磁通量傳感器在海河大橋橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用
2015-04-23
海河大橋位于海河入?？谔帲赂鄞l和防潮閘內(nèi)側(cè)，現(xiàn)狀建有雙向四車道特大橋一座，橋?qū)?3米，橋梁起點位于海河南岸現(xiàn)狀海河大橋收費站處，終點止于新港二號路，與城區(qū)段高架橋相接，橋梁全長2030米，其中跨越海河主橋采用獨塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310米，具體跨徑布置為46+3×48+310米，主橋全長500米。兩側(cè)引橋為預(yù)應(yīng)力t梁。新建橋梁斜拉橋結(jié)構(gòu)采用與原橋基本相同、主塔與原橋塔對稱布置的單塔斜拉橋，具體跨徑布置為310+2×50+2×40米。
一、磁通量傳感器測量原理
當(dāng)鐵磁性材料受到外力作用時, 其內(nèi)部產(chǎn)生機械應(yīng)力或應(yīng)變, 相應(yīng)地引起磁化強度發(fā)生改變, 即產(chǎn)生磁彈性效應(yīng)。 通過建立磁化強度與應(yīng)力之間的關(guān)系, 能實現(xiàn)對鐵磁材料中的應(yīng)力進行檢測。一個可行的應(yīng)力檢測方法是在被測構(gòu)件上纏繞兩個線圈, 一個初級線圈, 一個次級線圈, 將被測材料作為線圈的鐵心進行測量。如果在初級線圈的兩端加一個交流激勵信號, 就會產(chǎn)生一個隨時間而變化的交變磁場, 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, 在次級線圈中就會產(chǎn)生一個感生電動勢:
vind( t ) =-n（1）
通過線圈的磁通量是沿著被測試件的方向。測試過程中,被測試件可能并未完全充滿線圈, 因此總的磁通量是由通過空氣的磁通量和通過試件的磁通量兩部分組成。感應(yīng)電壓為:
vind( t )= - n h(（2）
式中, 和 分別為線圈中被空氣和試件所占部分的表面積。 是空氣的磁導(dǎo)率。如果將感應(yīng)電壓對時間進行積分, 所得到的對時間進行平均的輸出電壓是：
vout= - inddt= [ + ds]（3）
式中,h 和b 分別是磁場強度和磁通量密度在時間間隔 ( t2 - t1 ) 中所發(fā)生的變化, 與此同時電流從 0增大到 i a 。與 ia 相應(yīng)的磁場強度是 h a , 應(yīng)測得磁場強度為 h a 時的磁導(dǎo)率。 如果線圈的匝數(shù)較多并且排列緊密, 則其內(nèi)的磁場幾乎是均 勻的, 有鐵心存在時也是如此。因此方程( 3)可以簡化為:
vout= ( ) ] （4）
式中, s 0是線圈的總的截面面積, sf是試件的截面面積, t是是rc電路的時間常數(shù)。在線圈中未放試件的情況下, 隨時間變化的輸出電壓的積分為:
v0=（5）
由方程（4）和方程（5）可得
= [1+ ( -1)] （6）
則相對磁導(dǎo)率
=1+ （ -1）（7）
擬合相對磁導(dǎo)率與索力( 或應(yīng)力) 的關(guān)系, 便可用來測量鐵磁 性材料的內(nèi)張力。
通量傳感器就是利用上述原理制成的, 其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示, 它由初級和次級兩層線圈組成。當(dāng)在初級線圈通入脈 沖電流時, 鐵磁材料被磁化, 會在鋼芯試件縱向產(chǎn)生脈沖磁場。由于相互感應(yīng), 在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓, 感應(yīng)電壓同施 加的磁通量成正比關(guān)系。對任一種鐵磁材料, 在試驗室進行幾 組應(yīng)力、溫度下的試驗, 建立磁導(dǎo)率變化與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度的關(guān) 系后, 即可用來測定用該種材料制造的構(gòu)件的內(nèi)力。
圖 1磁通量傳感器結(jié)構(gòu)簡圖
2 海河大橋磁通量傳感器應(yīng)用設(shè)計
海河大橋的主梁自重及汽車荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生疲勞和腐蝕損傷的結(jié)構(gòu)件，其壽命往往比橋梁其他構(gòu)件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構(gòu)件，起著牽一發(fā)動全身的作用，因此準(zhǔn)確及時掌握拉索的內(nèi)力及其變化特征至關(guān)重要。
為了監(jiān)測所里的變化，以及在斜拉索發(fā)生損傷時，能夠及時通過安裝索力監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測其變化，系統(tǒng)中對長、中、短索，都選擇部分斜拉索進行監(jiān)測。
拉索的索力可以采用基于動力法索力測試、光纖光柵智能索和磁通量傳感器等方法測試，其中振動法測索力技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，該方法對長索具有較好的精度，但對短索誤差較大；磁通量技術(shù)測試精度高，但造價較高、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)復(fù)雜，對傳輸線的要求較高；光纖光柵智能索可以較準(zhǔn)確地測量拉索的應(yīng)變，但成品索的制作和運輸要求較高，本方案采用磁通量傳感器監(jiān)測斜拉索索力，從而直接進行拉索的安全評定。全橋共計74根斜拉索，其中在24根索內(nèi)布置傳感器。
拉索索力分析：主要包括基于振動法的斜拉索索力識別，基于斜拉索索力和應(yīng)變監(jiān)測的斜拉索索力極值分析和疲勞損傷分析。根據(jù)斜拉索索力極值和疲勞損傷進行預(yù)警。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集制度采用閥值和定時兩種方式，本次設(shè)計為：在橋梁結(jié)構(gòu)運行的初期，采取24小時連續(xù)采用的策略；運行30天后，對數(shù)據(jù)進行分析，揭示橋梁結(jié)構(gòu)實際受力特點和規(guī)則，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的實際受力特點和規(guī)律，確定觸發(fā)采集系統(tǒng)的閥值和確定定時采集的具體時間段。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件、硬件、數(shù)據(jù)采集策略等幾個方面。該橋不是很長，信號衰減不明顯，因此，采用一個數(shù)據(jù)采集站進行數(shù)據(jù)的集中采集。數(shù)據(jù)采集站塔梁結(jié)合部位在主梁橋面上，為保證監(jiān)測儀器正常工作，必須保持24小時連續(xù)供電。
數(shù)據(jù)采集策略分為動態(tài)采集和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集制度需采用閥值和定時兩種方式，采樣頻率將根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果確定，但需保證數(shù)據(jù)具有間隔實時對應(yīng)關(guān)系。
數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗、結(jié)構(gòu)化存儲、管理、可視化以及對監(jiān)測采樣的控制等工作。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起到承前啟后的重要作用，其具有以下幾個工程：監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗；數(shù)據(jù)的初步分析；數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化以及存儲、查詢、可視化；能夠響應(yīng)后續(xù)功能模塊模塊對數(shù)據(jù)的請求；能夠控制傳感器子系統(tǒng)的采樣。
數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)總體構(gòu)成圖
結(jié)論：
在海河大橋的健康檢測中，全橋共計38組，每組2根，共76根斜拉索，在其中24根拉索上安裝磁通量傳感器，所有索力傳感器均安裝在錨下，其中，磁通量傳感器在索廠制作過程中安裝。磁通量傳感器安裝在拉索的下預(yù)埋管內(nèi)，選用整束式磁通量傳感器，直接套在索體外部。磁通量傳感器能有效監(jiān)測吊索安全。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以通過光纖傳輸?shù)胶：哟髽虮O(jiān)控室，大大減輕了橋梁管理人員的負(fù)擔(dān)，并為橋梁管理提供了數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心接收到實時數(shù)據(jù)后根據(jù)設(shè)置的預(yù)警閥值進行分級報警監(jiān)測。
