基于自發漏磁效應的鋼絞線應力檢測試驗研究

劉尚凱，周建庭，張向和，趙瑞強，張瀟汀

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 重慶市市政設施管理局，重慶 400015；3. 重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074)

0 引 言

拱橋以其獨特的優勢，成為現今大跨度橋梁的最主要橋型之一[1]，吊桿作為拱橋主要受力結構[2]，準確檢測其應力狀態對橋梁科學管養和維修決策具有至關重要的作用[3]。鋼絞線由于具有強度高、在結構中排列安置方便且易于錨固等優點被廣泛的運用于吊桿中[4]，研究鋼絞線的應力狀態有助于更好的了解實際吊桿的受力狀態[5]。

索力值是衡量鋼絞線結構是否處于正常工作狀態的重要標志[6]。常見的索力測量方法如千斤頂張拉法[7]，頻率法[8]，壓力傳感器法[9]，磁通量法[10]等存在測量精度低、儀器使用不便、數據處理繁瑣等問題。鋼絞線是一種典型的鐵磁性材料[11]，該類材料在外部工作載荷和地磁場的共同作用下，其應力集中位置將發生磁疇組織的定向和不可逆的重新取向，在構件表面形成微弱的漏磁場，這種現象被稱為自發漏磁效應[12-13]。

基于自發漏磁效應的無損檢測技術擁有著測量精度高、儀器輕便且抗干擾性好等特點，被廣泛的應用于管道、液壓容器、儲存罐等鐵磁性構件的質量檢測中[14]。董麗虹等[15]研究了磁記憶信號對不同應力集中程度，疲勞裂紋及殘余應力的反映；X. FANG等[16]建立了可以利用等效磁場來表示應力作用效應的數學理論模型，其研究表明金屬材料在受拉或受壓時，其材料內部的磁化強度將會出現負增長；杜磊等[17]利用開發出的金屬磁記憶檢測儀對拉伸鋼棒進行測量，對所得數據采用一維小波降噪處理，以確定其應力集中區；PANG Caoyuan等[18]研究了加載過程中裸筋與外包混凝土所受拉力與漏磁信號的特征關系，提出了通過漏磁信號推導鋼筋受力狀態的方法。

綜上所述，基于自發漏磁效應的無損檢測技術在檢測鐵磁材料的微觀損傷與應力集中上應用較多，基于此技術的鋼筋應力測量也有不少的研究，但在漏磁信號與鋼絞線所受拉力相關性問題方面鮮有報道。筆者以鋼絞線為對象進行了系列試驗研究，進一步探究了自發漏磁與鋼絞線所受拉力之間的相關性，為吊桿鋼索應力狀態的測量打下基礎。

筆者研究了鋼絞線所受拉力F與其漏磁場B的對應關系，并探索了此關系受試件長度L與提離高度Z影響的情況，具體的研究流程如圖1。

圖1 研究流程Fig. 1 Research process

1 試驗過程

1.1 試件制備

本試驗以1 860級低松弛預應力鋼絞線為試驗對象，該類鋼絞線直徑15.24 mm、抗拉強度標準值1 860 MPa，采用水冷切割以減少加工過程對于鋼絞線漏磁場的影響。試驗中鋼絞線的截面積取140 mm2進行計算，則其理論破斷值對應的拉力為140×1 860=260.4 kN，作為預應力構件的鋼絞線極限承載力取破斷值的60%～65%，本試驗中取62.5%，即260.4×62.5%=162.75 kN。

為減少加工過程對漏磁場的影響，采用水切割法對同一批次的鋼絞線進行加工，制成不同長度的鋼絞線試件，編號為C1～ C5，各編號試件分別設置3組重復性試驗。為探究不同試件長度L、不同提離高度Z(磁探頭中心與鋼絞線的距離)對漏磁信號的影響，本試驗設置2個對照組。以C1為標準試件，對照組1包括C2、C3，對照組2包括C4、C5，試件的具體參數與分組情況如表1。

表1 試件參數Table 1 Specimen parameters

1.2 試驗設備

加工后的試件采用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機，以N級在上、S級在下的方向進行固定，兩端采用18 cm的鋁制夾片進行夾持，夾持長度為15 cm。鋼絞線表面漏磁信號選用HMR2300三軸微磁傳感器進行采集，并通過NetPort串口傳入信號接收器，以進行數據存儲與處理。相關設備如圖2。

傳感器中心位置水平對齊鋼絞線試件軸向L/2處，儀器的連接方式與擺放位置如圖3。

圖2 試驗設備Fig. 2 Test equipment

圖3 試驗設備布置示意Fig. 3 Schematic diagram of test equipment layout

1.3 試驗方案

張靜等研究了構件在單向拉伸應力狀態下的磁記憶檢測信號特征，發現當鐵磁材料在進行勻速拉伸時，其表面漏磁場呈規律性變化，且漏磁信號曲線在特定應力值下存在明顯的轉折點，可以用以判斷試件所處的應力階段[19]。因此，本試驗進行鋼絞線試件勻速拉伸，研究試件表面漏磁信號與所受拉力間的關系。

在液壓萬能試驗機上對標準鋼絞線試件進行加載，采用5 mm/min的速度進行勻速拉伸，從0 kN加載到200 kN。鋼絞線試件加載過程中磁傳感器測得隨時間變化的漏磁場強度B，萬能試驗機測得鋼絞線所受拉力大小F隨時間的變化情況。分析力學信號與磁信號的變化趨勢、對應關系，并繪制力-磁曲線。

圖4 鋼絞線加載前后磁場分布示意Fig. 4 Schematic diagram of magnetic field distribution before andafter steel strand loading

2 試驗結果及分析

2.1 漏磁場變化情況與影響因素

圖5給出了加載過程中，試件C1表面漏磁場各方向分量隨所受拉力的變化曲線，其中Bx、By與Bz皆為磁傳感器測量值減去試件自身磁場與地磁場的結果，表示由加載引起的鋼絞線表面漏磁場在測點處的變化情況。

圖5 試件C1漏磁場強度隨所受拉力變化關系Fig. 5 The relationship between the strength of the leakage magneticfield of specimen C1 and the tensile force

由圖5可知，在加載過程中，隨著所受荷載F的增加，鋼絞線表面漏磁場呈規律性變化：漏磁場的切向分量Bx波動較大，整體呈下降趨勢；漏磁場的法向分量By較為穩定，整體呈上升趨勢；漏磁場的分量Bz先減小再增大，存在明顯的轉折。由于漏磁場法向分量By與荷載F的有著較好的單映射關系，且By-F曲線較為光滑，故選擇漏磁場法向分量進一步研究，并以相同方法處理其余4組試件，繪制By-F曲線，以進一步研究其對應關系，結果如圖6。

圖6 漏磁場法向分量By隨所受拉力F變化關系Fig. 6 The relationship between the normal component of leakagemagnetic field By and the tensile force F

由圖6可知，在相同的加載工況下，5組試件的漏磁曲線形狀具有一致性，但數值上有明顯的差值。即加載過程中，試件的漏磁場呈規律性變化，By與F正相關，其梯度隨加載過程而變化。這表明鋼絞線所受的拉力F、鋼絞線試件長度L與提離高度Z都會影響鋼絞線表面漏磁場。為探究自發漏磁與鋼絞線受力的關系，需要采用控制變量的方法，分別研究以上三因素對自發漏磁的影響。

2.2 加載過程自發漏磁信號的變化

圖7給出了試件C1的By-F曲線、參照線以及Ky-F曲線。其中By與F非線性相關，但通過與參照線的對比，能夠更好的研究By-F曲線的分布情況。為進行定量分析，對By-F曲線進行求導，得到漏磁場法向強度對于所受拉力的一階偏導數Ky=dBy/dF，Ky表示的By梯度，并進行曲線擬合，得漏磁場法向分量梯度曲線Ky-F。

圖7 By-F關系圖與Ky-F關系Fig. 7 By-F diagram and Ky-F diagram

由圖7可知，漏磁場的法向分量By變化與鋼絞線受拉力F正相關，但線性較差。對比參照線，在F=18.56～112.87 kN內，By-F曲線產生了明顯的“凹陷”，即其梯度在該區間內發生了明顯的變化，通過Ky-F曲線對By-F曲線的變化情況進一步分析。Ky-F曲線在F=6.25 kN時過0點，即By-F曲線在F=0～6.25 kN間呈下降趨勢，在F=6.25～200 kN間呈上升趨勢。這是由于拉伸初期，鋼絞線內部存在大量無序排列磁疇，受拉使得磁疇組織重新取向排列以抵消增加的機械能，期間漏磁場強度減小。隨著荷載逐漸增大，受拉鋼絞線會發生磁致伸縮效應和磁疇組織定向運動，磁導率增大進而形成磁極[21]，此時By隨著F的增大而單調遞增。Ky-F曲線在F=0～18.06 kN與57.48～112.87 kN內分別遞增，在F=18.06～57.48 kN與112.87～200.00 kN內分別遞減，即Ky-F曲線在加載過程中存在3個轉折點，分別是18.06、57.48、122.87 kN。

本試驗采用φs15.24(1×7)1 860級鍍鋅鋼絞線，作為預應力構件的鋼絞線極限承載力取破斷值的60%～65%，本試驗中取62.5%，即162.75 kN。則以上轉折點分別對應11.08%、35.32%與75.50%極限承載力，現將這3點定義為特征點A、特征點B與特征點C。這是由于拉伸過程中鋼絞線內部磁導率非線性增大，致使漏磁強度產生畸變所導致的[21]。

2.3 提離高度與試件長度對漏磁場的影響

上述結果顯示，加載過程中By-F曲線呈規律性變化，且Ky-F曲線存在特征點。如圖8，將2對照組的漏磁場法向分量繪出，以探究By-F曲線的一般性規律，以及試件長度L與提離高度Z對自發漏磁的影響。

如圖8(a)，當試件長度一定時，漏磁場切向分量By隨著所受荷載F的逐漸增加呈規律性變化：當提離高度為1 cm和2 cm時，By與F呈正相關，且曲線存在“兩端陡、中間平緩”的現象；當提離高度為4 cm時，By隨著F的增加先減小后增大，整體上接近一根水平直線，這是由于該提離高度下，外界磁場對漏磁場的影響較大造成的。這表明隨著提離高度的增大，測得的By-F曲線逐漸平緩，漏磁場強度變化范圍逐漸減小。

如圖8(b)，當提離高度一定時，漏磁場切向分量By隨著所受荷載F的逐漸增加呈規律性變化，By與F呈正相關，且曲線存在“兩端陡、中間平緩”的現象。當L=50 cm時對應的By-F曲線變化值與變化率都明顯大于其他試件，這可能是由于當鋼絞線試件較短時，測點離兩端較近，端頭效應較為明顯所導致的。這表明隨著試件長度的增大，測得的By-F曲線變化率趨于定值，By與F接近線性相關。

圖8 不同影響因素下By-F關系Fig. 8 By-F relationship diagram under different influencing factors

2.4 基于漏磁場的鋼絞線應力分級測量

仿照試件C1的處理方式，求出各組數據所對應的法向分量梯度曲線Ky-F，如圖9，求出特征點位置、各試件參數與分析結果匯總于表2中。

由圖9與表2可知，試件1與試件2的Ky-F曲線存在3個明顯的轉折點，試件3、試件4以及試件5，則存在2個明顯的轉折點。當提離高度為1 cm時，其Ky-F曲線的轉折點對應的F值明顯偏離其他試件，根據磁偶極子理論，這可能是由于當提離高度較小時，試件靠近傳感器部分的磁致伸縮對于測點處影響較大，而提離高度較大時，試件各部分磁致伸縮相互耦合共同影響測點處磁場的變化所造成的。由于實際中各種測量環境都要求較大的提離高度，同時特征點A對應的F值較小，且后3組Ky-F曲線呈“S”型分布不存在特征點A，這可能是加載初期，磁疇由不均勻分布轉為均勻排列，力-磁關系更為復雜所導致的。故對除試件C2外的4組數據的特征點B、特征點C取均值，結果為50.84 kN與116.84 kN，對應的方差為5.45與3.03，離散性較弱。本試驗采用作為預應力構件的鋼絞線極限承載力為162.75 kN，即以上兩個特征點分別對應極限承載力的31.24%與71.79%。以這兩點為分界點，可將鋼絞線從開始加載(0 kN)到極限承載力(162.75 kN)的過程分為3個加載階段。各試件加載過程分級結果如圖10，不同色塊表示每組試件對應的3個加載階段分別占極限承載力的百分比，“綜合”欄表示依據5組數據最終得到的分級標準。

圖9 各組試件的Ky-F關系Fig. 9 Ky-F relationship diagram of each group of specimens

表2 曲線特征匯總Table 2 Summary of curve features

圖10 加載階段分級Fig. 10 Loading stage classification

由圖10可知，加載過程可按漏磁強度法向分量的變化率擬合曲線的單調性分為3個階段，以31.24%與71.79%的極限承載力為分界點，分為加載的前期、中期與后期：

1)在加載初期，0～31.24%極限承載力階段，Ky-F曲線先遞增再遞減或單調遞減；

2)在加載中期，31.24%～71.79%極限承載力階段，Ky-F曲線單調遞增；

3)在加載后期，71.79%～100%極限承載力階段，Ky-F曲線單調遞減。

3 結 論

對1 860級鍍鋅鋼絞線進行張拉，并分析了鋼絞線表面漏磁信號與所受拉力的變化規律，主要研究結論如下：

1)隨著所受拉力的增加，鋼絞線表面漏磁場法向分量By-F曲線存在“兩側陡，中間平緩”的現象，其梯度在加載過程中發生明顯變化。

2)漏磁法向分量梯度曲線Ky-F存在兩個轉折點，可將加載過程分為3個階段。各階段具有不同的單調性，通過計算單調性可判定鋼絞線受拉所處的加載階段。

3)隨著提離高度的增大，加載過程中漏磁場強度的變化范圍減小；隨著試件長度增大，By-F曲線的變化率趨于穩定。

4)基于自發漏磁效應對鋼絞線應力值進行了分級評估，在實現更精確的應力值測量上還需要更深入的研究。若要應用于吊桿應力測量，則還需解決多根鋼絞線漏磁場相互耦合以及PE護套對漏磁場的影響等問題。