橋梁鋼絞線有效預應力磁彈法檢測技術研究

周逸欽

（江西省天馳高速科技發展有限公司,江西 南昌 330100）

0 引言

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

1 磁彈法預應力檢測原理

鐵磁部件處于磁場環境，能夠受到磁力作用而磁化，其磁導性會受到內部應力和溫度的影響而發生改變。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磁導率也會隨即發生變化。因此在得到Δμ后，經過推導計算即可以得到預應力數值。

2 連續剛構橋磁彈檢測用感受器

磁彈檢測中，感受器是關鍵設備。根據磁路結構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，套筒式感受器的應用比較廣泛。

套筒式磁路結構由鋼絲繞成的鐵芯（鋼絞線）、激勵線圈、軛鐵、磁極和感應線圈組成。其中磁極、空隙、軛鐵和鋼絞線形成磁回路。當有電流脈沖通過時，激勵線圈會在電磁感應作用下產生脈沖磁場。鋼絞線被磁化后，會發生縱向脈沖磁場。在電磁感應作用下，感應線圈發生感應電壓，電磁相應即可為部件預應力檢測提供可能性。套筒式的磁路結構呈現對稱狀態，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。

套筒式磁路結構中，鋼絞線作為激勵和感應線圈的鐵芯，嵌入套筒式磁路結構中。鋼絞線經過均勻磁化，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，而且這種磁路結構相對簡單易行。在工程檢測應用中，只要預先在特定區域埋設了套筒式感受器，就能實現工期或運營期內對預應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直接裝配方式，測試則選擇其中的3~5根進行。統計感受器采集的數據，通過計算即可以獲得檢測索力。單根檢測所獲數據相對更準確，利于獲得更有檢測精度的單股鋼絞張力數據。比較單根鋼絞的張拉應力狀態，即可以總結獲得鋼絞張拉應力規律，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。整絞檢測的優勢是測點選擇靈活，位置受限小，易于裝配，并且能夠準確獲得鋼絞線整束的預應力值，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應力檢測。

3 案例有效預應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應力連續T梁橋，公路-I級荷載標準，設計速度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。上部構造采取橫向、縱向、部分豎向的三向預應力設計，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，規格直徑×內徑×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，其技術指標如表1所示：

該次現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埋于預應力束測試斷面所在的波紋管外部，成橋后它們與結構一體，穩定性較好，抗干擾能力較強，屬無損檢測，也適用于通車后的在線監測。

3.3 檢測結果與分析

現場檢測數據為預應力值，單位為kN。為了方便后面的分析比較，將力值換算成應力值，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，在感受器埋設點處所測得的預應力值與張拉端預應力的差值，具體詳見表2所示。

表2 鋼束測點處摩擦致使預應力損失比較 /MPa

表2數據顯示，T0和T12處的摩擦致使預應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。顯示該項預應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確，測量值的準確性就會有問題。

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應力值與錨固前預應力的差值，其理論值與實測值差異見表3所示：

表3 錨具形變等引發的預應力損失比較 /MPa

表3數據顯示，T0和T12處的該項預應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剛構橋的預應力損失，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成的瞬時損失集合量。模擬值Ⅰ是參考規范取管道偏差系數和摩擦系數的模擬結果。模擬值Ⅱ是參考測試值取管道偏差系數和摩擦系數的模擬結果。

表4中數據顯示，預應力第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，表明預應力第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。現場實際測量值、規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數據顯示，T0測點第2階段損失預應力的2個模擬值走向狀態基本一致，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#節段鋼束張拉后發生7.30 MPa的最大差值。計算值、模擬值和實測值的演繹規律總體一致，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數據顯示，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階段損失預應力實測值、模擬值及計算值對比分析顯示，磁彈法在連續剛構橋鋼束預應力損失測第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 總損失預應力的計算、模擬與實測值對比

表7數據顯示，T0測點的總損失預應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，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束總損失預應力的計算、模擬與實測值對比數據 /MPa

表8數據顯示，T12測點的總預應力損失模擬值、計算值和實測值變化規律總體一致，模擬值Ⅰ接近于計算值，實測值>模擬值Ⅱ>計算值。在13#節段發生模擬值Ⅱ與計算值的12.46 MPa最大差值。在15#節段發生實測值與模擬值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鋼束總損失預應力計算值、模擬值及實測值比較 /MPa

4 結語

該文探討了橋梁鋼絞線有效預應力磁彈法檢測技術。介紹了磁彈法預應力檢測原理、連續剛構橋鋼束預應力磁彈檢測的感受器類型，并結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應力檢測分析結果，結果顯示：

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剛構橋的預應力損失，在檢測因接縫壓縮、鋼筋回縮和錨具形變引發的預應力損失上有一定適用性，但該階段預應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，將導致實測值的準確度存在問題。

第2階段的預應力損失計算值、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律基本一致。T0鋼束的實測值呈現圍繞計算值上下波動狀態，而T12的實際測量值始終高于計算值。總預應力損失上，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，磁彈法在連續剛構橋第2階段的預應力損失檢測的適用性和可靠性較強。