磁通量索力測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用分析

李君

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司，廣東 廣州510500）

懸索橋拉索是支承型橋梁結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)件，素來被人們稱為懸索橋生命線，其實(shí)際使用狀況直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和安全運(yùn)營，關(guān)系到橋梁工程系統(tǒng)的可使用壽命，因此，對懸索橋拉索進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時了解拉索及橋梁工程服務(wù)狀態(tài)的重要性不可忽視。利用磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)，可有效觀測支承型橋梁結(jié)構(gòu)懸索拉力大小和判斷懸索結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性和運(yùn)營可靠性。因此，本文對磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及其配置，甚至安裝和修正方法的探討與研究也就具備不可忽視的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 磁通量索力測量系統(tǒng)整體架構(gòu)

磁通量索力測量系統(tǒng)按傳感器個數(shù)可分為單個傳感器的磁通量索力測量系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多個傳感器的磁通量索力測量系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，單個傳感器的磁通量索力測量系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采取傳感器傳輸線直接與磁彈儀端口連接的方式，利用磁彈儀（磁通量采集儀）對單個磁通量傳感器進(jìn)行測量或逐個測量，直作的磁彈儀實(shí)時獲取并顯示測量索力值，或者將磁彈儀通過串口與電腦相連，由配套采集軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的自動采集。多個傳感器的磁通量索力測量系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用磁彈儀對多個級聯(lián)磁通量傳感器進(jìn)行測量，磁通量傳感器與開關(guān)集線箱相連，開關(guān)箱再與磁彈儀的數(shù)據(jù)端口和地址控制端口相連，直接操作磁彈儀實(shí)時獲取并顯示測量索力值，或者將磁彈儀通過有線或無線方式與遠(yuǎn)程電腦相連，由配套采集軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的自動采集、分析、顯示及存儲，其架構(gòu)如圖1。

2 索力監(jiān)測系統(tǒng)的配置

圖1 多傳感器磁通量索力測量系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

磁通量索力測量系統(tǒng)配置主要包括傳感器選型和數(shù)據(jù)采集箱配置。就傳感器選型而言，磁通量索力測量系統(tǒng)每根拉索均可安裝一臺磁通量傳感器，也可只選擇重要截面上的拉索安裝傳感器。在傳感器與數(shù)據(jù)采集箱之間，往往需用專用信號線連接，并采取線管或線槽保護(hù)的方式保障連接線安全。傳感器傳輸線的距離大多被控制在300 米以內(nèi)，避免距離過長而使信號失真，以免數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測分析結(jié)果不科學(xué)。就數(shù)據(jù)采集箱配置而言，常用的數(shù)據(jù)采集箱規(guī)格包含8、16、24、32 和40 通道，傳感器設(shè)計(jì)工程師按照通道整數(shù)倍擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集箱中的傳感器數(shù)量，保證數(shù)據(jù)采集線收集到更多、更全的數(shù)據(jù)信息，確保工程構(gòu)件內(nèi)力監(jiān)測的精確度。

3 傳感器選型與安裝

傳感器是磁通量索力測量系統(tǒng)的重要組件，其選型與安裝直接關(guān)系到磁通量索力測量系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性與可靠性。一般而言，在磁通量索力測量系統(tǒng)中對傳感器的選擇往往借助外部構(gòu)件外徑確定傳感器型號大小，要求傳感器內(nèi)徑大于待檢測構(gòu)件的外徑，且兩者之差大致為3mm～10mm 左右，方便磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)安裝袖套。

安裝磁通量索力測量系統(tǒng)傳感器的過程中，傳感器實(shí)際安裝位置主要以橋梁工程結(jié)構(gòu)為新建結(jié)構(gòu)或使用運(yùn)營中結(jié)構(gòu)為判別標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)橋梁工程為新建橋梁時，磁通量傳感器往往需要在拉索制作過程中、未安裝錨具前，在拉索上套裝并利用拉索出廠前的超張拉工藝，進(jìn)行配套標(biāo)定，一般將傳感器安裝于拉索的下預(yù)埋管內(nèi)或上預(yù)埋管內(nèi)。針對運(yùn)營使用中的橋梁工程結(jié)構(gòu)，則直接在橋梁工程現(xiàn)場的索體上制作，根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，固定于拉索橋面的防水罩上方或固定于拉索橋上端防水罩的下方，該類安裝方式大多需進(jìn)一步安裝保護(hù)罩對進(jìn)行傳感器保護(hù)。

首先，設(shè)計(jì)師應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮工程所在位置、構(gòu)件特性以及工程使用情況等，進(jìn)一步優(yōu)化磁通量索力測量系統(tǒng)中傳感器的初始設(shè)計(jì)過程，使傳感器的型號選擇、布線方式、數(shù)據(jù)采集箱位置設(shè)置和數(shù)據(jù)采集箱數(shù)量信息等設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，保證磁通量索力測量系統(tǒng)能夠順利達(dá)成實(shí)時監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力的目的，為工程應(yīng)用與改良提供數(shù)據(jù)支撐。其次，應(yīng)考慮傳感器生產(chǎn)周期，根據(jù)磁通量傳感器生產(chǎn)周期約40 天的實(shí)際情況，嚴(yán)格把控磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)安裝與試運(yùn)行節(jié)奏，杜絕出現(xiàn)影響工程結(jié)構(gòu)正常使用的情形。再次，傳感器安裝與標(biāo)定是保證磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)傳感器正常發(fā)揮功能的重要一步，因此，現(xiàn)場安裝工程師應(yīng)在制作工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)拉索的過程中，在磁通量傳感器未安裝工程結(jié)構(gòu)錨具前，將磁通量傳感器及其配套設(shè)施一并套在拉索上，利用工程結(jié)構(gòu)拉索出廠前的超張拉工藝，對磁通量傳感器進(jìn)行配套標(biāo)定，保證磁通量傳感器與工程結(jié)構(gòu)拉索配套使用，完成監(jiān)測整個構(gòu)件內(nèi)力的過程，圖2 即為單根磁通量傳感器用于監(jiān)測平行鋼絞線拉索索力的兩種安裝方式。在把磁通量傳感器隨工程構(gòu)件拉索運(yùn)往現(xiàn)場過程中，應(yīng)在構(gòu)件掛索后快速將磁通量傳感器安裝到預(yù)設(shè)定位置。在此過程中，通常將磁通量傳感器放置于工程結(jié)構(gòu)的預(yù)埋管內(nèi)，借助預(yù)先留置的走向孔道，將傳感器收集的數(shù)據(jù)信號從傳感器設(shè)備引入數(shù)據(jù)采集箱設(shè)備，借助布線管道或線槽保護(hù)方式，保證傳感器線路的走線安全。最后，對整個磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，確保構(gòu)件內(nèi)力監(jiān)測準(zhǔn)確科學(xué)。

圖2 單根磁通量傳感器用于監(jiān)測平行鋼絞線拉索索力的兩種安裝方式

4 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及其修正方法

磁通量索力測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集包括離線式磁通量索力數(shù)據(jù)采集和在線式磁通量索力數(shù)據(jù)采集兩大類。就離線式磁通量索力數(shù)據(jù)采集而言，該模式下的磁通量傳感器測量系統(tǒng)基礎(chǔ)配置設(shè)施主要包括磁通量傳感器、開關(guān)集線箱、磁彈儀、數(shù)據(jù)傳輸線、布線管、儀器保護(hù)箱等，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后根據(jù)傳感器數(shù)量、分布情況等在橋梁上設(shè)置一個或多個數(shù)據(jù)采集箱，構(gòu)成工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力離線檢測系統(tǒng)，在人工方式下定期采集數(shù)據(jù)信息，維護(hù)工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

就在線式磁通量索力數(shù)據(jù)采集而言，該模式下的磁通量傳感器測量系統(tǒng)基礎(chǔ)配置設(shè)施不僅包含離線式磁通量索力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有基礎(chǔ)設(shè)施，更增加了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以有線、無線或以太網(wǎng)傳輸方式實(shí)現(xiàn)對磁通量索力測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時傳遞與運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)對索力結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時在線監(jiān)測，且該模式下的磁通量索力測量系統(tǒng)具有自動測量、異常預(yù)警等功能，能根據(jù)磁通量索力測量系統(tǒng)預(yù)設(shè)目標(biāo)及工程運(yùn)維需要自主設(shè)定采集時間、頻率，操作簡單，實(shí)時高效。

在采集磁通量索力測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的過程中，索力在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)作為橋梁工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的子系統(tǒng)，利用串口與上位機(jī)系統(tǒng)的連接通信，配合磁彈儀數(shù)據(jù)采集配套軟件，輔以通信協(xié)議方式，保證索力在線監(jiān)測系統(tǒng)時時刻刻供總系統(tǒng)調(diào)用，大幅度提升磁通量索力測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度與可靠性。此外，磁通量索力測量系統(tǒng)也可采用自動化軟件，利用通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的自動采集和定時采集，再將數(shù)據(jù)信息自動保存于數(shù)據(jù)庫文件中，便于磁通量索力測量系統(tǒng)總處理中心對數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行直接調(diào)用，增強(qiáng)磁通量索力測量系統(tǒng)處理分析數(shù)據(jù)信息的能力。

5 實(shí)際應(yīng)用與評價(jià)

在監(jiān)測官塘大橋吊桿索力的過程中，由于官塘大橋?qū)嶋H施工復(fù)雜度高，困難較大，鋼箱拱整體提升高度、整體提升重量、提升拱肋跨徑等的難度較高，可謂是集三項(xiàng)“世界第一”于一體的大型橋梁工程，因此，為保證官塘大橋的順利施工，施工團(tuán)隊(duì)在安裝大橋全橋吊桿期間布設(shè)磁通量索力測量系統(tǒng)，利用磁通量傳感器索力在線監(jiān)測系統(tǒng)智能感知官塘大橋吊桿構(gòu)件索力的實(shí)時變化，為大橋施工及后期安全運(yùn)營提供了強(qiáng)有力數(shù)據(jù)支撐。

無獨(dú)有偶，在監(jiān)測西寧南北過境體外預(yù)應(yīng)力加固項(xiàng)目的體外索過程中，該項(xiàng)目早在2011 年就已加固并安裝體外索索力監(jiān)測系統(tǒng)，利用磁通量索力測量系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控工程構(gòu)件有效預(yù)應(yīng)力索力變化，明確預(yù)應(yīng)力損失所導(dǎo)致的整橋線形變化值，借此為工程施工提供數(shù)據(jù)支持。通過磁通量索力測量系統(tǒng)，在2018 年及時發(fā)現(xiàn)該橋梁結(jié)構(gòu)的索力損失值超10%，超允許撓度20%，應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖3。因此，橋梁養(yǎng)護(hù)單位及時應(yīng)對，在2019 年落實(shí)對體外預(yù)應(yīng)力拉索的補(bǔ)張措施，改善整橋結(jié)構(gòu)線形，高效消除了安全隱患，有效保障了大橋的正常運(yùn)營。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果示意圖

6 結(jié)論

總之，在利用磁通量索力測量系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測時，并不需要對待測構(gòu)件表面進(jìn)行處理，不會破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件原有防護(hù)層，非接觸性測量模式結(jié)構(gòu)簡單，不會損害原有構(gòu)件結(jié)構(gòu)。同時，磁通量索力測量系統(tǒng)傳感器維護(hù)成本較低，使用周期較長，耐老化、抗干擾能力較強(qiáng)，實(shí)際測量準(zhǔn)確度較高，重復(fù)性良好，能借助自動測量和自動溫度補(bǔ)償?shù)裙δ芗訌?qiáng)對工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)時監(jiān)控，更能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，借助多通道數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程健康監(jiān)測模式，為橋梁工程結(jié)構(gòu)安全保駕護(hù)航。