磁通量傳感器在密閉高釩索索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

黃漢斌 尹超能 王雄彪 覃華橋 王波 林春蘭

摘? 要：密閉高釩索當(dāng)前已經(jīng)成為國內(nèi)新型建筑結(jié)構(gòu)的常用索，是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件，在其他工程領(lǐng)域也逐步推廣及應(yīng)用。為解決常規(guī)索力監(jiān)測(cè)技術(shù)在新型建筑結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索監(jiān)測(cè)的應(yīng)用局限性，本文針對(duì)密閉高釩索材料特性，設(shè)計(jì)適配的磁通量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可在密閉高釩索全生命周期中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握其索力變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索索力的長效監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：磁通量傳感器? 預(yù)應(yīng)力? 密閉高釩索? 索力監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（a）-0024-04

Application of magnetic flux sensor in cable force monitoring of closed high vanadium cable

HUANG Hanbin1? YIN Chaoneng1? WANG xiongbiao1? QIN Huaqiao1? WANG Bo1? LIN Chunlan2

（1.Liuzhou OVM Structure Monitoring Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China;2.Guangxi University of science and technology， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China）

Abstract： At present， the Sealed high vanadium cable has become the common cable in new building structures in China， and it is the main stress component in the prestressed structures， which is also gradually popularized and applied in other engineering fields. In order to solve the limitations of conventional cable force monitoring technology in the application of prestressed cable monitoring of new building structure，this paper designs an appropriate magnetic flux sensor and data acquisition system according to the material characteristics of closed high vanadium cable， which can grasp the cable force changes in real time and accurately in the whole life cycle of closed high vanadium cable， and realize the long-term monitoring goal of cable force.

Key Words： Magnetic flux sensor; Prestress; Sealed high vanadium cable; Cable force monitoring

隨著建筑預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的發(fā)展和材料的進(jìn)步，高釩索（GALFAN）作為一種新型預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)逐步普遍應(yīng)用于大跨度空間建筑結(jié)構(gòu)中。高釩索是95%鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層的拉索，外層鋼絲為Z型互相咬合達(dá)到密封效果的高釩索稱為密閉高釩索，具有外形美觀、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

密閉高釩索作為建筑結(jié)構(gòu)的核心受力構(gòu)件，其索力并不是一個(gè)恒定的值，而是受建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的多種因素的影響而變化的值，建筑結(jié)構(gòu)損傷也會(huì)通過索力表現(xiàn)出來。磁通量傳感器在索力測(cè)量中具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在鋼絞線、平行鋼絲拉索等常規(guī)索結(jié)構(gòu)中應(yīng)用成熟[2-3]，但在密閉高釩索索力監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用較少。因此，本文主要結(jié)合密閉高釩索結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適配的磁通量傳感器并試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)量精度，結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

1? 磁通量傳感器測(cè)量機(jī)制

1.1 磁通量傳感器測(cè)量原理

磁通量傳感器是基于磁彈效應(yīng)原理制成：當(dāng)鐵磁性材料（拉索）承受外界荷載作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變/應(yīng)力，相應(yīng)的引起其內(nèi)部的磁化強(qiáng)度（磁導(dǎo)率）發(fā)生改變，即產(chǎn)生磁彈效應(yīng)[4]，通過測(cè)量鐵磁性材料制成的構(gòu)件的磁導(dǎo)率變化，建立磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力之間的關(guān)系，最終測(cè)定鐵磁性材料的受力，磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型為[5]：

（1）

式中：表示磁化飽和狀態(tài)鐵磁性材料磁致伸縮系數(shù);表示無外力作用下鐵磁性材料的磁導(dǎo)率;表示磁化飽和狀態(tài)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

傳感器基本結(jié)構(gòu)見圖1，在初級(jí)線圈施加一個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)，即在被測(cè)構(gòu)件中產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間而變化的磁場[6]，同時(shí)在次級(jí)線圈中將會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓：

（2）

將感應(yīng)電壓對(duì)其在時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行積分換算后，可得被測(cè)構(gòu)件的相對(duì)磁導(dǎo)率為：

（3）

式中：表示被測(cè)構(gòu)件磁導(dǎo)率;表示空氣的磁導(dǎo)率;表示初級(jí)線圈截面積;表示被測(cè)構(gòu)件截面積;表示時(shí)間間隔內(nèi)的平均輸出電壓;表示被測(cè)構(gòu)件未放入初級(jí)線圈時(shí)的平均輸出電壓。

根據(jù)公式（3）利用實(shí)驗(yàn)室張拉標(biāo)定臺(tái)座，被測(cè)構(gòu)件進(jìn)行分級(jí)張拉實(shí)驗(yàn)，建立相對(duì)磁導(dǎo)率變化與被測(cè)構(gòu)件應(yīng)力關(guān)系[7-8]。

1.2 磁通量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁通量傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，傳感器套接在被測(cè)構(gòu)件外部，由內(nèi)向外分別是內(nèi)軸體、次級(jí)線圈、絕緣層、初級(jí)線圈和外套筒。以實(shí)際工程應(yīng)用密閉高釩索（φ96mm）為例，設(shè)計(jì)與其適配傳感器型號(hào)為CCT105，尺寸為（內(nèi)徑×外徑×高度）φ105mm×φ195mm×326mm。

1.2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采集軟件控制磁彈儀給數(shù)據(jù)集線柜發(fā)送通道選址指令，在選定通道傳感器的初級(jí)線圈接入一個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)，傳感器次級(jí)線圈同步輸出感應(yīng)電壓信號(hào)到磁彈儀中，隨后磁彈儀結(jié)合張拉標(biāo)定參數(shù)內(nèi)部計(jì)算得到實(shí)測(cè)索力值，最后通過通訊接口轉(zhuǎn)換模塊將索力值回傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)索力監(jiān)測(cè)。

1.2.3 傳感器張拉標(biāo)定測(cè)試

為研究設(shè)計(jì)磁通量傳感器的測(cè)試精度，張拉標(biāo)定測(cè)試采用與項(xiàng)目相同規(guī)格密閉高釩索（φ96mm）進(jìn)行，其理論最小破斷力≥9300kN，彈性模量（1.6±0.1）×105MPa。在張拉試驗(yàn)臺(tái)座上安裝完成密閉高釩索、磁通量傳感器、錨具、千斤頂和標(biāo)準(zhǔn)傳感器等設(shè)備和材料。

張拉過程中不同張拉分級(jí)下，拉索張拉力值與相對(duì)磁導(dǎo)率變化的對(duì)應(yīng)標(biāo)定曲線如圖4所示，曲線中擬合程度R2=0.9986，擬合曲線趨勢(shì)可靠性較高，反測(cè)最大相對(duì)誤差為3%。所設(shè)計(jì)磁通量傳感器應(yīng)用在被測(cè)構(gòu)件為密閉高釩索測(cè)量過程中，相對(duì)磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力相關(guān)性好，測(cè)量精度達(dá)到工程應(yīng)用需求。

2? 工程項(xiàng)目應(yīng)用

磁通量傳感器應(yīng)用于福建某大跨度人行懸索橋工程中，大橋?yàn)樽藻^式懸橋結(jié)構(gòu)，主纜采用φ96mm密閉高釩索，橋梁總寬4.4m，單跨跨度83m，塔高25m?，F(xiàn)場安裝如圖5所示，傳感器穿心式套接在拉索自由段，大橋主纜安裝1臺(tái)CCT105磁通量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索力值。

截取部分時(shí)程曲線如圖5所示，基于磁通量傳感器技術(shù)很好地監(jiān)測(cè)到隨著溫度變化實(shí)際拉索索力變化情況，能夠?yàn)閼宜鳂蛑骼|的健康狀態(tài)評(píng)估和科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

3? 結(jié)語

本文基于磁彈效應(yīng)的原理并結(jié)合密閉高釩索的材料特性，設(shè)計(jì)適配的磁通量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過張拉標(biāo)定測(cè)試驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的有效性，最終應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，結(jié)果證明該監(jiān)測(cè)技術(shù)可有效地應(yīng)用于新型建筑結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索的全生命周期的長效監(jiān)測(cè)中，具備較好的應(yīng)用前景。

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