基于振弦式压力传感器的桥梁索力监测探讨

张龙龙，钟山

（江西省公路工程检测中心，江西 南昌 330013）

0 引言

振弦式压力传感器因基于钢弦频率随钢弦张力变化而变化的工作原理，而对于建筑结构应力应变测量系统较为适用，通过钢弦传感器输出建筑结构相应的频率信号，该压力传感器具有结构简单、精度高、抗干扰能力强、受温度影响小、对电缆要求低、零漂小、性能稳定等技术优势，有利于远距离传输及远程测量，且测试效果较好，因此在土木工程、隧道桥梁、水库大坝等工作环境恶劣且技术要求高的工程监测领域广泛应用。

1 振弦式压力传感器工作原理

根据激振及读数技术的不同，振弦式压力传感器主要分为拨振和自动谐振两种。拨振方式下，通过将电磁线圈置于钢弦之间，作为激励线圈，线圈接收到两芯导线所传入的电子脉冲信号后使磁场发生变化，进而促使钢弦以谐振频率发生振动。钢弦因张力不同而其谐振频率也不尽相同，线圈接收到钢弦切割磁力线的频率后将其通过线缆传输至读数装置。由读数装置通过高频石英计时器进行振频的准确测定，以便在毫微秒时间内显示出0.1微应变级重复分辨率[1]。而自动谐振方式通常使用两个独立线圈，分别用作激励线圈和感应线圈，用于激励钢弦以其谐振频率振动以及感应钢弦的振动。

拨振压力传感器电路结构较为简单，传感器可靠性及抵御恶劣环境性能更为优秀，仪器体积也更小，仅需要两芯电缆即可正常运转，故整体费用也更低。由于当前单线圈连续激振技术已经获得突破，因此双线圈自动谐振方式的应用越来越少见。

1.1 仪器结构

振弦式压力传感器主要凭借机械振弦原理，仪器灵敏度及测量结果精度高，测量过程受环境温度的影响较小，且零点稳定不变，初始输出值即为频率值，在数据信号长距离传输过程中受干扰小，对桥梁结构索力监测及运行状况监测均较为适用。在振弦式压力传感器中有内置存储芯片，主要存储仪器型号、标定系数及编号等，通过其与配套读数仪的联测，还能存储仪器工作温度、运行环境温度、压力、应变等测量参数。当前，普遍使用的FWC-2000 型振弦式压力传感器技术指标详见表1。

表1 振弦式压力传感器技术指标

1.2 工作原理

振弦式传感器主要进行驻波频率最小值的测量，其实现测试功能的电气测量方案具体见图1，该方案通过引入线圈以使传感器同时具备激振和拾振功能。恰当地向线圈中通入电流，引发振弦强振并形成驻波，此即为激振过程。激振结束后将线圈供电切断，并将线圈与测试电路连接，借助线圈内感应电势得出振弦固有频率，此即为拾振过程。

图1 间歇激振原理

1.2.1 激振方式

间歇激振和连续激振均为常见的激振方式，间歇激振原理可通过图1 加以说明。激励脉冲通过张弛振荡器发出，以便控制继电器断开/吸合，所产生的交变磁力将促使振弦强迫振动并激发驻波。连续激振还可以进一步分为电磁法和电流法两种，其中电流法将磁场中的振弦视为振荡电路的重要组成部分，对振弦输入电流后，振弦会在洛伦磁力的影响下发生振动，进而输出含有固定频率的信号，放大后可进行电路测量。这一过程也具有明显的缺点：首先，振弦连续通电后会引发弹性模量、弦长、温度等物理参数改变，影响测值的准确性；其次，振弦持续激振作用也不利于振动器使用寿命的延长。

根据电磁法连续激振方式作用原理（见图2），感应电势由拾振线圈产生后经由放大器放大处理，再回送至激振线圈得到能量补充，以使振弦维持固有频率振动。这种作用方式也具有明显缺陷：双线圈激振所对应的工艺结构较为复杂；输出形成闭环后使高频电磁干扰振荡发生的可能性增加，可靠性也因此受到影响。

图2 电磁法连续激振方式作用原理

1.2.2 拾振方式

感应电势经由前置放大电路以及有源低通滤波电路后信号得到放大，且高频杂波得以剔除，再经过零比较器处理后便得到频率标准的信号，最后的固有频率振弦显示于频率计数器端。

1.2.3 压力传感器工作原理

张紧的钢弦是振弦式压力传感器的敏感元件，钢弦与传感器受力部件固定连接，并通过钢弦自振频率及所承受的外力进行物理量的测量。振弦式压力传感器工作原理具体见图3，传感器的钢弦其实就是一根张紧的钢丝，设置在电磁铁中，其上端固定在支承上，下端连接可动部件；当可动部件受到静态张力的作用后钢弦便会张紧。当向电磁线圈两端施加脉冲电流时，纯铁片便会在电磁力的作用下带动金属丝发生共振。

图3 振弦式压力传感器工作原理

在采用振弦式压力传感器进行桥梁索力监测的过程中，主要根据桥梁实际承受荷载情况，将2～6个高精度振弦式压力传感器均匀布置在桥梁四周，并将仪器核心元件固定于端块间钢弦之上，张紧钢弦后测量钢弦频率、张力、应变的量。钢弦振频和张力间存在的函数关系见式（1）：

式中：f为张紧后钢弦的自振频率（Hz）；T为钢弦实际张力（kN/m）；L为钢弦长（m）；m为钢弦实际质量（kg/m）。

结合类似工程监测实践，振弦式压力传感器长期稳定性受到诸多因素影响，为保证监测结果的准确性，必须采取有效措施来控制因温度、应变等变化而引发的钢弦徐变、结构腐蚀，确保其设计的科学性，避免其长期漂移。振弦式压力传感器通常用于锚索压力传感器上所作用的总荷载测量，还能用于测量不均匀荷载、偏心荷载等。通过在振弦式压力传感器结构中的内置温度传感器，还能实现索力温度对应变结果补偿程度的监测。

经由振弦式压力传感器直接输出的是若干个钢弦的频率，为得到具体的索力监测结果，还必须通过式（2）进行换算：

式中：F为压力值；k为钢弦帧频系数，取8.421×10-4，其他参数含义同前。

由于当前振弦式压力传感器芯片大多内置，可以进行压力值的直接换算，所以读数仪所读取的应变和压力值也就是换算后的最终结果。振弦式压力传感器内置温度传感器后可自动修正并保存温度调整系数，其所提供的最终监测结果也为自动排除温度影响后的结果；相反，若振弦式压力传感器并无内置温度传感器，则还应对温度影响因素进行人工处理。

2 振弦式压力传感器在桥梁索力监测中的应用

2.1 工程概况

某跨河主桥按照复合式上承拱桥设计，为保证拱脚处水平推力的平衡性，在柱墩处设置大型群桩基础，并在桥梁上部箱梁中增设PES-Φ7-139 型高强镀锌钢丝拉索贯穿全桥，钢丝拉索两头分别锚固于边跨端横梁位置。每幅桥设置12 根拉索，全桥共设置48套拉索，根据实际张拉温度将每根镀锌钢丝拉索的张拉力严格控制在3 800～3 900kN 范围内；为进行钢丝拉索实际张拉控制力以及桥梁实际运行状态的监测，在每三根拉索中增设1 个振弦压力传感器。考虑到全桥系杆均置于箱梁底板杆支架处，为避免系杆线形出现误差，必须进行其支架横纵向的准确定位，将其横纵向误差分别控制在1cm 及5cm 以内。在穿绕钢丝拉索时，必须加强对拉索锚头的保护，避免损坏、变形。

桥梁施工时其拉索索力调整应严格遵循分批、对称及逐级张拉原则，因该上承式拱桥所布置拉索数较多，故张拉施工应按4根/批的数量分批次进行，且张拉力逐级递增，前三批拉索分级循环张拉，并在每次张拉结束后复测拉索实际索力。为保证拉索张拉力控制效率以及设计预应力效果，应实行振弦式压力传感器和千斤顶油表联测。一旦振弦式压力传感器读数所显示的压力值和千斤顶油表显示压力值之差超出5%，则应立即暂停张拉，尽快查明原因，重新调整索力后重新恢复张拉。

2.2 影响索力的因素

桥梁钢筋混凝土结构会在大气温度、混凝土收缩徐变、拉索钢丝松弛等的综合作用下沿纵桥向发生形变，桥梁内部拉索伸长量也会随之改变，考虑到拉索变形属于弹性变形，故其索力也必将表现出不同程度的变化。桥梁钢筋混凝土梁体和拉索具有不同的温度变化，为此必须在理论计算与索力监测结果相结合的基础上，将张拉时的温度设定为基准温度。根据相关经验及厂家所提供的资料数据，拉索温度每变动1℃，则长度为180m 的拉索索力将变动7～10kN[2]。为避免出厂后的成品拉索因拉动而松弛，拉索在出厂时均进行了超张拉处理，然而，即使是进行了超张拉处理的拉索，其往往也会表现出1%～2.5%的松弛率，所以必须考虑长度180m 拉索可能发生的松弛情况。总之，桥梁拉索索力因受诸多因素的影响而始终处于变化过程中，应用振弦式压力传感器进行桥梁拉索索力监测的过程中，一旦发现索力超出许可范围，必须采取有效措施调整拉索索力，确保桥梁结构安全性。

2.3 振弦式压力传感器标定

在安装振弦式压力传感器以及张拉千斤顶前必须标定，且标定结果完全符合相关规范要求才能使用。本桥梁工程所使用的振弦式压力传感器在出厂前均已通过相应检测机构检验且标定合格，在施工开始前，从16 个压力环中随机抽出2 个送交相应检测机构再次检验和标定。使用0.5～20MN 型基准测力机进行过校准，该仪器使用温度范围为±18℃，配套JMZX-2008型综合测试指示仪表。

2.4 监测结果分析

针对得到的该桥梁主桥上行线所设置的4 个振弦式压力传感器压力环数值，进行钢丝拉索张拉施工过程中油压千斤顶油表读数和振弦式压力传感器读数的比较。通过比较，两种索力监测结果的误差均控制在5%以内，远小于设计要求的10%，表明振弦式压力传感器所得出的桥梁索力监测结果较为可靠[3]。

振弦式压力传感器监测结果的准确程度直接决定着桥梁工程运行的安全性及稳定性，为此，在进行该仪器安装时必须严格按照规范，并在监测相应时间后进行必要的维护。本桥梁工程在压力传感器安装的过程中，待电缆从仪器伸出后均牢固固定于相应结构，确保电缆其余段不受人员触碰等偶然因素的影响；仪器及光缆接头均具备防水功能。

3 结语

综上所述，振弦式压力传感器可以在桥梁结构日常运行过程中展开索力长期监测，以便及时了解桥梁结构索力变化及实际运行状态，一旦索力变动幅度超出规范许可范围，传感器也会同时发出预警，以便桥梁管理部门及时采取有效措施。结合桥梁工程实例对振弦式压力传感器作用原理、结构特征及技术参数的分析可以看出，振弦式压力传感器在桥梁运行过程中的索力监测结果真实可靠，且仪器工作性能和运行的稳定性良好，适用于对桥梁结构运行状态的长期监测。