磁通量傳感器在橋梁索力監測中的應用

柴愛紅

(山西省交通建設工程監理總公司，山西太原 030012)

近年來，國內外多座橋梁突然破壞與倒塌，使得全社會對橋梁結構安全倍加關注。在橋梁結構中，拉索(斜拉橋的斜拉索、桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預應力梁的體內預應力筋和體外索等)是其最主要的受力構件之一，索力狀態是衡量橋梁是否正常運營狀態的一個重要標志。索力合理分布，可有效保證橋梁結構的平衡穩定，使得橋梁安全運營。因此，及時準確的監控橋梁在運營期間的索力狀態極其重要。

拉索是橋梁的“生命線”，精確掌控橋梁運營過程中拉索的使用狀態，精確的索力測量手段是保證橋梁安全營運的重要手段。使用傳統的索力監測方法，橋梁經過一段時間的運營后，要得到比較準確的索力狀態就比較困難。因此，安裝一些長效性傳感器來監控橋梁運營期間的索力狀態就尤為重要。磁通量傳感器克服了傳統索力監測方法的缺陷，將其應用于橋梁索力監測，可有效的實時測量索力狀況，是一種新型的無損檢測技術。

1 索力長效檢測的必要性

拉索是支承橋梁的核心構件之一。在橋梁結構中，鋼筋的應力松弛、混凝土的收縮徐變、季節更替、氣候變化等因素，都會對橋梁結構產生重要影響，其最突出的表現就是拉索索力的重新分配;同時，橋梁結構的損傷也可以通過索力變化表現出來。可以說，橋梁索力的變化直接表現出橋梁結構的運行狀態。對橋梁索力進行有效監測、分析、評估，是掌握橋梁運營狀態，保障橋梁結構安全的重要手段，索力長效監測是橋梁健康安全監測的最重要內容。

傳統的索力檢測監測技術中，有結構計算法、壓力傳感法(振弦式、應變片、液壓式、光纖光柵)、千斤頂張拉法、振動頻率法等(見表1)。各種索力監測方法，各有特點。振動頻率法和壓力傳感法是使用較多的方法。振動頻率法是通過實測拉索的振動頻率，經過計算得出索力，監測中受減震器、拉索長度、護套等的影響較大，測量精度差;壓力傳感法是將傳遞到傳感器上面的力直接測量出來，短期精度高、動態性好，但受荷載長期作用、材料徐變、形變傳遞失真等方面的影響較大，耐久性和長期精度很難保證，難以滿足長效監測的要求。

表1 傳統的索力監測技術

針對傳統索力監測技術的局限，磁通量傳感器(EM Sensor)較好地解決了該問題。磁通量傳感器是一種無損檢測技術，通過非接觸式測量避免了傳感器的受力疲勞問題;通過模擬標定來實現運營狀態的數據校準;簡單實用，可在不影響橋梁運營的前提下建立索力監測或更換傳感器;可實現體內預應力的多截面監測，實現了索力監測的長效性。

2 磁通量傳感器原理及特性

磁通量傳感器是依據鐵磁性材料的磁彈效應原理制成，即是當鐵磁性材料受到外界的荷載時，其內部的磁化強度也會發生相應變化。因此，可以通過測定磁化強度的變化來反映索力的變化。

利用磁通量傳感器來進行橋梁結構索力監測，具有以下技術特點:

1)使用磁通量傳感器測量索力為非接觸性測量，不會損傷橋梁結構(見圖1);

圖1 磁通量傳感器測量索力示意圖

2)不需要對索體表面進行處理，不會對表面的防腐保護層造成破壞;

3)使用模擬標定來實現運營狀態下的數據校準，具有維護成本低、使用壽命長的特性;

4)在監測過程中，抗干擾能力強，測量精度高，重復性能好;

5)實現自動測量直接顯示力值;由于鋼材的磁導率隨溫度變化而變化，可通過自動進行溫度補償來消除溫度影響;

6)可與計算機系統相連，進行實時數據監測和遠程健康診斷。

3 磁通量傳感器在橋梁索力監測中的應用

3.1 平行鋼絲斜拉索索力的監測

傳感器的選擇:根據拉索外徑確定傳感器的規格，一般要求傳感器內徑大于拉索外徑5 mm～7 mm。

傳感器與拉索配套安裝:在工廠內制索時，將傳感器套在拉索自由段上，再安裝錨具，固定并保護傳感器及信號線，使得傳感器與拉索形成整體。

傳感器與斜拉索配套標定:利用拉索出廠前的超張拉工序，進行傳感器與斜拉索的配套標定。

傳感器的現場安裝(見圖2):在施工現場，當完成掛索后，將傳感器放入梁端預埋管內，信號線從預先開好的預埋管側壁上的引線孔引出，再安裝減震器、防水罩等部件。

圖2 傳感器在平行鋼絲斜拉索上的安裝

3.2 平行鋼絞線斜拉索索力的監測

智能型鋼絞線拉索:在鋼絞線拉索塔端錨具中，選擇三個孔位一體化裝配用于單根鋼絞線索力測量的磁通量傳感器，形成智能型鋼絞線拉索體系。與整體索力監測方式相比，該方法經濟性好，還可以監測單根鋼絞線之間受力的均勻性。

索力的測量計算:在掛索張拉時，分別將這三個孔位定為第一根、中間一根和最后一根，將三個孔位所測得的力的算術平均值乘以該束拉索的鋼絞線總根數，測量計算出整束拉索索力;可以一定程度上監控單根鋼絞線受力均勻性;適用于矮塔斜拉橋、斜拉橋等斜拉索體系。

傳感器的標定:在實驗室中利用張拉臺座和標準傳感器來實現傳感器標定。

在斜拉橋上的布置:錨具在塔內的分布比梁上密集，系統集成時方便施工;同時塔內的溫濕度相對恒定，無紫外線、風化、雨水等的侵襲，利于儀器設備的工作、保護和正常運行。

在矮塔斜拉橋或實心塔上的布置(見圖3):為方便測量及信號集成，傳感器裝配在梁端錨具中，信號線從預埋管側壁引出。

圖3 傳感器在平行鋼絞線斜拉索上的安裝

3.3 拱橋吊桿索力的監測

傳感器的選型:根據拉索外徑確定傳感器的規格，一般要求傳感器內徑大于拉索外徑5 mm～7 mm。

傳感器與拉索配套安裝:在工廠內制索時，將傳感器套在吊桿自由段上，再安裝錨具，固定并保護傳感器及信號線，使得傳感器與吊桿形成整體。

傳感器與吊桿配套標定:利用吊桿出廠前的超張拉工序，進行傳感器與吊桿的配套標定。

傳感器的現場安裝(見圖4):在施工現場，當完成掛索后，將傳感器放入梁端預埋管內，信號線從預先開好的預埋管側壁上的引線孔引出，再安裝減震器、防水罩等部件。

圖4 傳感器在吊桿上的安裝

圖5 傳感器在運營中橋梁拉索上的安裝

圖6 離線檢測系統

3.4 運營中橋梁拉索索力長效監測

在運營中的橋梁上安裝拉索索力監測系統時，利用磁通量傳感器非接觸式測量的特點，直接在處于運營狀態的拉索上制作安裝，實現索力監測的目的。傳感器的選型:根據拉索外徑確定傳感器的規格，一般要求傳感器的內徑大于拉索外徑5 mm～7 mm。

圖7 在線監測系統

傳感器的標定:采用同種材料及工藝制作相同規格型號的標定試驗索，再額外制作標定用的樣品傳感器，在實驗室的張拉臺座上進行配套力值標定和溫度標定。傳感器的現場安裝(見圖5):在橋面上安裝方便的位置安裝傳感器。需安裝保護罩或防腐處理，在對傳感器進行保護的同時，可避免傳感器外罩反射光線影響行車安全。

4 磁通量傳感器索力監測系統

使用磁通量傳感器進行橋梁索力監測時，根據工程預算情況，選擇離線檢測系統或在線監測系統。離線檢測系統造價低，但需人工現場采集數據。在線監測系統實現了自動化在線實時監測，但造價高。1)離線檢測系統。基礎配置包括磁通量傳感器、開關集線箱、磁彈儀、數據傳輸線及布線管、儀器保護箱，構成數據采集系統(數據采集箱)，根據傳感器的數量及分布情況在橋梁上設置一個或多個數據采集箱，構成離線檢測系統，實現人工定期數據采集(見圖6)。2)在線監測系統。在離線檢測系統的基礎上，增加數據傳輸和數據處理系統，實現了索力的實時在線監測，具有自動測量、異常預警等功能，操作簡單(見圖7)。

5 結語

傳統的索力監測方法、人工巡檢等手段，越來越難以適應橋梁運行結構安全管理的需要，也不符合信息時代發展的潮流。在橋梁索力檢測中，推廣和應用磁通量傳感器，采用信息自動化監測技術，監測拉索的荷載響應情況，實現索力運行的長效監測，從根本上保障橋梁結構的安全運營。

［1］柳州歐維姆結構檢測技術有限公司.基于磁通量傳感器的橋梁拉索索力長效監測技術研究［Z］.2012.

［2］周庠天，涂 慧，王曉琳.磁通量傳感器索力監測系統在工程中的應用［J］.預應力技術，2011(5):39-40.

［3］磁通量傳感器索力監測系統設計指南［J/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ea83241ca76e58fafab00378.html，2013.