基于磁通量傳感器技術的箱梁預應力監(jiān)控研究

段躍華 伍圣華 卓海金 鄧年春

摘要：預應力混凝土梁通過張拉鋼絞線對梁預先施加匝應力，可以部分抵消梁在使用過程中產(chǎn)生的混凝土拉力，避免了混凝土裂縫過早出現(xiàn)。預應力筋張拉值的大小是控制預應力梁質(zhì)量的關鍵之一。文章利用磁通量傳感技術，研制了CDC16型單根鋼絞線磁通量傳感器，對柳南高速公路擴建工程的預應力混凝土梁鋼絞線索力進行監(jiān)測，并對鋼絞線索力的大小與均勻性進行精度測量研究。

關鍵詞：磁通量;傳感技術;預應力;鋼絞線

中圖分類號：U448.213 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.030

文章編號：1673-4874（2019）09-0103-04

0引言

預應力混凝土梁廣泛應用于我國公路和鐵路橋梁中，而預應力鋼束是保證預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)性能的重要因素。預應力鋼束由多根鋼絞線組成，通過在混凝土梁內(nèi)合理布置并進行張拉發(fā)揮作用。在張拉預應力鋼束的過程中，若張拉實際值小于規(guī)定的設計值，則預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)性能達不到預期效果，甚至在使用過程中會出現(xiàn)嚴重裂縫;若張拉實際值大于規(guī)定的設計值范圍，則會對預應力混凝土梁本身結(jié)構(gòu)造成一定的破壞并且會使受拉鋼絞線產(chǎn)生塑性變形，這也會影響混凝土梁的質(zhì)量。由此可見，預應力鋼束張拉終值合適與否是控制其施工質(zhì)量的關鍵因素之一。由于鋼絞線在張拉過程中，控制應力值達75%極限強度值比較高，而鋼絞線張拉過程是在鋼絞線穿束之后，安裝千斤頂和錨具進行整束張拉，并沒有對鋼絞線受力均勻性進行調(diào)整，鋼絞線一旦受力不均勻，可能會引起局部鋼絞線張拉應力過高而出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，或造成過大的預應力損失。本文通過磁通量傳感技術的工作特性，結(jié)合柳南高速公路擴建工程項目，研制出CDC16型單根鋼絞線磁通量傳感器，用于預應力混凝土梁鋼絞線索力監(jiān)測，精準測量預應力鋼束張拉時索力大小與鋼束受力的均勻性。

1磁通量傳感器測量原理

鋼絞線是一種鐵磁性材料。當對鐵磁性材料施加外力作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生應力和應變，相應的磁導率也會隨之變化。為此，通過測定材料的磁導率變化量，來測算出材料的內(nèi)力，這就是磁通量傳感器的工作原理。它由初級線圈、次級線圈和溫度傳感器組成（見下頁圖1）。當初級線圈通入脈沖電流的瞬間，由于鐵磁性試件的存在，根據(jù)作用原理，次級線圈將產(chǎn)生瞬時電流，于是可測得一個瞬時電壓。鐵磁性材料的磁導率會直接影響到感應電壓的大小，而磁導率又與鐵芯試件的應力狀態(tài)相關聯(lián)，通過感應電壓與應力之間的關系實現(xiàn)測量。傳感器及試件的溫度可通過內(nèi)置一個溫度傳感器進行修正，消除影響.

材料的磁化過程一般由磁場強度H和磁通量密度B之間的關系來描述：

B=μ·H

材料的磁化特性可通過磁感應原理研究，即在初級線圈上接通直流電，此時線圈周圍產(chǎn)生一個強度為H的磁場，被測材料中產(chǎn)生的磁通量密度為B。通過確定線圈中B和H的比值B/H，就可以計算出此時偏壓條件下的磁導率.直接測量磁通量或磁通量密度比較困難，可通過在初級線圈兩端加一個脈沖激勵信號，產(chǎn)生一個隨時間變化而變化的磁場，根據(jù)法拉第電磁感應定律：式中：μ——空氣的磁導率;

V——同一構(gòu)件放置磁通量傳感器的感應

電壓;

V——磁通量傳感器通過空氣的感應電壓;

S——次級線圈包圍的截面面積;

S——試件的截面面積為常數(shù)。

相對磁導率為：

鋼絞線試件的相對磁導率增量μ與張拉力f的關系，用三次方程表示，則為：

f=Co+Cμ+Cμ+Cμ （4）

式中：C，，C，C，C——擬合系數(shù)，通過試驗標定確定。

式（3）和式（4）即為測量公式。對于引起磁導率變化的溫度因素，可通過數(shù)值方法進行修正：

μ（f，T）=μ（f，T）-α（T-T） （5）

式中：T——測量時溫度;

T——計算力值時采用的標定溫度或標準溫度（20℃）;

μ（f，T）——標定溫度或標準溫度（20℃）下的磁導率增量;

μ（f，T）——測量溫度下的磁導率增量;

α——溫度補償系數(shù).

在對構(gòu)件進行測定時，傳感器的面積、構(gòu)件的面積、傳感器空載值都為已知常量.由相對磁導率公式（3）可知，磁導率μ的變化與感應電壓V的變化成正比：

Δμ∞ΔV（6）

因此可直接用感應電壓的變化來擬合力值。感應電壓擬合曲線和磁導率的擬合曲線形狀類似，但系數(shù)不同。

磁通量傳感器在現(xiàn)場測試之前需進行編號并標定。標定在實驗室內(nèi)張拉臺上進行，使用千斤頂對鋼絞線進行張拉，用2000標準負荷測量儀讀取鋼絞線拉力數(shù)值，磁彈儀測量感應電壓值，得到不同溫度、不同索力與感應電壓值的對應關系，即溫度-拉力-電壓曲線。將測量的數(shù)據(jù)進行三次方程擬合，計算出不同編號的感應電壓值的三次方程系數(shù)，保存每個感應電壓值的數(shù)據(jù).現(xiàn)場測試時，將磁通量傳感器穿過待測鋼絞線上并緊固，使用磁彈儀量測感應電壓值，導出每個磁通量傳感器的數(shù)據(jù)進行計算即可測得現(xiàn)場鋼絞線受力情況.

2磁通量傳感器標定

2.1標定目的

待測構(gòu)件選取φ15.24mm鋼絞線，在試驗中心5000kN實驗臺上進行張拉，建立鋼絞線不同拉力值與輸出感應電壓差值的對應關系，記錄數(shù)據(jù)并進行擬合，得出計算公式的系數(shù)。建立輸出感應電壓差值與構(gòu)件內(nèi)力的對應關系后，用來測量構(gòu)件內(nèi)力。

2.2 磁彈儀功能與特點

本試驗所采用的磁彈儀（見圖2）可直接測量出傳感器安裝點的溫度、構(gòu)件感應電壓，由此計算并顯示構(gòu)件內(nèi)力。該磁彈儀的特點為：（1）直接測量構(gòu)件信息;（2）屬于高精度的非接觸測量;（3）支持多通道傳感器測量;（4）自動溫度補償;（5）支持遠程測量和現(xiàn)場測量兩種模式，可獨立操作磁彈儀進行測量。

2.3 磁通量傳感器的特點

試驗使用CDC16型磁通量傳感器（如圖3所示）。CDC16磁通量傳感器外形尺寸較小，內(nèi)徑為16mm，外徑為28mm，高度為40mm，能穿過φ15.24mm的鋼絞線內(nèi)進行測量。其技術參數(shù)為：（1）數(shù)據(jù)采集方式;（2）測量一次時間約為10S;（3）靜態(tài)測量;（4）最大接線長為傳感器與磁彈儀之間250m;（5）使用環(huán)境溫度為-40℃-80℃;（6）供電電源為AC110-240V，60/50HZ。

2.4試驗方法

如圖4所示，將CDC16磁通量傳感器編號為CDC16-1至CDC16-10傳感器，然后穿入φ15.24mm的鋼絞線內(nèi)并固定。為避免磁通量傳感器在標定過程中的相互影響，兩傳感器間距離必須保持30cm以上.將鋼絞線穿入試驗張拉臺中，兩端安裝工具錨、千斤頂、壓力傳感器及2000標準負荷測量儀，將壓力傳感器作為標準傳感器并使用2000標準負荷測量儀進行讀數(shù)（如圖5所示）。電阻應變傳感器與油壓表共同控制張拉力值，從鋼絞線預緊狀態(tài)開始，將整個標定過程分為8級，每級30kN進行逐級張拉加載，同時記錄壓力傳感器讀數(shù)及磁彈儀感應電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進行擬合，得到擬合曲線。

2.5 標定結(jié)果

通過標定試驗分別得出CDC16-1-CDC16-10。傳感器磁通量傳感器的擬合系數(shù)表（見表1），傳感器CDC16-1、CDC16-2、CDC16-3號為典型的測量數(shù)據(jù)和擬合曲線（見表2-4和圖6-8）。

3 工程應用

預應力梁現(xiàn)場采用磁彈儀和磁通量傳感器，在預應力梁張拉前將傳感器安裝至梁內(nèi)。安裝方法為：將傳感器套在鋼絞線上并固定在錨墊板內(nèi)，外端安裝開槽的工作錨并將傳感器引線引出，引線端與磁彈儀連接。本次預應力箱梁索力檢測試驗通過橋梁預應力智能張拉系統(tǒng)進行張拉，張拉值為0%、10%、20%、100%。在開始測量前對磁彈儀進行調(diào)試，在張拉值為0%即還未開始張拉時用磁彈儀測量，并記錄數(shù)據(jù)，將所測得的積分值輸入磁彈儀中即完成調(diào)試，然后再進行張拉，測量張拉值為100%時的數(shù)據(jù)并記錄（見表5）。

從表5可以看出，預應力梁位置偏差分別為：左1#孔預應力鋼束中，標準偏差為9.6kN，占單根絞線破斷力的3.7%，總預應力張力偏差為-3.4%，單根測量力值偏差為9.5kN;左2#預應力鋼束中，標準偏差為9.4kN，占單根絞線破斷力的3.6%，總預應力張力偏差為2%，單根測量力值偏差為9.3kN。從上述可知，檢測結(jié)果表明最終控制張拉力在5%范圍內(nèi)，控制結(jié)果正常。

4 結(jié)語

通過試驗和現(xiàn)場應用表明，CDC16傳感器通過感應構(gòu)件的磁特性變化測量預應力筋張拉時的內(nèi)力，是一種無損且非接觸量測方法，對預應力張拉均勻性能起到較好的監(jiān)控，能將整束鋼絞線的終值張拉力控制在5%范圍內(nèi)，對今后同類施工具有較好指導作用。同時該傳感器外形尺寸較小，便于施工測量。