磁電磁彈式索力計在椒江二橋監(jiān)測中的應(yīng)用

殷鵬雷

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

1 工程概況

椒江二橋及接線工程是浙江省及臺州市公路“十一五”建設(shè)規(guī)劃中的區(qū)域干線公路75省道改建跨越椒江的重要通道。本項目起點樁號為K62+294，終點樁號為K70+516，全長8.221 km，其中椒江二橋長約3702 m，本項目采用六車道一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為80 km/h，路基寬32 m，椒江二橋主跨寬39.5 m，引橋?qū)?7.5 m，主橋布跨:(70+140+480+140+70)m，為雙塔斜拉橋，上部結(jié)構(gòu)為鋼混凝土疊合梁，最深樁基長約130 m;橋涵設(shè)計荷載公路—Ⅰ級，大中小橋設(shè)計洪水頻率1/100，特大橋設(shè)計洪水頻率1/300。

主橋采用五跨連續(xù)漂浮體系，空間密索型布置;索塔與主梁間設(shè)置縱向限位阻尼約束裝置，橫向設(shè)抗風(fēng)支座傳遞風(fēng)荷載。約束裝置可以自由跟從主梁由于溫度變化、平均風(fēng)速和活載引起的緩慢移動，對結(jié)構(gòu)沒有約束，就像全漂浮體系一樣;對于縱橋向大風(fēng)作用，裝置利用行程限位功能(限位±300 mm)控制索塔和基礎(chǔ)受力;而剎車、陣風(fēng)和地震導(dǎo)致快速移動形成阻尼約束，使主梁快速停止振動。一個塔梁連接處安裝4個限位阻尼約束裝置，全橋共8個。

作為特大型跨江橋梁工程，2011年6月，為輔助大橋百年運營期的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測管養(yǎng)(以下簡稱“監(jiān)管”)需求，減少國家財產(chǎn)、人民生命發(fā)生重大損失的概率，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，實時掌控大橋的安全使用狀態(tài)，輔助大橋管養(yǎng)維護，建立椒江二橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，拉索是斜拉橋的核心構(gòu)件，是關(guān)鍵受力構(gòu)件之一，因而索力監(jiān)測是“健康監(jiān)測系統(tǒng)”中重要的組成部分。椒江二橋索力監(jiān)測采用磁電磁彈式索力智能監(jiān)測系統(tǒng)。

2 磁電磁彈式索力智能監(jiān)測系統(tǒng)基本原理和特點

1)磁電磁彈式索力傳感器磁通量法是測定索力、監(jiān)測拉索銹蝕的非破壞性方法，本實驗利用磁彈效應(yīng)通過磁特征量來標(biāo)定鋼纜索的受力情況是特定的。磁彈效應(yīng)，即在外力作用下，處于磁場中的鋼纜索磁特性發(fā)生變化。傳感器由勵磁線圈、測量線圈、磁電傳感器(ME)組成，勵磁線圈和測量線圈組成一類傳感器，勵磁線圈和ME組成二類傳感器。一類傳感器的測量過程為:通過為勵磁線圈提供一個脈沖磁場，將鋼纜索置于該脈沖磁場中，利用磁彈效應(yīng)，索力變化引起磁場的變化，所以利用電磁感應(yīng)原理，對測量線圈的感應(yīng)電壓信號進行數(shù)據(jù)采集和處理，可得到對應(yīng)的磁特征量，根據(jù)該磁特征量標(biāo)定鋼纜索的受力情況;二類傳感器中ME為智能磁電材料，該傳感器利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)直接將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號，因此二類傳感器的測量過程:通過為勵磁線圈提供一個脈沖磁場，將鋼纜索置于該脈沖磁場中，利用磁彈效應(yīng)，索力變化引起磁場的變化，因此對ME傳感器的電壓信號進行測量和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，可得到ME對應(yīng)的磁特征量，根據(jù)該磁特征量標(biāo)定鋼纜索的受力情況。傳感器有以下幾個特點:

a.磁電磁彈式傳感器與被測拉索無機械接觸，對拉索不產(chǎn)生損傷，是一種無損檢測技術(shù);

b.傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用過程中無磨損，使用壽命長;

c.傳感器安裝時不需對拉索進行表面處理，不破壞拉索的保護層;

d.不需要了解拉索的受力歷史便能實現(xiàn)對索力絕對值的監(jiān)測;

e.傳感器的測量精度高、響應(yīng)速度快、信噪比高、重復(fù)性好、易于安裝;

f.傳感器可以工廠預(yù)制、索廠標(biāo)定，也可現(xiàn)場制作，現(xiàn)場標(biāo)定。

傳感器分為 A型(EME)、B型(EM)和 AB型(EME-EM)傳感器三類。A型(EME)傳感器由勵磁線圈，磁電傳感器(ME)和線圈骨架組成;B型(EM)傳感器由勵磁線圈，測量線圈和線圈骨架組成;AB型(EME-EM)傳感器由勵磁線圈，測量線圈，磁電傳感器(ME)和線圈骨架組成。其中勵磁線圈產(chǎn)生勵磁場，測量線圈和磁電傳感器提供輸出信號。AB傳感器可同時進行兩種方式的索力測量，以便進行對比校核。椒江二橋選用AB型傳感器進行安裝測量(見圖1)。

2)磁電磁彈儀。磁電磁彈儀主要包括充電器、信號處理器、數(shù)據(jù)采集卡及微處理器。它發(fā)出勵磁信號并接收檢測信號，經(jīng)過信號處理，將索力測量結(jié)果貯存到磁電磁彈儀的內(nèi)存上。磁電磁彈儀可通過RS485與計算機相連以實現(xiàn)遠程操作(見圖2)。

3 運營期拉索實時監(jiān)控

為了監(jiān)測橋梁運營過程中拉索的使用狀態(tài)，以便為橋梁養(yǎng)護決策提供依據(jù)，安裝了磁電磁彈式傳感器進行長期監(jiān)測。由于椒江二橋拉索數(shù)量較多，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，選擇有代表性的幾根拉索進行監(jiān)控，并且選用振動法測頻率的方法與之相互校核，確保得到拉索真正的受力狀態(tài)。能正確反映拉索實際受力狀態(tài)，對整個大橋的使用狀態(tài)評估有重要的作用和意義。

3.1 傳感器索廠的標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

針對PES7-151型拉索，選用C115型的磁通量傳感器，由于拉索半徑較大，磁電磁彈式傳感器基本還沒有在工程實例中應(yīng)用過，因此傳感器的穩(wěn)定性和精度能否達到預(yù)期的期望值，對大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的整體運行有著重要的意義。磁電磁彈式傳感器在工廠內(nèi)制作好，在索廠制作拉索的過程中，安裝錨具之前先穿心套好。拉索出廠前超張拉過程中，根據(jù)國家測力傳感器有關(guān)規(guī)定進行標(biāo)定(見圖3)。

選取一根拉索標(biāo)定的數(shù)據(jù)進行如下分析，本根拉索成橋索力為3300 kN，因此選取2 600 kN～4 000 kN段進行標(biāo)定，可以滿足拉索正常使用受力狀態(tài)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。J8-3拉索標(biāo)定擬合曲線見圖4。

表1 J8-3拉索標(biāo)定數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論:拉索標(biāo)定時線圈、MEZJ2標(biāo)定結(jié)果的擬合相關(guān)系數(shù)均在95%以上，具有較高的擬合精度。兩類傳感器的擬合誤差均小于110 kN，擬合誤差相對值均小于5%，全量程誤差均小于3%，整體而言，ME的誤差小于線圈的誤差，擬合相關(guān)性系數(shù)大于線圈的擬合系數(shù)，即ME性能略優(yōu)于線圈，但兩者均能滿足正常運營期的正常使用。

改革開放40年中國社會經(jīng)濟的發(fā)展，是中國設(shè)計走向體系化、市場化，釋放自身能量的過程。然而，回憶過往，中國能夠建立全面、完整的工程設(shè)計體系，那些工程設(shè)計院（所）功不可沒。

3.2 拉索安裝過程的數(shù)據(jù)測量及分析

在拉索安裝過程中，通過比較張拉階段EME索力傳感器讀數(shù)、油壓表讀數(shù)和振動頻率法讀數(shù)的差別，校核椒江二橋上的四根斜拉索磁電磁彈式(EME)索力傳感器的有效性和可靠性。拉索張拉現(xiàn)場試驗見圖5。

對漳州索廠的四根拉索的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，得到測量線圈的擬合曲線f=680.85x+3332.8和ME傳感器的擬合曲線f=683.31+3324.8，以該公式作為拉索索力的測量線圈和ME傳感器的測量公式，利用該公式對椒江二橋現(xiàn)場張拉階段的索力進行測量，得出的數(shù)據(jù)見表2。

表2 拉索現(xiàn)場張拉測量數(shù)據(jù)

表3給出了測量線圈、ME索力傳感器和振動頻率讀數(shù)法的測量誤差和全程誤差相對值。其中:測量誤差err_1=(測量值-擬合值);全程誤差相對值err_2=［(測量值-擬合值)/4 000］。

表3 拉索現(xiàn)場張拉測量數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)語

通過磁電磁彈式智能監(jiān)測系統(tǒng)用于斜拉橋橋梁運營過程中長期監(jiān)測，得出如下結(jié)論:

1)基于磁彈效應(yīng)測量的磁通量傳感器測試?yán)魉髁κ且环N無損、非接觸測量方法，可用于施工監(jiān)控和運營期長期監(jiān)測，直接軸套使用，安裝方便簡單。

3)磁通量傳感器不受磁化飽和狀態(tài)的影響，但對材料的初始狀態(tài)敏感，使用時應(yīng)測量零應(yīng)力下的磁導(dǎo)率。

4)磁通量傳感器為絕對測量，修正溫度影響后，測量精確度一般為3%以內(nèi)，適于拉索的長期、實時監(jiān)控。