磁電磁彈式索力計在椒江二橋監測中的應用

殷鵬雷

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

1 工程概況

椒江二橋及接線工程是浙江省及臺州市公路“十一五”建設規劃中的區域干線公路75省道改建跨越椒江的重要通道。本項目起點樁號為K62+294，終點樁號為K70+516，全長8.221 km，其中椒江二橋長約3702 m，本項目采用六車道一級公路技術標準，設計速度為80 km/h，路基寬32 m，椒江二橋主跨寬39.5 m，引橋寬37.5 m，主橋布跨:(70+140+480+140+70)m，為雙塔斜拉橋，上部結構為鋼混凝土疊合梁，最深樁基長約130 m;橋涵設計荷載公路—Ⅰ級，大中小橋設計洪水頻率1/100，特大橋設計洪水頻率1/300。

主橋采用五跨連續漂浮體系，空間密索型布置;索塔與主梁間設置縱向限位阻尼約束裝置，橫向設抗風支座傳遞風荷載。約束裝置可以自由跟從主梁由于溫度變化、平均風速和活載引起的緩慢移動，對結構沒有約束，就像全漂浮體系一樣;對于縱橋向大風作用，裝置利用行程限位功能(限位±300 mm)控制索塔和基礎受力;而剎車、陣風和地震導致快速移動形成阻尼約束，使主梁快速停止振動。一個塔梁連接處安裝4個限位阻尼約束裝置，全橋共8個。

作為特大型跨江橋梁工程，2011年6月，為輔助大橋百年運營期的橋梁結構安全監測管養(以下簡稱“監管”)需求，減少國家財產、人民生命發生重大損失的概率，避免災難性事故的發生，實時掌控大橋的安全使用狀態，輔助大橋管養維護，建立椒江二橋健康監測系統，拉索是斜拉橋的核心構件，是關鍵受力構件之一，因而索力監測是“健康監測系統”中重要的組成部分。椒江二橋索力監測采用磁電磁彈式索力智能監測系統。

2 磁電磁彈式索力智能監測系統基本原理和特點

1)磁電磁彈式索力傳感器磁通量法是測定索力、監測拉索銹蝕的非破壞性方法，本實驗利用磁彈效應通過磁特征量來標定鋼纜索的受力情況是特定的。磁彈效應，即在外力作用下，處于磁場中的鋼纜索磁特性發生變化。傳感器由勵磁線圈、測量線圈、磁電傳感器(ME)組成，勵磁線圈和測量線圈組成一類傳感器，勵磁線圈和ME組成二類傳感器。一類傳感器的測量過程為:通過為勵磁線圈提供一個脈沖磁場，將鋼纜索置于該脈沖磁場中，利用磁彈效應，索力變化引起磁場的變化，所以利用電磁感應原理，對測量線圈的感應電壓信號進行數據采集和處理，可得到對應的磁特征量，根據該磁特征量標定鋼纜索的受力情況;二類傳感器中ME為智能磁電材料，該傳感器利用壓電效應和磁致伸縮效應直接將磁信號轉化為電信號，因此二類傳感器的測量過程:通過為勵磁線圈提供一個脈沖磁場，將鋼纜索置于該脈沖磁場中，利用磁彈效應，索力變化引起磁場的變化，因此對ME傳感器的電壓信號進行測量和相應的數據分析，可得到ME對應的磁特征量，根據該磁特征量標定鋼纜索的受力情況。傳感器有以下幾個特點:

a.磁電磁彈式傳感器與被測拉索無機械接觸，對拉索不產生損傷，是一種無損檢測技術;

b.傳感器結構簡單，使用過程中無磨損，使用壽命長;

c.傳感器安裝時不需對拉索進行表面處理，不破壞拉索的保護層;

d.不需要了解拉索的受力歷史便能實現對索力絕對值的監測;

e.傳感器的測量精度高、響應速度快、信噪比高、重復性好、易于安裝;

f.傳感器可以工廠預制、索廠標定，也可現場制作，現場標定。

傳感器分為 A型(EME)、B型(EM)和 AB型(EME-EM)傳感器三類。A型(EME)傳感器由勵磁線圈，磁電傳感器(ME)和線圈骨架組成;B型(EM)傳感器由勵磁線圈，測量線圈和線圈骨架組成;AB型(EME-EM)傳感器由勵磁線圈，測量線圈，磁電傳感器(ME)和線圈骨架組成。其中勵磁線圈產生勵磁場，測量線圈和磁電傳感器提供輸出信號。AB傳感器可同時進行兩種方式的索力測量，以便進行對比校核。椒江二橋選用AB型傳感器進行安裝測量(見圖1)。

2)磁電磁彈儀。磁電磁彈儀主要包括充電器、信號處理器、數據采集卡及微處理器。它發出勵磁信號并接收檢測信號，經過信號處理，將索力測量結果貯存到磁電磁彈儀的內存上。磁電磁彈儀可通過RS485與計算機相連以實現遠程操作(見圖2)。

3 運營期拉索實時監控

為了監測橋梁運營過程中拉索的使用狀態，以便為橋梁養護決策提供依據，安裝了磁電磁彈式傳感器進行長期監測。由于椒江二橋拉索數量較多，根據結構受力特點，選擇有代表性的幾根拉索進行監控，并且選用振動法測頻率的方法與之相互校核，確保得到拉索真正的受力狀態。能正確反映拉索實際受力狀態，對整個大橋的使用狀態評估有重要的作用和意義。

3.1 傳感器索廠的標定數據分析

針對PES7-151型拉索，選用C115型的磁通量傳感器，由于拉索半徑較大，磁電磁彈式傳感器基本還沒有在工程實例中應用過，因此傳感器的穩定性和精度能否達到預期的期望值，對大橋健康監測系統的整體運行有著重要的意義。磁電磁彈式傳感器在工廠內制作好，在索廠制作拉索的過程中，安裝錨具之前先穿心套好。拉索出廠前超張拉過程中，根據國家測力傳感器有關規定進行標定(見圖3)。

選取一根拉索標定的數據進行如下分析，本根拉索成橋索力為3300 kN，因此選取2 600 kN～4 000 kN段進行標定，可以滿足拉索正常使用受力狀態測量數據的準確性。J8-3拉索標定擬合曲線見圖4。

表1 J8-3拉索標定數據

根據表1數據分析得出如下結論:拉索標定時線圈、MEZJ2標定結果的擬合相關系數均在95%以上，具有較高的擬合精度。兩類傳感器的擬合誤差均小于110 kN，擬合誤差相對值均小于5%，全量程誤差均小于3%，整體而言，ME的誤差小于線圈的誤差，擬合相關性系數大于線圈的擬合系數，即ME性能略優于線圈，但兩者均能滿足正常運營期的正常使用。

改革開放40年中國社會經濟的發展，是中國設計走向體系化、市場化，釋放自身能量的過程。然而，回憶過往，中國能夠建立全面、完整的工程設計體系，那些工程設計院（所）功不可沒。

3.2 拉索安裝過程的數據測量及分析

在拉索安裝過程中，通過比較張拉階段EME索力傳感器讀數、油壓表讀數和振動頻率法讀數的差別，校核椒江二橋上的四根斜拉索磁電磁彈式(EME)索力傳感器的有效性和可靠性。拉索張拉現場試驗見圖5。

對漳州索廠的四根拉索的實驗數據進行數據擬合，得到測量線圈的擬合曲線f=680.85x+3332.8和ME傳感器的擬合曲線f=683.31+3324.8，以該公式作為拉索索力的測量線圈和ME傳感器的測量公式，利用該公式對椒江二橋現場張拉階段的索力進行測量，得出的數據見表2。

表2 拉索現場張拉測量數據

表3給出了測量線圈、ME索力傳感器和振動頻率讀數法的測量誤差和全程誤差相對值。其中:測量誤差err_1=(測量值-擬合值);全程誤差相對值err_2=［(測量值-擬合值)/4 000］。

表3 拉索現場張拉測量數據分析

4 結語

通過磁電磁彈式智能監測系統用于斜拉橋橋梁運營過程中長期監測，得出如下結論:

1)基于磁彈效應測量的磁通量傳感器測試拉索索力是一種無損、非接觸測量方法，可用于施工監控和運營期長期監測，直接軸套使用，安裝方便簡單。

3)磁通量傳感器不受磁化飽和狀態的影響，但對材料的初始狀態敏感，使用時應測量零應力下的磁導率。

4)磁通量傳感器為絕對測量，修正溫度影響后，測量精確度一般為3%以內，適于拉索的長期、實時監控。