基于磁通量傳感器技術(shù)的箱梁預(yù)應(yīng)力監(jiān)控研究

段躍華 伍圣華 卓海金 鄧年春

摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土梁通過(guò)張拉鋼絞線(xiàn)對(duì)梁預(yù)先施加匝應(yīng)力，可以部分抵消梁在使用過(guò)程中產(chǎn)生的混凝土拉力，避免了混凝土裂縫過(guò)早出現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力筋張拉值的大小是控制預(yù)應(yīng)力梁質(zhì)量的關(guān)鍵之一。文章利用磁通量傳感技術(shù)，研制了CDC16型單根鋼絞線(xiàn)磁通量傳感器，對(duì)柳南高速公路擴(kuò)建工程的預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼絞線(xiàn)索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)鋼絞線(xiàn)索力的大小與均勻性進(jìn)行精度測(cè)量研究。

關(guān)鍵詞：磁通量;傳感技術(shù);預(yù)應(yīng)力;鋼絞線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.030

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0103-04

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土梁廣泛應(yīng)用于我國(guó)公路和鐵路橋梁中，而預(yù)應(yīng)力鋼束是保證預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)性能的重要因素。預(yù)應(yīng)力鋼束由多根鋼絞線(xiàn)組成，通過(guò)在混凝土梁內(nèi)合理布置并進(jìn)行張拉發(fā)揮作用。在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的過(guò)程中，若張拉實(shí)際值小于規(guī)定的設(shè)計(jì)值，則預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)性能達(dá)不到預(yù)期效果，甚至在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫;若張拉實(shí)際值大于規(guī)定的設(shè)計(jì)值范圍，則會(huì)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁本身結(jié)構(gòu)造成一定的破壞并且會(huì)使受拉鋼絞線(xiàn)產(chǎn)生塑性變形，這也會(huì)影響混凝土梁的質(zhì)量。由此可見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉終值合適與否是控制其施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。由于鋼絞線(xiàn)在張拉過(guò)程中，控制應(yīng)力值達(dá)75%極限強(qiáng)度值比較高，而鋼絞線(xiàn)張拉過(guò)程是在鋼絞線(xiàn)穿束之后，安裝千斤頂和錨具進(jìn)行整束張拉，并沒(méi)有對(duì)鋼絞線(xiàn)受力均勻性進(jìn)行調(diào)整，鋼絞線(xiàn)一旦受力不均勻，可能會(huì)引起局部鋼絞線(xiàn)張拉應(yīng)力過(guò)高而出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，或造成過(guò)大的預(yù)應(yīng)力損失。本文通過(guò)磁通量傳感技術(shù)的工作特性，結(jié)合柳南高速公路擴(kuò)建工程項(xiàng)目，研制出CDC16型單根鋼絞線(xiàn)磁通量傳感器，用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼絞線(xiàn)索力監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)測(cè)量預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)索力大小與鋼束受力的均勻性。

1磁通量傳感器測(cè)量原理

鋼絞線(xiàn)是一種鐵磁性材料。當(dāng)對(duì)鐵磁性材料施加外力作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，相應(yīng)的磁導(dǎo)率也會(huì)隨之變化。為此，通過(guò)測(cè)定材料的磁導(dǎo)率變化量，來(lái)測(cè)算出材料的內(nèi)力，這就是磁通量傳感器的工作原理。它由初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈和溫度傳感器組成（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈通入脈沖電流的瞬間，由于鐵磁性試件的存在，根據(jù)作用原理，次級(jí)線(xiàn)圈將產(chǎn)生瞬時(shí)電流，于是可測(cè)得一個(gè)瞬時(shí)電壓。鐵磁性材料的磁導(dǎo)率會(huì)直接影響到感應(yīng)電壓的大小，而磁導(dǎo)率又與鐵芯試件的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)感應(yīng)電壓與應(yīng)力之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量。傳感器及試件的溫度可通過(guò)內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器進(jìn)行修正，消除影響.

材料的磁化過(guò)程一般由磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通量密度B之間的關(guān)系來(lái)描述：

B=μ·H

材料的磁化特性可通過(guò)磁感應(yīng)原理研究，即在初級(jí)線(xiàn)圈上接通直流電，此時(shí)線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)，被測(cè)材料中產(chǎn)生的磁通量密度為B。通過(guò)確定線(xiàn)圈中B和H的比值B/H，就可以計(jì)算出此時(shí)偏壓條件下的磁導(dǎo)率.直接測(cè)量磁通量或磁通量密度比較困難，可通過(guò)在初級(jí)線(xiàn)圈兩端加一個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：式中：μ——空氣的磁導(dǎo)率;

V——同一構(gòu)件放置磁通量傳感器的感應(yīng)

電壓;

V——磁通量傳感器通過(guò)空氣的感應(yīng)電壓;

S——次級(jí)線(xiàn)圈包圍的截面面積;

S——試件的截面面積為常數(shù)。

相對(duì)磁導(dǎo)率為：

鋼絞線(xiàn)試件的相對(duì)磁導(dǎo)率增量μ與張拉力f的關(guān)系，用三次方程表示，則為：

f=Co+Cμ+Cμ+Cμ （4）

式中：C，，C，C，C——擬合系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定確定。

式（3）和式（4）即為測(cè)量公式。對(duì)于引起磁導(dǎo)率變化的溫度因素，可通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行修正：

μ（f，T）=μ（f，T）-α（T-T） （5）

式中：T——測(cè)量時(shí)溫度;

T——計(jì)算力值時(shí)采用的標(biāo)定溫度或標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）;

μ（f，T）——標(biāo)定溫度或標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）下的磁導(dǎo)率增量;

μ（f，T）——測(cè)量溫度下的磁導(dǎo)率增量;

α——溫度補(bǔ)償系數(shù).

在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)定時(shí)，傳感器的面積、構(gòu)件的面積、傳感器空載值都為已知常量.由相對(duì)磁導(dǎo)率公式（3）可知，磁導(dǎo)率μ的變化與感應(yīng)電壓V的變化成正比：

Δμ∞ΔV（6）

因此可直接用感應(yīng)電壓的變化來(lái)擬合力值。感應(yīng)電壓擬合曲線(xiàn)和磁導(dǎo)率的擬合曲線(xiàn)形狀類(lèi)似，但系數(shù)不同。

磁通量傳感器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之前需進(jìn)行編號(hào)并標(biāo)定。標(biāo)定在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)張拉臺(tái)上進(jìn)行，使用千斤頂對(duì)鋼絞線(xiàn)進(jìn)行張拉，用2000標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測(cè)量?jī)x讀取鋼絞線(xiàn)拉力數(shù)值，磁彈儀測(cè)量感應(yīng)電壓值，得到不同溫度、不同索力與感應(yīng)電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即溫度-拉力-電壓曲線(xiàn)。將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次方程擬合，計(jì)算出不同編號(hào)的感應(yīng)電壓值的三次方程系數(shù)，保存每個(gè)感應(yīng)電壓值的數(shù)據(jù).現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，將磁通量傳感器穿過(guò)待測(cè)鋼絞線(xiàn)上并緊固，使用磁彈儀量測(cè)感應(yīng)電壓值，導(dǎo)出每個(gè)磁通量傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)鋼絞線(xiàn)受力情況.

2磁通量傳感器標(biāo)定

2.1標(biāo)定目的

待測(cè)構(gòu)件選取φ15.24mm鋼絞線(xiàn)，在試驗(yàn)中心5000kN實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行張拉，建立鋼絞線(xiàn)不同拉力值與輸出感應(yīng)電壓差值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行擬合，得出計(jì)算公式的系數(shù)。建立輸出感應(yīng)電壓差值與構(gòu)件內(nèi)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，用來(lái)測(cè)量構(gòu)件內(nèi)力。

2.2 磁彈儀功能與特點(diǎn)

本試驗(yàn)所采用的磁彈儀（見(jiàn)圖2）可直接測(cè)量出傳感器安裝點(diǎn)的溫度、構(gòu)件感應(yīng)電壓，由此計(jì)算并顯示構(gòu)件內(nèi)力。該磁彈儀的特點(diǎn)為：（1）直接測(cè)量構(gòu)件信息;（2）屬于高精度的非接觸測(cè)量;（3）支持多通道傳感器測(cè)量;（4）自動(dòng)溫度補(bǔ)償;（5）支持遠(yuǎn)程測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)煞N模式，可獨(dú)立操作磁彈儀進(jìn)行測(cè)量。

2.3 磁通量傳感器的特點(diǎn)

試驗(yàn)使用CDC16型磁通量傳感器（如圖3所示）。CDC16磁通量傳感器外形尺寸較小，內(nèi)徑為16mm，外徑為28mm，高度為40mm，能穿過(guò)φ15.24mm的鋼絞線(xiàn)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。其技術(shù)參數(shù)為：（1）數(shù)據(jù)采集方式;（2）測(cè)量一次時(shí)間約為10S;（3）靜態(tài)測(cè)量;（4）最大接線(xiàn)長(zhǎng)為傳感器與磁彈儀之間250m;（5）使用環(huán)境溫度為-40℃-80℃;（6）供電電源為AC110-240V，60/50HZ。

2.4試驗(yàn)方法

如圖4所示，將CDC16磁通量傳感器編號(hào)為CDC16-1至CDC16-10傳感器，然后穿入φ15.24mm的鋼絞線(xiàn)內(nèi)并固定。為避免磁通量傳感器在標(biāo)定過(guò)程中的相互影響，兩傳感器間距離必須保持30cm以上.將鋼絞線(xiàn)穿入試驗(yàn)張拉臺(tái)中，兩端安裝工具錨、千斤頂、壓力傳感器及2000標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測(cè)量?jī)x，將壓力傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器并使用2000標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測(cè)量?jī)x進(jìn)行讀數(shù)（如圖5所示）。電阻應(yīng)變傳感器與油壓表共同控制張拉力值，從鋼絞線(xiàn)預(yù)緊狀態(tài)開(kāi)始，將整個(gè)標(biāo)定過(guò)程分為8級(jí)，每級(jí)30kN進(jìn)行逐級(jí)張拉加載，同時(shí)記錄壓力傳感器讀數(shù)及磁彈儀感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合曲線(xiàn)。

2.5 標(biāo)定結(jié)果

通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)分別得出CDC16-1-CDC16-10。傳感器磁通量傳感器的擬合系數(shù)表（見(jiàn)表1），傳感器CDC16-1、CDC16-2、CDC16-3號(hào)為典型的測(cè)量數(shù)據(jù)和擬合曲線(xiàn)（見(jiàn)表2-4和圖6-8）。

3 工程應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力梁現(xiàn)場(chǎng)采用磁彈儀和磁通量傳感器，在預(yù)應(yīng)力梁張拉前將傳感器安裝至梁內(nèi)。安裝方法為：將傳感器套在鋼絞線(xiàn)上并固定在錨墊板內(nèi)，外端安裝開(kāi)槽的工作錨并將傳感器引線(xiàn)引出，引線(xiàn)端與磁彈儀連接。本次預(yù)應(yīng)力箱梁索力檢測(cè)試驗(yàn)通過(guò)橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)進(jìn)行張拉，張拉值為0%、10%、20%、100%。在開(kāi)始測(cè)量前對(duì)磁彈儀進(jìn)行調(diào)試，在張拉值為0%即還未開(kāi)始張拉時(shí)用磁彈儀測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)，將所測(cè)得的積分值輸入磁彈儀中即完成調(diào)試，然后再進(jìn)行張拉，測(cè)量張拉值為100%時(shí)的數(shù)據(jù)并記錄（見(jiàn)表5）。

從表5可以看出，預(yù)應(yīng)力梁位置偏差分別為：左1#孔預(yù)應(yīng)力鋼束中，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.6kN，占單根絞線(xiàn)破斷力的3.7%，總預(yù)應(yīng)力張力偏差為-3.4%，單根測(cè)量力值偏差為9.5kN;左2#預(yù)應(yīng)力鋼束中，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.4kN，占單根絞線(xiàn)破斷力的3.6%，總預(yù)應(yīng)力張力偏差為2%，單根測(cè)量力值偏差為9.3kN。從上述可知，檢測(cè)結(jié)果表明最終控制張拉力在5%范圍內(nèi)，控制結(jié)果正常。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，CDC16傳感器通過(guò)感應(yīng)構(gòu)件的磁特性變化測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)的內(nèi)力，是一種無(wú)損且非接觸量測(cè)方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉均勻性能起到較好的監(jiān)控，能將整束鋼絞線(xiàn)的終值張拉力控制在5%范圍內(nèi)，對(duì)今后同類(lèi)施工具有較好指導(dǎo)作用。同時(shí)該傳感器外形尺寸較小，便于施工測(cè)量。