磁通量傳感器在橋梁索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

柴愛(ài)紅

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西太原 030012)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多座橋梁突然破壞與倒塌，使得全社會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全倍加關(guān)注。在橋梁結(jié)構(gòu)中，拉索(斜拉橋的斜拉索、桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力梁的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋和體外索等)是其最主要的受力構(gòu)件之一，索力狀態(tài)是衡量橋梁是否正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。索力合理分布，可有效保證橋梁結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定，使得橋梁安全運(yùn)營(yíng)。因此，及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的索力狀態(tài)極其重要。

拉索是橋梁的“生命線”，精確掌控橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中拉索的使用狀態(tài)，精確的索力測(cè)量手段是保證橋梁安全營(yíng)運(yùn)的重要手段。使用傳統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)方法，橋梁經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)后，要得到比較準(zhǔn)確的索力狀態(tài)就比較困難。因此，安裝一些長(zhǎng)效性傳感器來(lái)監(jiān)控橋梁運(yùn)營(yíng)期間的索力狀態(tài)就尤為重要。磁通量傳感器克服了傳統(tǒng)索力監(jiān)測(cè)方法的缺陷，將其應(yīng)用于橋梁索力監(jiān)測(cè)，可有效的實(shí)時(shí)測(cè)量索力狀況，是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

1 索力長(zhǎng)效檢測(cè)的必要性

拉索是支承橋梁的核心構(gòu)件之一。在橋梁結(jié)構(gòu)中，鋼筋的應(yīng)力松弛、混凝土的收縮徐變、季節(jié)更替、氣候變化等因素，都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，其最突出的表現(xiàn)就是拉索索力的重新分配;同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的損傷也可以通過(guò)索力變化表現(xiàn)出來(lái)。可以說(shuō)，橋梁索力的變化直接表現(xiàn)出橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)橋梁索力進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)估，是掌握橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要手段，索力長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)是橋梁健康安全監(jiān)測(cè)的最重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)的索力檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，有結(jié)構(gòu)計(jì)算法、壓力傳感法(振弦式、應(yīng)變片、液壓式、光纖光柵)、千斤頂張拉法、振動(dòng)頻率法等(見(jiàn)表1)。各種索力監(jiān)測(cè)方法，各有特點(diǎn)。振動(dòng)頻率法和壓力傳感法是使用較多的方法。振動(dòng)頻率法是通過(guò)實(shí)測(cè)拉索的振動(dòng)頻率，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出索力，監(jiān)測(cè)中受減震器、拉索長(zhǎng)度、護(hù)套等的影響較大，測(cè)量精度差;壓力傳感法是將傳遞到傳感器上面的力直接測(cè)量出來(lái)，短期精度高、動(dòng)態(tài)性好，但受荷載長(zhǎng)期作用、材料徐變、形變傳遞失真等方面的影響較大，耐久性和長(zhǎng)期精度很難保證，難以滿足長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)的要求。

表1 傳統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)索力監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限，磁通量傳感器(EM Sensor)較好地解決了該問(wèn)題。磁通量傳感器是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)非接觸式測(cè)量避免了傳感器的受力疲勞問(wèn)題;通過(guò)模擬標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn);簡(jiǎn)單實(shí)用，可在不影響橋梁運(yùn)營(yíng)的前提下建立索力監(jiān)測(cè)或更換傳感器;可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的多截面監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了索力監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)效性。

2 磁通量傳感器原理及特性

磁通量傳感器是依據(jù)鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理制成，即是當(dāng)鐵磁性材料受到外界的荷載時(shí)，其內(nèi)部的磁化強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。因此，可以通過(guò)測(cè)定磁化強(qiáng)度的變化來(lái)反映索力的變化。

利用磁通量傳感器來(lái)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)索力監(jiān)測(cè)，具有以下技術(shù)特點(diǎn):

1)使用磁通量傳感器測(cè)量索力為非接觸性測(cè)量，不會(huì)損傷橋梁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1);

圖1 磁通量傳感器測(cè)量索力示意圖

2)不需要對(duì)索體表面進(jìn)行處理，不會(huì)對(duì)表面的防腐保護(hù)層造成破壞;

3)使用模擬標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，具有維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)的特性;

4)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，重復(fù)性能好;

5)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量直接顯示力值;由于鋼材的磁導(dǎo)率隨溫度變化而變化，可通過(guò)自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)消除溫度影響;

6)可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程健康診斷。

3 磁通量傳感器在橋梁索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 平行鋼絲斜拉索索力的監(jiān)測(cè)

傳感器的選擇:根據(jù)拉索外徑確定傳感器的規(guī)格，一般要求傳感器內(nèi)徑大于拉索外徑5 mm～7 mm。

傳感器與拉索配套安裝:在工廠內(nèi)制索時(shí)，將傳感器套在拉索自由段上，再安裝錨具，固定并保護(hù)傳感器及信號(hào)線，使得傳感器與拉索形成整體。

傳感器與斜拉索配套標(biāo)定:利用拉索出廠前的超張拉工序，進(jìn)行傳感器與斜拉索的配套標(biāo)定。

傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝(見(jiàn)圖2):在施工現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)完成掛索后，將傳感器放入梁端預(yù)埋管內(nèi)，信號(hào)線從預(yù)先開(kāi)好的預(yù)埋管側(cè)壁上的引線孔引出，再安裝減震器、防水罩等部件。

圖2 傳感器在平行鋼絲斜拉索上的安裝

3.2 平行鋼絞線斜拉索索力的監(jiān)測(cè)

智能型鋼絞線拉索:在鋼絞線拉索塔端錨具中，選擇三個(gè)孔位一體化裝配用于單根鋼絞線索力測(cè)量的磁通量傳感器，形成智能型鋼絞線拉索體系。與整體索力監(jiān)測(cè)方式相比，該方法經(jīng)濟(jì)性好，還可以監(jiān)測(cè)單根鋼絞線之間受力的均勻性。

索力的測(cè)量計(jì)算:在掛索張拉時(shí)，分別將這三個(gè)孔位定為第一根、中間一根和最后一根，將三個(gè)孔位所測(cè)得的力的算術(shù)平均值乘以該束拉索的鋼絞線總根數(shù)，測(cè)量計(jì)算出整束拉索索力;可以一定程度上監(jiān)控單根鋼絞線受力均勻性;適用于矮塔斜拉橋、斜拉橋等斜拉索體系。

傳感器的標(biāo)定:在實(shí)驗(yàn)室中利用張拉臺(tái)座和標(biāo)準(zhǔn)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定。

在斜拉橋上的布置:錨具在塔內(nèi)的分布比梁上密集，系統(tǒng)集成時(shí)方便施工;同時(shí)塔內(nèi)的溫濕度相對(duì)恒定，無(wú)紫外線、風(fēng)化、雨水等的侵襲，利于儀器設(shè)備的工作、保護(hù)和正常運(yùn)行。

在矮塔斜拉橋或?qū)嵭乃系牟贾?見(jiàn)圖3):為方便測(cè)量及信號(hào)集成，傳感器裝配在梁端錨具中，信號(hào)線從預(yù)埋管側(cè)壁引出。

圖3 傳感器在平行鋼絞線斜拉索上的安裝

3.3 拱橋吊桿索力的監(jiān)測(cè)

傳感器的選型:根據(jù)拉索外徑確定傳感器的規(guī)格，一般要求傳感器內(nèi)徑大于拉索外徑5 mm～7 mm。

傳感器與拉索配套安裝:在工廠內(nèi)制索時(shí)，將傳感器套在吊桿自由段上，再安裝錨具，固定并保護(hù)傳感器及信號(hào)線，使得傳感器與吊桿形成整體。

傳感器與吊桿配套標(biāo)定:利用吊桿出廠前的超張拉工序，進(jìn)行傳感器與吊桿的配套標(biāo)定。

傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝(見(jiàn)圖4):在施工現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)完成掛索后，將傳感器放入梁端預(yù)埋管內(nèi)，信號(hào)線從預(yù)先開(kāi)好的預(yù)埋管側(cè)壁上的引線孔引出，再安裝減震器、防水罩等部件。

圖4 傳感器在吊桿上的安裝

圖5 傳感器在運(yùn)營(yíng)中橋梁拉索上的安裝

圖6 離線檢測(cè)系統(tǒng)

3.4 運(yùn)營(yíng)中橋梁拉索索力長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)

在運(yùn)營(yíng)中的橋梁上安裝拉索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，利用磁通量傳感器非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，直接在處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的拉索上制作安裝，實(shí)現(xiàn)索力監(jiān)測(cè)的目的。傳感器的選型:根據(jù)拉索外徑確定傳感器的規(guī)格，一般要求傳感器的內(nèi)徑大于拉索外徑5 mm～7 mm。

圖7 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

傳感器的標(biāo)定:采用同種材料及工藝制作相同規(guī)格型號(hào)的標(biāo)定試驗(yàn)索，再額外制作標(biāo)定用的樣品傳感器，在實(shí)驗(yàn)室的張拉臺(tái)座上進(jìn)行配套力值標(biāo)定和溫度標(biāo)定。傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝(見(jiàn)圖5):在橋面上安裝方便的位置安裝傳感器。需安裝保護(hù)罩或防腐處理，在對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，可避免傳感器外罩反射光線影響行車安全。

4 磁通量傳感器索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

使用磁通量傳感器進(jìn)行橋梁索力監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)工程預(yù)算情況，選擇離線檢測(cè)系統(tǒng)或在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。離線檢測(cè)系統(tǒng)造價(jià)低，但需人工現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但造價(jià)高。1)離線檢測(cè)系統(tǒng)?；A(chǔ)配置包括磁通量傳感器、開(kāi)關(guān)集線箱、磁彈儀、數(shù)據(jù)傳輸線及布線管、儀器保護(hù)箱，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集箱)，根據(jù)傳感器的數(shù)量及分布情況在橋梁上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集箱，構(gòu)成離線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工定期數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖6)。2)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在離線檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了索力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，具有自動(dòng)測(cè)量、異常預(yù)警等功能，操作簡(jiǎn)單(見(jiàn)圖7)。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)方法、人工巡檢等手段，越來(lái)越難以適應(yīng)橋梁運(yùn)行結(jié)構(gòu)安全管理的需要，也不符合信息時(shí)代發(fā)展的潮流。在橋梁索力檢測(cè)中，推廣和應(yīng)用磁通量傳感器，采用信息自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)拉索的荷載響應(yīng)情況，實(shí)現(xiàn)索力運(yùn)行的長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)，從根本上保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。

［1］柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司.基于磁通量傳感器的橋梁拉索索力長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［Z］.2012.

［2］周庠天，涂 慧，王曉琳.磁通量傳感器索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用［J］.預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2011(5):39-40.

［3］磁通量傳感器索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南［J/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ea83241ca76e58fafab00378.html，2013.