、實測值及模擬值比較

理論計算和模擬均注意考慮了筋松弛影響?，F(xiàn)場實際測量值、規(guī)范計算值和有限元模型計算值的比較表見表5~6。

表5 T0鋼束計算值、模擬值和實測值比較 /MPa

表5數(shù)據(jù)顯示，T0測點第2階段損失預(yù)應(yīng)力的2個模擬值走向狀態(tài)基本一致，雖然模擬值Ⅰ一直高于模擬值Ⅱ，且隨著工序推進，兩者的差距越來越小，16#節(jié)段鋼束張拉后發(fā)生7.30 MPa的最大差值。計算值、模擬值和實測值的演繹規(guī)律總體一致，其中實測值緊隨計算值做上下波動。實測值與模擬值在個別階段存在交叉。實測值與計算值間的差值最大為14.220 MPa。模擬計算值與計算值間的差值最大為14.620 MPa，且模擬計算值均比計算值低。

表6數(shù)據(jù)顯示，但T12測點的實測值不再如T0測點的緊隨計算值做上下波動，而是基本穩(wěn)定運行于計算值的上方。T12測點的2個模擬值的演繹趨勢與前述T0測點的演繹趨勢基本一致。T0、T12測點第2階段損失預(yù)應(yīng)力實測值、模擬值及計算值對比分析顯示，磁彈法在連續(xù)剛構(gòu)橋鋼束預(yù)應(yīng)力損失測第2階段檢測中依然適用。

表6 鋼束T12的計算、模擬及實測值比較 /MPa

3.3.5 總損失預(yù)應(yīng)力的計算、模擬與實測值對比

表7數(shù)據(jù)顯示，T0測點的總損失預(yù)應(yīng)力的實測值總體圍繞模擬值Ⅱ做上下波動，其最大差值在20.87 MPa。模擬值、計算值和實測值其變化規(guī)律總體一致。其中模擬值Ⅱ>計算值>模擬值Ⅰ，模擬值Ⅱ與計算值的差值全程較平穩(wěn)，最大差值在13.12 MPa。模擬值Ⅰ更接近于計算值，兩者間最大差值4.390 MPa。

表7 T0束總損失預(yù)應(yīng)力的計算、模擬與實測值對比數(shù)據(jù) /MPa

表8數(shù)據(jù)顯示，T12測點的總預(yù)應(yīng)力損失模擬值、計算值和實測值變化規(guī)律總體一致，模擬值Ⅰ接近于計算值，實測值>模擬值Ⅱ>計算值。在13#節(jié)段發(fā)生模擬值Ⅱ與計算值的12.46 MPa最大差值。在15#節(jié)段發(fā)生實測值與模擬值Ⅱ的17.22 MPa最大差值，以及模擬值Ⅰ與計算值的0.89 MPa最大差值。

表8 T12鋼束總損失預(yù)應(yīng)力計算值、模擬值及實測值比較 /MPa

4 結(jié)語

該文探討了橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力磁彈法檢測技術(shù)。介紹了磁彈法預(yù)應(yīng)力檢測原理、連續(xù)剛構(gòu)橋鋼束預(yù)應(yīng)力磁彈檢測的感受器類型，并結(jié)合案例采用套筒式整絞束磁彈感受器開展橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測分析結(jié)果，結(jié)果顯示：

第1階段摩擦損失計算值、實測值、模擬值的對比分析顯示，磁彈法用于檢測連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力損失，在檢測因接縫壓縮、鋼筋回縮和錨具形變引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損失上有一定適用性，但該階段預(yù)應(yīng)力損失易于受到諸多因素的影響，感受器的零值一旦不夠精確，會造成實測摩擦損失值與計算值的差異比較大，將導(dǎo)致實測值的準(zhǔn)確度存在問題。

第2階段的預(yù)應(yīng)力損失計算值、實測值、模擬值的對比分析顯示，T0、T12鋼束的上述三值變化規(guī)律基本一致。T0鋼束的實測值呈現(xiàn)圍繞計算值上下波動狀態(tài)，而T12的實際測量值始終高于計算值?？傤A(yù)應(yīng)力損失上，T0的實際測量值總體圍繞模擬值Ⅱ在上下波動，而T12的實際測量值則一直高于模擬值Ⅱ。因此，磁彈法在連續(xù)剛構(gòu)橋第2階段的預(yù)應(yīng)力損失檢測的適用性和可靠性較強。