基于磁彈效應的預應力鋼絞線全量應力監測實驗研究

龐國英 董傳智 段元鋒，* 周超波

(1．臺州市公路管理局，臺州318000;2．浙江大學建筑工程學院，杭州310058;3．杭州健而控科技有限公司，杭州310030)

1 引言

預應力混凝土結構是在結構構件受外力荷載作用之前對構件施加壓力，使荷載作用時截面受拉區域先存在壓應力的混凝土結構。與普通混凝土結構相比它具有結構安全可靠、節約材料、自重較小、抗裂性好和剛度大等優點，現已廣泛應用于橋梁、大壩、高速公路、民用建筑等結構中，是現代土木工程領域發展速度最快、用途最廣、最具發展潛力結構形式之一［1］。

鋼絞線作為預應力結構中的關鍵受力構件，其受力狀態直接影響預應力結構的適用性和安全性。預應力鋼絞線在張拉及橋梁運營過程中，由于材料性能、施工狀況和環境條件等因素的影響，混凝土橋梁會產生不可預見的預應力損失，從而導致預應力水平的降低和預應力分布的不均勻。

一旦預應力構件中的鋼絞線預應力失效，混凝土結構構件將可能在表面未有征兆的情況下很快發生破壞，對于連續多跨的無粘結預應力結構，一旦鋼絞線預應力失效，將導致余跨的鋼絞線預應力一起失效，從而使結構的承載能力下降，使結構處于不良的工作狀態，給橋梁結構安全帶來潛在危害。針對預應力結構中鋼絞線的應用現狀，亟需一種檢測技術，對鋼絞線中的有效預應力進行實時監測，以便準確地了解和掌握預應力結構的應力狀態和變化規律，對出現問題的預應力結構及時進行維修或更換，避免由于鋼絞線中的應力損失導致整個結構的破壞，造成重大的經濟損失和人身傷害。

預應力鋼絞線的應力監測有其特殊性:①位于混凝土內部，工作空間狹小;②跨度大、距離長，需進行準分布監測才能獲取全面準確的預應力狀態;③初始張拉應變水平高，損失應變量相對較小，采用應變測量法效果不佳;④橋梁結構的壽命一般為幾十年，需要對持久應力進行長期監測。目前常用的電阻應變片、振弦式應變儀［2］、光纖光柵應變儀［3］、鋼絞線傳感器［4］等，都無法或難以實現對在役預應力鋼絞線應力絕對量(而非相對變化量)的無損監測;由于預應力混凝土橋梁的預應力鋼絞線其邊界條件、應力幅值、作業空間等與拉索、吊桿等柔性結構有明顯區別，因此振動頻率法［5，6］也不適用于混凝土橋梁的預應力筋的應力測量;超聲導波檢測［7］雖具有理論上的可行性，但試驗表明其測試結果很不穩定，目前尚停留在理論探索和試驗研究階段。要實現對在役預應力混凝土橋梁的預應力筋實際應力的無損檢測，必須結合預應力筋自身的特點尋求新的方法。

磁通量傳感器［8］是一種新型的應力監測方法，它不僅能夠對預應力鋼絞線進行無損、長久、穩定的應力監測，更重要的是能夠適應預應力鋼絞線特殊的施工工況，是一種可以替代前述各種監測手段的好方法，磁彈效應法已然成為國內外研究的熱點［8－12］。

雖然磁通量索力傳感器已經應用于實際工程的索力測量中，但是其中的許多關鍵問題仍需解決和完善，如磁彈索力傳感器系統的精細建模與系統優化，實驗研究的完善，磁屏蔽的改進和測量精度的提高等。在目前的工程案例中，如江陰大橋［10］、南京長江二橋［11］、南京葫蘆頂大橋和天津永和大橋［12］，都是對大跨度纜索橋的拉索或吊桿進行測量，其周圍鐵磁環境相對簡單。而鋼絞線周圍鐵磁環境復雜，需要進行專門的實驗研究，以確定傳感器的抗鐵磁環境干擾能力。目前關于基于磁彈效應的鋼絞線應力監測實驗研究未見報道。

本文基于鐵磁材料磁彈效應(即鋼絞線在外力作用下其磁特性變化)，通過測量鋼絞線的磁特性參數來測量其應力。對單根鋼絞線周圍有無其他鋼絞線兩種情況進行實驗研究，對鋼絞線周圍鐵磁環境的影響程度進行定量。

2 工作原理及系統組成

鐵磁性材料可以實現磁與眾多物理量的相互轉換，其中的磁—機相互轉換功能是將機械量轉換成磁學量或反之。實現磁—機轉換的核心是材料的磁彈效應(或逆磁致伸縮效應或壓磁效應)。所謂的磁彈效應是指鐵磁性材料受到機械應力作用時，其材料的導磁性發生改變，尤其是磁導率發生變化的現象［13］。

在被測鋼構件上纏繞兩個線圈，分別為勵磁線圈和測量線圈，在勵磁線圈組成的回路中通過變化的電流，通過測出測量線圈兩端的感應電壓，可以推算被測構件磁導率的變化，裝置如圖1所示。

置于磁場中的鋼構件的感應電壓積分值與鐵磁材料的增量磁導率關系［14］:

圖1 線圈截面示意圖Fig．1 The diagram of the coil’s cross-section

式中，μinc為增量磁導率;μ0為空氣磁導率;Uout為磁場中有鐵磁材料時的勵磁時間內感應電壓積分有效值;U0為磁場中無鐵磁材料時的勵磁時間內感應電壓積分有效值;SA為測量線圈包裹的面積;SB為鋼構件的橫截面積。

最終得到應力與反應鐵磁材料特性的Uout的關系式［14］:

視實際需要，可依據客戶選擇，在帶有校準孔的儀器設備中，將柔性T型熱電偶溫度傳感器放置于校準孔內，并采用上述同樣記錄方法測量其溫度示值誤差，間隙較大時需采用隔熱材料堵塞孔口處。[2]

可以看出感應電壓積分與應力值之間存在確定的函數關系，通過實驗對鋼絞線進行標定實驗，可以獲得相應的標定公式，用于應力監測。

根據此工作原理，我們設計并制作了基于磁彈效應的預應力鋼絞線的應力監測系統。系統組成如圖2所示。系統包括五個部分:傳感器、數據采集卡、磁彈儀(驅動電路)、工業計算機及運行在工業計算機上的軟件系統。其中，傳感器由勵磁線圈、測量線圈以及用于屏蔽磁場和其他信號干擾的保護裝置組成;采集裝置選用美國國家儀器公司的數據采集模塊;磁彈儀是磁通量傳感器測試系統的核心設備，主要用于勵磁及系統電路控制;工業計算機是作為軟件運行、數據處理及信號發送的硬件載體，可以適應工業級別的安全和穩定性要求;軟件采用基于LabVIEW圖形語言進行編程，高效、穩定，能夠長時間進行數據采集和分析。

3 實驗裝置

實驗裝置主要包括鋼絞線、系統測試軟件、采集卡、磁彈儀、傳感器樣品、工控機和實驗加載設備。

實驗采用的鋼絞線標號為15－7Φ5。規格為單根七股、直徑15．5 mm、外包環氧樹脂皮層、標準強度為1 860 MPa。

圖2 基于磁彈效應的應力監測系統Fig．2 EM effect based stress monitoring system

基于美國國家儀器公司的LabVIEW開發環境開發了一套鋼絞線應力監測軟件。通過采集與控制模塊(NI 6221)對磁彈儀中的電容器進行充放電，實現勵磁與測量過程。

磁通量傳感器樣品為尼龍骨架(絕緣、不導磁)上繞制一定匝數的勵磁線圈和測量線圈，外包屏蔽材料防止周圍電磁信號及其他干擾源的信號擾動。

實驗的加載設備為自制加載架(圖3)，采用柳州橋姆YDC-250千斤頂和ZB4－500電動油泵對鋼絞線進行加載。鋼絞線預先穿過磁通量傳感器，并將磁通量傳感器固定在鋼絞線上，然后將鋼絞線兩端錨固在加載架上。在其中一端的錨具下安裝壓力傳感器，以獲得標定應力信息。

圖3 加載裝置Fig．3 The loading device

4 測試實驗與分析

本文設計并進行了兩個實驗:第一個實驗為對單根鋼絞線進行張拉，并用傳感器進行測試;第二個實驗作為對比實驗，在實驗一的基礎上，將所張拉的鋼絞線和磁通量傳感器周圍放置同樣規格的多根鋼絞線，以模擬現場環境，驗證周圍鋼絞線即鐵磁材料對應力監測系統的測試影響。

4．1 實驗一:單根鋼絞線應力測試

實驗中根據預應力鋼絞線的工作范圍確定了加卸載區間為50 kN到180 kN。每隔35 kN為一個荷載步，每個荷載步靜置1 min，實驗中從50 kN加載到180 kN，再按相同荷載步卸載到50 kN，作為一個加卸載循環。單個荷載步加載到位之后的靜置時間內，勵磁電路及采集設備開始工作，每次勵磁到采集結束為一次測量，每個荷載步中重復測量多次，多次測量數據取平均值以減少測量誤差。

圖4是實驗一中對單次荷載測量獲得的19次磁特征量(感應電壓積分)的散點圖，其中縱軸表示感應電壓積分值，即磁通量，橫軸表示采集次序或者測量序列。由圖4可以看出19次測量值都在均值(7．944)附近。通過統計分析得到，標準差為1．29%左右，因而具有很高的測量重復性。

圖4 實驗一單荷載測試磁特征量分布圖Fig．4 Multiple test results for a single load(test 1)

圖5 為應力測試系統的標定曲線，圖6為擬合值與實驗值的對比情況，圖7為擬合值與實驗值之間相對于滿量程(180kN)的百分比誤差。

由圖5可知:在50 kN～180 kN的測量范圍內，對傳感器的選定勵磁區間內的磁特征量進行線性擬合，擬合結果為 y=410．67 －32．263x，線性相關系數R=0．99874。由此可以看出，磁通量與鋼絞線所受到的力之間具有較高的線性度。由圖6和圖7可知，在考慮到滿量程為180 kN的情況下，誤差百分比最大在2．25%左右，實驗誤差值較小，滿足工程需要。

4．2 實驗二:周圍有其他鋼絞線的應力測試

在單根鋼絞線周圍外置若干相同型號的鋼絞線束，作為鐵磁材料，可以對磁通量傳感器的勵磁線圈產生的勵磁磁場會產生影響。本實驗采用了前述未加周圍鋼絞線工況相同的加載過程，測得擬合結果如圖8所示。

圖5 實驗一力與磁特征量關系Fig．5 Relation between force and magnetic quantity(test 1)

圖6 實驗一擬合值與實驗值對比Fig．6 Comparison between fitting and experimental results(test 1)

圖7 實驗一百分比誤差Fig．7 The percentage error(test 1)

圖8 實驗二力與磁特征量的關系Fig．8 Relation between force and magnetic quantity with magnetic disturbance(test 2)

圖9 為實驗二中擬合值與實驗值的對比情況，圖10為擬合值與實驗值之間相對于滿量程(180kN)的百分比誤差。

在實驗二中，最大誤差為3kN以下，誤差百分比最大為1．5%左右，實驗誤差值較小，滿足工程需要。

圖9 實驗二擬合值與實驗值對比Fig．9 Comparison between fitting and experimental results(test 2)

圖10 實驗二百分比誤差Fig．10 The percentage error(test 2)

4．3 實驗一與實驗二的對比分析

實驗一與實驗二的區別在于，后者是在被測鋼絞線以及測試傳感器的周圍放置了相同規格的鋼絞線，從而為被測鋼絞線周圍添加了鐵磁材料。目的在于驗證鐵磁材料對傳感器的測試結果的影響。

這里將實驗二測得的磁特征值帶入實驗一得到的標定公式中，得出基于實驗一的計算值，并與實驗二中鋼絞線實際的加載值相比較，如圖11、12所示。

圖11 計算值與加載值對比Fig．11 Comparison between calculated value and loading value

圖12 計算值與加載值的百分比偏差Fig．12 The percentage relative difference between calculated value and loading value

由圖12可以看出，將實驗二測得的磁特征量帶入到實驗一的標定公式，得到的計算值與實驗二的加載值最大百分比偏差為滿量程的2．5%。注意到用周圍無鋼絞線的標定公式作為周圍有鋼絞線的傳感器標定公式，其測量的最大百分比偏差(2．5%)與實驗一周圍無鋼絞線應力測試百分比誤差(2．25%)相差不大，可以得出周圍鋼絞線對本傳感器的測量影響可忽略的結論。

6 結論

本文介紹了基于磁彈效應的鋼絞線全量應力監測系統的工作原理和系統組成，開發了相應的軟硬件系統，并對周圍有無鋼筋兩種情況下的單根鋼絞線預應力進行測試。得到了以下結論:

(1)基于磁彈效應的應力監測系統，不需要了解受力歷史，可直接對鋼絞線的應力進行非接觸式監測，且具有較高的測試精度(相對誤差為2．3%)和良好的重復性(測試標準差為1．3%)。

(2)所研發的應力監測系統，由于采用了合適的磁屏蔽措施，用周圍無鋼絞線(鐵磁材料)的標定公式進行有鋼絞線情況下的測試，與實際加載值的相對偏差為2．5%，與傳感器自身標定誤差(2．3%)相當，因而周圍鐵磁材料的影響可忽略。

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