磁通量傳感器在海河大橋橋梁健康監(jiān)測中的應用
2015-04-23
海河大橋位于海河入?？谔帲赂鄞l和防潮閘內側，現狀建有雙向四車道特大橋一座，橋寬23米，橋梁起點位于海河南岸現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。兩側引橋為預應力t梁。新建橋梁斜拉橋結構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
當鐵磁性材料受到外力作用時, 其內部產生機械應力或應變, 相應地引起磁化強度發(fā)生改變, 即產生磁彈性效應。 通過建立磁化強度與應力之間的關系, 能實現對鐵磁材料中的應力進行檢測。一個可行的應力檢測方法是在被測構件上纏繞兩個線圈, 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, 就會產生一個隨時間而變化的交變磁場, 根據法拉第電磁感應定律, 在次級線圈中就會產生一個感生電動勢:
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。 是空氣的磁導率。如果將感應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 相應的磁場強度是 h a , 應測得磁場強度為 h a 時的磁導率。 如果線圈的匝數較多并且排列緊密, 則其內的磁場幾乎是均 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。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）
則相對磁導率
=1+ （ -1）（7）
擬合相對磁導率與索力( 或應力) 的關系, 便可用來測量鐵磁 性材料的內張力。
通量傳感器就是利用上述原理制成的, 其結構如圖 1 所示, 它由初級和次級兩層線圈組成。當在初級線圈通入脈 沖電流時, 鐵磁材料被磁化, 會在鋼芯試件縱向產生脈沖磁場。由于相互感應, 在次級線圈中產生感應電壓, 感應電壓同施 加的磁通量成正比關系。對任一種鐵磁材料, 在試驗室進行幾 組應力、溫度下的試驗, 建立磁導率變化與結構應力、溫度的關 系后, 即可用來測定用該種材料制造的構件的內力。
圖 1磁通量傳感器結構簡圖
2 海河大橋磁通量傳感器應用設計
海河大橋的主梁自重及汽車荷載均由拉索承擔，拉索是特別容易產生疲勞和腐蝕損傷的結構件，其壽命往往比橋梁其他構件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構件，起著牽一發(fā)動全身的作用，因此準確及時掌握拉索的內力及其變化特征至關重要。
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應用比較廣泛，該方法對長索具有較好的精度，但對短索誤差較大；磁通量技術測試精度高，但造價較高、數據采集系統(tǒng)復雜，對傳輸線的要求較高；光纖光柵智能索可以較準確地測量拉索的應變，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變監(jiān)測的斜拉索索力極值分析和疲勞損傷分析。根據斜拉索索力極值和疲勞損傷進行預警。
3 數據采集系統(tǒng)
數據采集制度采用閥值和定時兩種方式，本次設計為：在橋梁結構運行的初期，采取24小時連續(xù)采用的策略；運行30天后，對數據進行分析，揭示橋梁結構實際受力特點和規(guī)則，根據橋梁結構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。
數據采集系統(tǒng)的設計考慮數據采集系統(tǒng)的總體構架、數據采集系統(tǒng)的軟件、硬件、數據采集策略等幾個方面。該橋不是很長，信號衰減不明顯，因此，采用一個數據采集站進行數據的集中采集。數據采集站塔梁結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。
數據采集策略分為動態(tài)采集和靜態(tài)數據采集，數據采集制度需采用閥值和定時兩種方式，采樣頻率將根據橋梁結構的計算結果確定，但需保證數據具有間隔實時對應關系。
數據處理與控制子系統(tǒng)完成監(jiān)測數據的校驗、結構化存儲、管理、可視化以及對監(jiān)測采樣的控制等工作。數據處理與控制子系統(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)測數據的校驗；數據的初步分析；數據的結構化以及存儲、查詢、可視化；能夠響應后續(xù)功能模塊模塊對數據的請求；能夠控制傳感器子系統(tǒng)的采樣。
數據處理與控制子系統(tǒng)總體構成圖
結論：
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埋管內，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)采集的數據可以通過光纖傳輸到海河大橋監(jiān)控室，大大減輕了橋梁管理人員的負擔，并為橋梁管理提供了數據。監(jiān)控中心接收到實時數據后根據設置的預警閥值進行分級報警監(jiān)測。
