基于磁通量傳感器技術的箱梁預應力監控研究

段躍華 伍圣華 卓海金 鄧年春

摘要：預應力混凝土梁通過張拉鋼絞線對梁預先施加匝應力，可以部分抵消梁在使用過程中產生的混凝土拉力，避免了混凝土裂縫過早出現。預應力筋張拉值的大小是控制預應力梁質量的關鍵之一。文章利用磁通量傳感技術，研制了CDC16型單根鋼絞線磁通量傳感器，對柳南高速公路擴建工程的預應力混凝土梁鋼絞線索力進行監測，并對鋼絞線索力的大小與均勻性進行精度測量研究。

關鍵詞：磁通量;傳感技術;預應力;鋼絞線

中圖分類號：U448.213 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.030

文章編號：1673-4874（2019）09-0103-04

0引言

預應力混凝土梁廣泛應用于我國公路和鐵路橋梁中，而預應力鋼束是保證預應力混凝土梁結構性能的重要因素。預應力鋼束由多根鋼絞線組成，通過在混凝土梁內合理布置并進行張拉發揮作用。在張拉預應力鋼束的過程中，若張拉實際值小于規定的設計值，則預應力混凝土梁結構性能達不到預期效果，甚至在使用過程中會出現嚴重裂縫;若張拉實際值大于規定的設計值范圍，則會對預應力混凝土梁本身結構造成一定的破壞并且會使受拉鋼絞線產生塑性變形，這也會影響混凝土梁的質量。由此可見，預應力鋼束張拉終值合適與否是控制其施工質量的關鍵因素之一。由于鋼絞線在張拉過程中，控制應力值達75%極限強度值比較高，而鋼絞線張拉過程是在鋼絞線穿束之后，安裝千斤頂和錨具進行整束張拉，并沒有對鋼絞線受力均勻性進行調整，鋼絞線一旦受力不均勻，可能會引起局部鋼絞線張拉應力過高而出現斷絲現象，或造成過大的預應力損失。本文通過磁通量傳感技術的工作特性，結合柳南高速公路擴建工程項目，研制出CDC16型單根鋼絞線磁通量傳感器，用于預應力混凝土梁鋼絞線索力監測，精準測量預應力鋼束張拉時索力大小與鋼束受力的均勻性。

1磁通量傳感器測量原理

鋼絞線是一種鐵磁性材料。當對鐵磁性材料施加外力作用時，其內部會產生應力和應變，相應的磁導率也會隨之變化。為此，通過測定材料的磁導率變化量，來測算出材料的內力，這就是磁通量傳感器的工作原理。它由初級線圈、次級線圈和溫度傳感器組成（見下頁圖1）。當初級線圈通入脈沖電流的瞬間，由于鐵磁性試件的存在，根據作用原理，次級線圈將產生瞬時電流，于是可測得一個瞬時電壓。鐵磁性材料的磁導率會直接影響到感應電壓的大小，而磁導率又與鐵芯試件的應力狀態相關聯，通過感應電壓與應力之間的關系實現測量。傳感器及試件的溫度可通過內置一個溫度傳感器進行修正，消除影響.

材料的磁化過程一般由磁場強度H和磁通量密度B之間的關系來描述：

B=μ·H

材料的磁化特性可通過磁感應原理研究，即在初級線圈上接通直流電，此時線圈周圍產生一個強度為H的磁場，被測材料中產生的磁通量密度為B。通過確定線圈中B和H的比值B/H，就可以計算出此時偏壓條件下的磁導率.直接測量磁通量或磁通量密度比較困難，可通過在初級線圈兩端加一個脈沖激勵信號，產生一個隨時間變化而變化的磁場，根據法拉第電磁感應定律：式中：μ——空氣的磁導率;

V——同一構件放置磁通量傳感器的感應

電壓;

V——磁通量傳感器通過空氣的感應電壓;

S——次級線圈包圍的截面面積;

S——試件的截面面積為常數。

相對磁導率為：

鋼絞線試件的相對磁導率增量μ與張拉力f的關系，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，通過試驗標定確定。

式（3）和式（4）即為測量公式。對于引起磁導率變化的溫度因素，可通過數值方法進行修正：

μ（f，T）=μ（f，T）-α（T-T） （5）

式中：T——測量時溫度;

T——計算力值時采用的標定溫度或標準溫度（20℃）;

μ（f，T）——標定溫度或標準溫度（20℃）下的磁導率增量;

μ（f，T）——測量溫度下的磁導率增量;

α——溫度補償系數.

在對構件進行測定時，傳感器的面積、構件的面積、傳感器空載值都為已知常量.由相對磁導率公式（3）可知，磁導率μ的變化與感應電壓V的變化成正比：

Δμ∞ΔV（6）

因此可直接用感應電壓的變化來擬合力值。感應電壓擬合曲線和磁導率的擬合曲線形狀類似，但系數不同。

磁通量傳感器在現場測試之前需進行編號并標定。標定在實驗室內張拉臺上進行，使用千斤頂對鋼絞線進行張拉，用2000標準負荷測量儀讀取鋼絞線拉力數值，磁彈儀測量感應電壓值，得到不同溫度、不同索力與感應電壓值的對應關系，即溫度-拉力-電壓曲線。將測量的數據進行三次方程擬合，計算出不同編號的感應電壓值的三次方程系數，保存每個感應電壓值的數據.現場測試時，將磁通量傳感器穿過待測鋼絞線上并緊固，使用磁彈儀量測感應電壓值，導出每個磁通量傳感器的數據進行計算即可測得現場鋼絞線受力情況.

2磁通量傳感器標定

2.1標定目的

待測構件選取φ15.24mm鋼絞線，在試驗中心5000kN實驗臺上進行張拉，建立鋼絞線不同拉力值與輸出感應電壓差值的對應關系，記錄數據并進行擬合，得出計算公式的系數。建立輸出感應電壓差值與構件內力的對應關系后，用來測量構件內力。

2.2 磁彈儀功能與特點

本試驗所采用的磁彈儀（見圖2）可直接測量出傳感器安裝點的溫度、構件感應電壓，由此計算并顯示構件內力。該磁彈儀的特點為：（1）直接測量構件信息;（2）屬于高精度的非接觸測量;（3）支持多通道傳感器測量;（4）自動溫度補償;（5）支持遠程測量和現場測量兩種模式，可獨立操作磁彈儀進行測量。

2.3 磁通量傳感器的特點

試驗使用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，內徑為16mm，外徑為28mm，高度為40mm，能穿過φ15.24mm的鋼絞線內進行測量。其技術參數為：（1）數據采集方式;（2）測量一次時間約為10S;（3）靜態測量;（4）最大接線長為傳感器與磁彈儀之間250m;（5）使用環境溫度為-40℃-80℃;（6）供電電源為AC110-240V，60/50HZ。

2.4試驗方法

如圖4所示，將CDC16磁通量傳感器編號為CDC16-1至CDC16-10傳感器，然后穿入φ15.24mm的鋼絞線內并固定。為避免磁通量傳感器在標定過程中的相互影響，兩傳感器間距離必須保持30cm以上.將鋼絞線穿入試驗張拉臺中，兩端安裝工具錨、千斤頂、壓力傳感器及2000標準負荷測量儀，將壓力傳感器作為標準傳感器并使用2000標準負荷測量儀進行讀數（如圖5所示）。電阻應變傳感器與油壓表共同控制張拉力值，從鋼絞線預緊狀態開始，將整個標定過程分為8級，每級30kN進行逐級張拉加載，同時記錄壓力傳感器讀數及磁彈儀感應電壓數據，根據記錄的數據進行擬合，得到擬合曲線。

2.5 標定結果

通過標定試驗分別得出CDC16-1-CDC16-10。傳感器磁通量傳感器的擬合系數表（見表1），傳感器CDC16-1、CDC16-2、CDC16-3號為典型的測量數據和擬合曲線（見表2-4和圖6-8）。

3 工程應用

預應力梁現場采用磁彈儀和磁通量傳感器，在預應力梁張拉前將傳感器安裝至梁內。安裝方法為：將傳感器套在鋼絞線上并固定在錨墊板內，外端安裝開槽的工作錨并將傳感器引線引出，引線端與磁彈儀連接。本次預應力箱梁索力檢測試驗通過橋梁預應力智能張拉系統進行張拉，張拉值為0%、10%、20%、100%。在開始測量前對磁彈儀進行調試，在張拉值為0%即還未開始張拉時用磁彈儀測量，并記錄數據，將所測得的積分值輸入磁彈儀中即完成調試，然后再進行張拉，測量張拉值為100%時的數據并記錄（見表5）。

從表5可以看出，預應力梁位置偏差分別為：左1#孔預應力鋼束中，標準偏差為9.6kN，占單根絞線破斷力的3.7%，總預應力張力偏差為-3.4%，單根測量力值偏差為9.5kN;左2#預應力鋼束中，標準偏差為9.4kN，占單根絞線破斷力的3.6%，總預應力張力偏差為2%，單根測量力值偏差為9.3kN。從上述可知，檢測結果表明最終控制張拉力在5%范圍內，控制結果正常。

4 結語

通過試驗和現場應用表明，CDC16傳感器通過感應構件的磁特性變化測量預應力筋張拉時的內力，是一種無損且非接觸量測方法，對預應力張拉均勻性能起到較好的監控，能將整束鋼絞線的終值張拉力控制在5%范圍內，對今后同類施工具有較好指導作用。同時該傳感器外形尺寸較小，便于施工測量。