钢绞线斜拉索索力监测与应用

王先丽

( 湖南省洞新高速公路建设开发有限公司， 湖南 长沙　410016)



钢绞线斜拉索索力监测与应用

王先丽

( 湖南省洞新高速公路建设开发有限公司， 湖南 长沙410016)

钢绞线是桥梁结构体系中的关键受力部件，钢绞线的应力状态是评价拉索桥梁健康状况的重要指标。基于磁弹效应的原理与主要的磁路结构，分析了钢绞线的磁畴特性及钢绞线的应力与磁通量的耦合关系，提出了典型的传感器磁路结构并构建钢绞线磁通量应力测试系统。将测试系统应用于某桥梁的钢绞线索力监测，比较监测值与设计值，发现监测值较为精确，两者具有较好的一致性，说明基于磁弹效应的钢绞线应力监测系统监测精度高、可重复性强，满足桥梁斜拉索工程施工质量与施工安全的要求，可为该类结构的索力与变形监测提供参考。

钢绞线； 索力监测； 磁弹效应

1　概述

桥梁工程等重要混凝土结构中广泛使用钢绞线，而钢绞线作为桥梁工程受力的主要载体之一，其受力状态直接影响到桥梁结构的安全性、适用性与耐久性[1]。若钢绞线应力状态异常，就会使桥梁整个承重结构破坏甚至发生断裂坍塌事故，给人民群众的生命财产安全带来了严重的威胁。所以对于重要的混凝土结构，必须要有一种合适的检测技术来进行全过程的监测与控制，以便了解、掌握该类结构所处的应力状态及其应力变化规律，使承载构件的受力处于动态内力及可控的范围之内[2]。

传统的应力测试一般有点式测温探头、红外热像仪、电阻应变片、振弦式应力计、光纤光栅传感器等仪器方法[3-5]。由于该类结构大多应用于施工环境恶劣且应力较为集中的工程项目中，受传感器本身的缺陷的影响，特别是传感器的布设与测试过程中存在较大的人为误差，采样频率与精度不能准确把握，测试结果往往很难反映出真实的变形情况。磁通量传感器是根据铁磁材料的磁弹效应原理而做成。当钢材受到载荷作用时，钢材内应力变化会改变钢材内部磁场的磁通量，在对应的变化关系确定的情况下，可以通过磁导率的变化就可以准确地推导出应力的变化程度，这种基于磁弹效应原理的应力测试方法属于非接触式测量，既不会损伤原有构件，也不需要对传感器重新标定，使用寿命长，测试方法简单，非常适合钢绞线或体外拉索的长期动态监测。

2　测试原理及主要磁路结构

2.1钢绞线的磁畴特性

当钢索被强度为H的外磁场磁化时，磁畴内部的磁化强度M与磁感应强度B具有如下对应的函数关系[6]：

(1)

式中：x为磁化率，表示物质磁化属性的无量纲物理量。根据x的大小与方向，可将物质的磁性分为三大类型，即铁磁性、顺磁性与抗磁性。一般而言，很小的磁场就能使铁磁性材料磁化饱和，其磁化率xf>0，且数量级在101～106之间。μ0为真空磁导率，μ0=4π×107(H/m)。研究钢绞线的磁化规律，其目的在于找出磁畴内部磁感应强度B与外磁场强度H之间的对应关系，典型的B-H曲线如图1所示。

图1　铁磁材料的磁滞回线Figure 1　　　　The magnetic hysteresis loops of ferromagnetic material

由该图可以看出： ①当钢绞线没被磁化时，内部磁感应强度B随着外部磁场强度H的增加而沿曲线o-a-b-c逐渐增加直到饱和点d，此时，磁场强度为Hs。其中，在初始磁化区段(o-a段)B与H为缓慢递增关系且磁化是可逆的；a-b段是不可逆磁化区域，在该区域里有最大的磁导率Pm；b-c-d段为旋转磁化区(近饱和磁化区)到磁化区的变化段。显然，若外磁场撤除，钢绞线将沿d-e-f-g段退磁至反饱和磁化状态，磁场强度反增至-Hs。若外磁场强度方向改变，则磁化方向将沿曲线g-h-d进行，该曲线与d-e-f-g曲线一起共同构成封闭回路，我们称之为磁滞回线。②当钢绞线被强度为H0的磁场磁化时，设外磁场强度的变化量为ΔH，钢绞线的磁化感应变化率为ΔB，则钢绞线的磁导率增量Δμ可以定义为[7]：

(2)

2.2钢绞线应力与磁通量的耦合关系

就目前常见的磁弹索力传感器而言，磁化工作点H0的选取按照外磁场强度使钢绞线达到最大的磁导率Pm的原则来进行。由上一节所分析的钢绞线磁畴特性可知，由于钢绞线磁导率增量Δμ与它所受的应力相关，而最大磁导率Pm则仅是与钢绞线本身材料特性相关的一个变量，因此，实际意义上Δμ与Pm并无严格的对应关系。虽然理论上无法获得钢绞线应力与磁通量的耦合关系模型，但可以通过实验分别考察钢绞线在不同应力状态下的磁化曲线，以此推算出其对应关系。图2是钢绞线分别在应力为50、100 MPa时的初始磁化经验曲线，该经验曲线表明：在相同工作条件下，钢绞线的磁导率将随外应力的增加而减小，反之亦然。同时可以发现，磁感应强度ΔB变化最为敏感的区域在2000～4000 A/m励磁强度范围之内，此时钢绞线应力与磁导率增量Δμ具有最佳的耦合状态。据此，可将传感器的磁化工作点H0设定在这一应力范围内，使钢绞线处于旋转磁化区，以便获得最佳的测量灵敏度。

图2　不同应力状态下钢绞线初始磁化曲线Figure 2　　　　The Initial magnetization curve of steel strand under different stress states

2.3磁路结构及磁通量测试系统

磁通量传感器的电磁力学原理是将匝数比分别为N1、N2电流激励线圈与感应测量线圈缠绕在钢索(钢绞线)芯上，通过适当的方式沿线圈的轴向增加磁场的均匀度。保持激励磁化强度H0均匀恒定，钢绞线一旦受到拉应力的作用时，其受力大小即可由检测线圈感应出的电信号换算得出。典型磁路结构图如图3所示[8]，其中，a、b分别代表纵、横向截面直径。

图3　典型的传感器磁路结构Figure 3　Typical sensor of magnetic circuit structure

基于以上磁弹索力测试原理及磁路结构可知，完整的预应力钢绞线测试系统至少应由以下两部分构成，即由测量线圈、励磁线圈及用于屏蔽磁场干扰信号的保护装置等组成的磁路传感器，以及包括激发器、信号调解器、数据采集与内置微处理器等组成的磁弹仪。测试装置的激励电压由传感器的初级线圈供给，应力信息则从次级线圈获得。232或485转光纤通讯接口直接与计算机连接，通过显示器及辅助键盘实现数据的自动采集及监测情况的远程控制。测试系统结构如图4所示[9-10]。

图4　钢绞线磁通量测试系统Figure 4　The magnetic flux testing system of steel strand

3　实例应用

3.1工程概况

某桥主桥为双塔双索面结构，预应力混凝土钢绞线斜拉，桥面净宽23.5 m，长度为948 m，跨度布置为224 m+500 m+224 m。桥两侧用88对按扇形布置的OVM250钢索拉起桥面重量，索体采用符合GB/T5224-2003国家标准的55-ΦS15.2 mm环氧全喷涂钢绞线，每股公称面积140 mm2，标准抗拉强度为fpk=1.86×103MPa，弹性模量为EP=1.95×105MPa。桥的主塔为塔 — 墩固结体系，塔梁半漂浮，主梁跨-高比为1/65，索塔高与中跨的比例为0.38。

3.2监测方案与传感器标定

由于该桥斜拉索数量较多，基于适用性与经济性的需求考虑，有代表性地选择关键截面布设18对传感器(S1～ S18)。采取信号集中、人工监测的方式： ①在桥塔与桥面结合处设三个数据采集站，用护线管保护传感器的传输线，并沿桥面往桥塔方向布线，信号线及测点做好相应的标记与编号； ②数据采集站位于塔的下方，并有标准的预留接口，方便在线监测系统的升级与更新。监测分布图如图5所示[11]。

图5　斜拉索磁通量传感器数据采集分布Figure 5　The data acquisition and distribution of the magnetic flux sensor in stay cable

为了减少传感器在安装过程中对既有拉索结构受力的影响，传感器的制作与安装直接统一在斜拉索的PE外保护套上进行。传感器的标定在实验室进行，采用与制作工艺与施工现场相同的测试用传感器进行模拟检测标定的方法；此外，为了消除测量环境与测量位置对测量精度的影响，对部分拉索的索力用千斤顶现场测量，消除磁通量传感器的零点漂移。最终所归纳出的传感器技术特点与指标如表1所示。

表1 磁通量传感器技术特点与指标Table1 Technicalcharacteristicsandindexesofmagneticfluxsensor技术特点技术指标响应频率0.05Hz供电电源AC110-240V系统误差≤5%FS环境温度-40～60℃量程拉索弹性范围接线长度≤200m①测量精度高,可重复性强;②维护成本低,使用寿命长;③非接触性监测,不损伤结构;④索体原有PE保护层不受破坏;⑤自动温度补偿

3.3钢绞线斜拉索索力监测结果分析

3.3.1基本思路

预应力斜拉索由多根钢绞线捆捻而成，斜拉索的索力也由该索包含的各钢绞线拉力来提供，因而对该桥索力的监测也应包含单根钢绞线拉力测试与整索的索力监测两个方面。由于该桥的拉索较多，若每根索都安装磁通量传感器进行监测，无疑浪费成本且周期较长。在此，选取S1～ S4共4根斜拉索、每根拉索选3根钢绞线进行磁通量受力监测。其基本的控制要求为： ①单根钢绞线所受拉力的离散误差在设计值的±3%之间；②整索索力误差≤±5%。

3.3.2单根钢绞线受力均匀性监测

根据上述基本监测思路，得到3根钢绞线的拉力测试数据如表2所示。

表2 单根钢绞线拉力值Table2 Pullingdataofthesinglestrand索号钢绞线号目标值/kN监测值/kN相对差/%1150149-0.67S1251501532.00501501510.671150149-0.67S225150148-1.3350150149-0.6711501510.67S3251501521.3350150148-1.3311501521.33S4251501521.3350150148-1.33

从表2可以看出: 4根斜拉索中，同索钢绞线实测最大相对误差为钢索S1，其值为2.68%；且钢索S1的第25根钢绞线实际测量值与目标值误差最大，为2.00%。数据分析表明：初张拉完后钢绞线具有较均匀的索力特性，结果可以满足施工精度的控制要求。

3.3.3张拉后整体索力监测

为了验证磁通量传感器在钢绞线整索索力监测中的实际应用效果，比照S1～ S18的初始索力测试值与成桥后的测量值，结果如表3所示，主跨内、外设计值与监测值分别如图6所示。从表3与图6可知: 基于磁弹效应原理的钢绞线索力的实际值与监测值重合度较高，主跨外侧设计值与监测值相差最大的是S17，相对误差为4.98%；最小的是S4，相对误差为0；主跨内侧设计值与监测值相差最大的是S13，相对误差为4.84%；最小的是S15，相对误差为0.14%。该测试结果同样满足施工精度要求。

表3 张拉后整体索力监测数据Table3 Monitoringdataofwholecableforceaftertension索号外侧内侧设计值/kN监测值/kN相对差值/%设计值/kN监测值/kN相对差值/%S1942298374.12937896613.02S286478595-0.6082428075-2.03S382858262-0.2882498111-1.67S4828682810.00811684343.92S5813184724.16851587532.21S6813983252.29877790222.79S7878590062.52721674853.73S8725375363.90728574422.16S983058003-3.64930995822.93S10941496482.49959297992.16S119933102353.049953103233.72S1210022101130.919884100942.12S1399519895-0.5610042105284.84S149935101862.539929101612.33S1510022100450.2310051100650.14S16899492232.55101349971-1.61S17919196494.98912394233.19S18891392253.50889291562.97

图6　主跨索力设计值与检测值Figure 6　Design and test value of main span cable force

4　结语

论文针对钢绞线斜拉索施工特点以及结构组成，从单根钢绞线的拉力及拉索整体索力两方面进行了受力监测，得出以下研究结论：

① 基于磁弹效应原理的预应力桥梁钢索索力测试是一种非接触、无损测试方法，磁通量传感器可现场制作，并能结合传感器样本和样索的标定进行监测，安装、使用方法简单，适用预应力桥梁钢索索力施工过程的工程监控与运营期的长期动态监测。

② 对某大桥的工程测试结果统计分析表明：采用先张法对大桥斜拉索进行施工，同索钢绞线实测最大相对误差为2.68%，主跨外侧钢绞线整索索力设计值与监测值相对误差最大为4.98%，均满足受力变形的控制要求。

[1]骆佐龙，董峰辉．连续梁桥悬臂施工状态可靠度分析[J]．公路工程，2013，38(3)：162-164．

[2]庞国英，董传智，段元锋，等．基于磁弹效应的预应力钢绞线全量应力监测实验研究[J]．结构工程师，2015，31(4)：192-198．

[3]兰春光，刘航，周智．基于BOTDA-FBG智能钢绞线的预应力损失监测[J]．土木工程学报,2013,46(9)：55-61．

[4]林加惠，郭子雄，黄群贤．钢绞线张拉应力实用控制方法[J]．华侨大学学报:自然科学版，2014,35(6)：707-710．

[5]王少强，赵飞．监测技术在高速公路高边坡治理中的应用[J]．公路工程，2010，35(2)：31-35．

[6]徐瑶．基于磁弹效应的应力检测方法研究[D]．长沙：国防科学技术大学，2011．

[7]逯彦秋，安关锋，程进．基于磁弹效应的索力测试系统在斜拉桥上的应用[J]．建筑技术，2014,45(12)：1119-1122．

[8]姜建山，唐德东，周建庭．桥梁索力测量方法与发展趋势[J]．重庆交通大学学报：自然科学版，2008，27(3)：379-383．

[9]何 利 ，邓年春．磁通量传感器在宜宾长江大桥斜拉索监测中的应用[J]．公路交通技术，2010(2):95-97．

[10]唐前松．T 梁预应力智能张拉精细化施工工艺及施工控制[J]．公路工程，2011，36(4)：155-158．

[11]毛建平，覃乐勤．钢绞线斜拉索施工阶段索力监测研究[J]．西部交通科技，2015(9):64-67．

Monitoring and Application for Stay Cable Tension of Steel Strand

WANG Xianli

(Hunan Dongxin Expressway Construction and Development Co., Ltd.， Changsha, Hunan 410016， China)

Steel strand is the key component in the system of bridge stress, and the stress state or the size is an important index to evaluate the health condition of the cable bridge. Based on the principle and the main circuit structure of magneto elastic effect, the coupling relationship between stress and magnetic flux and the characteristics of magnetic domain of steel strand is analyzed, and a typical sensor magnetic circuit structure is proposed and the stress testing system of the steel wire is constructed. Then, the test system is applied to the cable force monitoring of a bridge and comparison its monitoring and design values, we can draw a conclusion that the two have a good consistency and the monitoring value is more accurate, it is shown that the steel strand stress monitoring system based on the magneto elastic effect has high precision and repeatability, it can meet the requirements of engineering construction quality and construction safety of the bridge cable, and can also provide reference for the cable force and deformation monitoring of the structure.

bridge construction; prestressed steel strand; cable force monitoring; magneto elastic effect

2016 — 06 — 12

湖南省科技厅重点研发计划项目(2015SK20532)

王先丽(1981 — )，男，湖南常德人，工程师，硕士，研究方向：桥梁工程结构。

TU 378

A

1674 — 0610(2016)04 — 0188 — 05