磁通量法测某罩棚索力的应用研究

摘 要：以某收费站罩棚为研究对象，通过布置EM磁通量传感器，研究背索在施工过程及运营过程中实际背索索力状态。这种通过非破坏形式监测索力变化的方法能够较好反应实际索力，经过数据处理发现部分背索在运营过程中存在索力松弛的现象。

关键词：罩棚；索力监测；磁通量；施工阶段

1 索力监测方法概述

现阶段测索力的常用方法有磁通量法、钢弦计法、频谱法、压力环法、千斤顶法5种测试方法，不同测试方法的精度不同，误差不同[1]。索张力的准确性直接关系到施工过程控制能否顺利进行，尤其是结构成型后是否接近设计状态是关乎结构安全的关键。

磁通量法是测定和监测拉索索力的一种非破坏性方法，基于EM原理的索力测试精度可达到95%左右，EM线圈还可长期留置结构中供使用阶段进行索力监测。近几年来，该项技术已经在几十项重大索结构工程中的施工阶段和使用阶段的取得了很好的成效。

磁通量法即能用于监测施工过程及运营过中索力值的变化，也能用于预应力混凝土的索力监测，基于此本文主要探讨磁通量法在某收费站罩棚索力监测的实际应用。

2 工程背景

2.1 项目概况

某收费站罩棚采用全张拉的索膜结构体系，很好的利用大跨度的张拉结构的力度美来表现建筑的美，达到建筑结构的高度统一。建筑平面呈内凹的曲壳形状，最大跨度90.1m（桅杆低间距），两侧立4根梭形桅杆，内凹的曲线为边环索束，每根桅杆顶部交叉下拉6根吊索，与环边索拉结，罩棚对称轴处设置谷索，谷索与边环索之间用联系索连接，每根桅杆顶部外侧有两根下拉索与外侧的锚座连接，边环索、吊索、联系索、桅杆和下拉索共同组成了空间张索系，基础和锚座设置在收费站两侧，中间无需一根立柱，整体结构轻盈飘逸，力感十足。

膜材根据建筑要求选择不同透明度的膜材，不透明膜材是PTFE，透明膜材选用ETFE膜材，不同膜材的使用使建筑具有良好的采光性，并能阻挡紫外线照射，同时，也使建筑外观效果和更加丰富和层次。两侧桅杆顶高31m，罩棚顶高13.0m。

本工程的结构监测包括背索和谷索的索力，健康监测周期从索膜结构施工阶段开始，至工程竣工验后三年。结构竣工后，第一年每季度监测一次，第二、三年每半年监测一次。另外，遇有重大气象或地质灾害发生后，进行现场监测，向项目物管方提供监测数据，用于评估结构安全性。

2.2 磁通量测索力的目的

索膜结构是一种特殊的结构体系，其材料属性有较大的离散性、设计条件和实际结构存在较大的差异、实际结构行为与理论预测差距较大。在国内索膜结构工程十几年的应用历史上，发生严重结构破坏的概率远远大于其他形式的结构体系。产生重大社会影响的膜结构工程破坏事故包括宁波北仑体育馆（中国女排训练基地）、三亚博鳌论坛会展厅屋面、三亚美丽之冠会展中心等，上海F1赛车场和上海八万人体育场等也均发生过程度不等的破损事故。

为避免索膜结构发生重大破坏性安全事故，首先应确保结构按图施工，达到结构设计状态。其次，应保证结构在使用阶段按照其使用功能进行使用，不得未经设计院同意擅自更改使用功能。所以只有利用结构的全过程健康监测，通过及时发现结构的安全隐患，并将其消除于萌芽状态，才能确保结构在施工及运营过程的安全[2]。在此基础上才能正确评价施工阶段及运营阶段的受力状态和结构性能，有利于采取有效的防护和修复措施，保证结构安全，并达到以下目的：

2.2.1监测结构施工过程中的结构性态，实现对项目过程的有效控制；

2.2.2监测结构运营阶段的结构状态，确保结构的运营安全；

2.2.3极端灾害事件后，评判灾害事件造成的损伤程度及部位，为业主进行灾害应急管理提供决策依据；

2.2.4为运营阶段的结构检查和维护方案提供信息和依据。

2.3磁通量测点布置

结构两端的桅杆后的背索（BS）是本工程的重要受力构件，在本工程施工阶段及后续运营阶段均需要进行索力监测。单个背索是由双索组成，图2展示了EM磁通量传感器的布置位置，即每根索布置1个，共计16个测点。索编号和规格、数量见表1。

3 监测系统

3.1 监测设备

如图3所示为EM磁通量索张力测量仪器原理图。由激磁线圈和测量线圈组成的电磁感应系统经直流电通入，由于有钢索存在，会在激磁线圈产生电磁感应现象，在测量线圈中产生瞬时电流，并随之在测量线圈产生一个瞬时电压。测量线圈输出的瞬时电压通过放大器经由数据采集系统得到[3]。图4为现场安装的EM磁通量传感器，图5为自动化采集仪。

电磁感应而在磁通量传感器中产生的电流强度以及电压大小与铁芯材料的磁导率有着密不可分的关系，而且钢索的应力状态与钢索的磁导率相关。通过电磁感应系统测量得到的瞬时电压以及鋼索的横截面积、温度等材料参数可以推算得到材料的磁导率，从而借助该外部系统间接得到钢索的应力状态[4]。

3.2 索力监测数据

在整个结构及运营阶段过程中，选取施工关键阶段作为索力监测依据。施工阶段关键节点为：背索张拉到三级，整体张拉完毕、膜面安装完毕3个阶段。为统计单个背索的索力值，现将磁通量测得的背索2个数据相加，和理论计算得到的索力值进行对比，对比结果见表3。

3.3 索力监测结果

经过数据处理，得到以下结论：

3.3.1整体张拉完毕阶段BS1实测索力比理论索力低6.57%，BS2实测索力比理论索力低4.43%，BS1实测索力比理论索力低7.68%，BS1实测索力比理论索力低13.4%。

3.3.2膜面安装完毕阶段（即施工阶段完成）BS1实测索力比理论索力低1.02%，BS2实测索力比理论索力高18.2%，BS1实测索力比理论索力高7.91%，BS1实测索力比理论索力高2.50%。

3.3.3运营阶段所有背索索力均表现为索力松弛，BS1运营第3年索力比膜面安装完毕阶段松弛约2.99%，BS2运营第3年索力比膜面安装完毕阶段松弛约2.79%，BS3运营第3年索力比膜面安装完毕阶段松弛约2.77%，BS3运营第3年索力比膜面安装完毕阶段松弛约0.64%。

3.3.4BS1、BS3、BS4索力实测值和理论值差值均在10%以内。BS2在膜面安装完毕阶段实测的索力值高于理论值18.2%，BS2索力增大原因推断是由于膜面安装顺序，及钢构误差所引起，且实测索力大于理论索力，故膜面安装完毕阶段后没有进行补张拉措施，使背索索力松弛到理论索力附近。

4 结束语

通过磁通量法实现了施工阶段及运营阶段的非破坏性索力监测，大大提高了对结构健康状态的掌握，并借助该方法，为本工程健康监测提供了一定理论数据支撑。经实践证明磁通量法能够较好的测得索力，根据其原理能够方便快速布置在桥梁、建筑的索结构体系中。

参考文献

[1]张卓杰，王荣辉，甄晓霞，刘新欢，韩晓成.平行钢绞线斜拉索索力测试方法评价[J].桥梁建设，2016，46（02）：42-47.

[2]李硕.基于灰色系统理论的大型钢结构工程损伤识别技术研究[D].山东建筑大学，2012.

[3]张其林，陈鲁，朱丙虎，李大林.大跨度空间结构健康监测应用研究[J].施工技术，2011，40（04）：3-8.

[4]陈鲁，张其林，吴明儿.索结构中拉索张力测量的原理与方法[J].工业建筑，2006（S1）：368-371.

作者简介：

张国栋，性别：男，出生日期：1991年5月23日，籍贯：江苏昆山，学历：本科，民族：汉，单位：上海同磊土木工程技术有限公司，单位地址：上海市杨浦区，职称：助理工程师，研究方向：结构健康监测