磁通量傳感器在高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

■王曉琳，周庠天

■1.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005;2.柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545005

1 引言

因?yàn)楦哌吰洛^固工程屬隱蔽工程，而且影響錨固效果的因素較多，設(shè)計(jì)時(shí)很難掌握完全情況，所以對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固工程開展健康安全監(jiān)測(cè)很有必要［i］。同時(shí)，在施工和運(yùn)營期，用于加固邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索不可避免的會(huì)出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失，錨索有效預(yù)應(yīng)力大小也是關(guān)系到加固工程成敗的關(guān)鍵因素之一［ii］。新建的高邊坡錨索應(yīng)考慮增設(shè)長效的錨索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和服役期安全狀態(tài);確保邊坡結(jié)構(gòu)的安全、適用與耐久性［iii］。磁通量傳感器監(jiān)測(cè)法是基于一種鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理的測(cè)量方法。即當(dāng)鐵磁性材料承受的外界機(jī)械荷載發(fā)生變化時(shí)，其鐵材質(zhì)內(nèi)部的磁導(dǎo)率隨之發(fā)生變化，通過測(cè)量鐵磁性材料制成的構(gòu)件的磁導(dǎo)率變化，來測(cè)量構(gòu)件的內(nèi)力。該方法可有效的監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索的索力，是一種有效的非接觸式無損檢測(cè)技術(shù)。

2 磁通量傳感器測(cè)量原理

當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索受到外荷載作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，相應(yīng)地磁導(dǎo)率發(fā)生改變，通過測(cè)定磁導(dǎo)率變化來反映機(jī)械應(yīng)力的變化，按照此原理制成磁通量傳感器。

一般由磁場(chǎng)強(qiáng)度H 和磁通量密度B 之間的關(guān)系來描述鐵磁性材料的磁化過程:

(2-1)中μ 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，它依賴于H。根據(jù)磁感應(yīng)原理可研究材料的磁化性能，一般采用兩個(gè)線圈，一個(gè)激勵(lì)(初級(jí))線圈，一個(gè)感應(yīng)(次級(jí))線圈，將被測(cè)鐵磁性材料作為線圈的鐵心。如果在激勵(lì)(初級(jí))線圈上加一個(gè)直流電流，它就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度為H 的磁場(chǎng)，此時(shí)被測(cè)材料中產(chǎn)生的磁通量密度為B。如果能夠確定線圈中B 和H 的比值B/H，則能夠求出該下的條件磁導(dǎo)率來。

若直接測(cè)量磁通量或磁通量密度是比較困難的，可采用變通的方法。一種較簡(jiǎn)便的方法是測(cè)量纏繞在試件上的線圈兩端的感應(yīng)電壓。如果在激勵(lì)(初級(jí))線圈的兩端加一個(gè)交流激勵(lì)信號(hào)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間而變化的交變磁場(chǎng)，并且根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在感應(yīng)(次級(jí))線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)。

在某一恒定溫度下，鐵磁材料內(nèi)應(yīng)力與磁導(dǎo)率變化為一線性關(guān)系，利用鐵磁材料的磁導(dǎo)率-應(yīng)力關(guān)系曲線，可以直接測(cè)量出鐵磁材料內(nèi)力［］。磁通量傳感器就是依照上述原理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1 所示，

圖2-1 磁通量傳感器示意圖

它由激勵(lì)(初級(jí))和感應(yīng)(次級(jí))兩層線圈組成。當(dāng)給激磁(初級(jí))線圈通入脈沖電流時(shí)，鐵磁性材料被磁化后，會(huì)在產(chǎn)生縱向脈沖磁場(chǎng)。由于相互感應(yīng)，在感應(yīng)(次級(jí))線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓同施加的磁通量成正比關(guān)系。對(duì)任何一種鐵磁性材料，在試驗(yàn)室進(jìn)行幾組應(yīng)力、溫度下的試驗(yàn)，建立磁導(dǎo)率變化與溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，即可在實(shí)際使用中測(cè)量用該種材料制造的構(gòu)件的應(yīng)力［5］。

3 磁通量傳感器性能試驗(yàn)

3.1 溫度試驗(yàn)

溫度對(duì)錨索的磁導(dǎo)率隨溫度變化有一定影響，從而影響其測(cè)量結(jié)果，測(cè)量時(shí)需要做溫度補(bǔ)償。常溫下(-40℃～80℃)，構(gòu)件磁導(dǎo)率與應(yīng)力關(guān)系曲線自身的斜率卻并不會(huì)改變。在構(gòu)件不受力情況下做好溫度率定實(shí)驗(yàn)，然后能夠通過溫度補(bǔ)償在任何測(cè)量范圍內(nèi)的環(huán)境溫度狀況使用。

為了得出溫度修正系數(shù)，將磁通量傳感器模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力鋼絞線的情況下，放入恒溫裝置進(jìn)行升降溫試驗(yàn)，可以獲取溫度與磁導(dǎo)率的變化曲線，溫度和磁導(dǎo)率成反比關(guān)系，由此獲得其溫度修正系數(shù)。將不同規(guī)格的構(gòu)件和對(duì)應(yīng)型號(hào)的傳感器，選用類似的方法進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果基本一致。

3.2 力值驗(yàn)證試驗(yàn)

為了研究磁通量傳感器的一致性，首先對(duì)1 臺(tái)單根鋼絞線用CCT20B 磁通量傳感器標(biāo)定后，另取3 臺(tái)同型號(hào)磁通量傳感器，安裝在同一根∮15.24 的鋼絞線上的依次放在相同位置，用已經(jīng)獲取的傳感器的標(biāo)定曲線，進(jìn)行反測(cè)。在試驗(yàn)臺(tái)座張拉端安裝標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測(cè)量張拉力。在不同的荷載下，張拉力與相對(duì)磁導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)變化擬合曲線見圖3-4，從圖顯示磁通量傳感器具有良好的一致性。

圖3-4 傳感器的磁導(dǎo)率與力值曲線

4 新疆某邊坡項(xiàng)目工程應(yīng)用

新疆某水庫壩肩處理工程對(duì)梁進(jìn)行削坡卸荷，從山坡上部滑裂縫張開處，到壩頂高程以上坡腳處，將坡面突出巖體削掉。頂部用預(yù)應(yīng)力錨索加固。預(yù)應(yīng)力錨索在樁號(hào)W105m～W245m 范圍內(nèi)，布置3—5 層預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距為4m，排距為5m，單根錨索提供1000kN 的錨固力，內(nèi)錨同段位于新鮮巖體內(nèi)，“井”字錨固梁設(shè)置在坡面上，預(yù)應(yīng)力錨索布置在井字梁的交叉點(diǎn)上。［6］

對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索72 根鋼絞線中選取36 根鋼絞線安裝磁通量傳感器，磁通量傳感器安裝示意圖如圖4-1 所示。

邊坡錨索健康安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有四個(gè)子系統(tǒng)組成的數(shù)字采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析子系統(tǒng)及預(yù)警報(bào)警子系統(tǒng)對(duì)錨索在運(yùn)行期的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控壩間邊坡的穩(wěn)定性的目的。通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng)，管養(yǎng)單位可以實(shí)時(shí)觀測(cè)邊坡安全狀態(tài)。數(shù)據(jù)如圖4-2 所示。

錨索索力受溫度影響的變化見圖4-3，受水位影響的變化見圖4-4。

圖4-1 磁通量傳感器安裝示意圖

圖4-2 錨索監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖4-3 錨索索力受溫度影響示意圖

圖4-4 錨索索力受水位影響示意圖

圖4-3 和圖4-4 所示，磁通量傳感器索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好的監(jiān)測(cè)到隨著溫度變化、水位變化實(shí)際錨索索力變化情況。能夠?yàn)檫吰路€(wěn)定性的評(píng)判和科學(xué)的管養(yǎng)提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

磁通量傳感器測(cè)量方法具備精度高、耐久性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且是一種無損、非接觸式的測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多截面的安裝與測(cè)量。通過對(duì)溫度試驗(yàn)獲取溫度修正系數(shù)，能夠消除現(xiàn)場(chǎng)溫度對(duì)測(cè)量的影響。磁通量傳感器監(jiān)測(cè)法能有效地用于邊坡錨索的全壽命周期的長效監(jiān)測(cè)，有著良好的應(yīng)用前景。

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