磁电磁弹式索力计在椒江二桥监测中的应用

2013-12-31殷鹏雷

山西建筑 2013年20期

殷鹏雷

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

1 工程概况

椒江二桥及接线工程是浙江省及台州市公路“十一五”建设规划中的区域干线公路75省道改建跨越椒江的重要通道。本项目起点桩号为K62+294，终点桩号为K70+516，全长8.221 km，其中椒江二桥长约3702 m，本项目采用六车道一级公路技术标准，设计速度为80 km/h，路基宽32 m，椒江二桥主跨宽39.5 m，引桥宽37.5 m，主桥布跨:(70+140+480+140+70)m，为双塔斜拉桥，上部结构为钢混凝土叠合梁，最深桩基长约130 m;桥涵设计荷载公路—Ⅰ级，大中小桥设计洪水频率1/100，特大桥设计洪水频率1/300。

主桥采用五跨连续漂浮体系，空间密索型布置;索塔与主梁间设置纵向限位阻尼约束装置，横向设抗风支座传递风荷载。约束装置可以自由跟从主梁由于温度变化、平均风速和活载引起的缓慢移动，对结构没有约束，就像全漂浮体系一样;对于纵桥向大风作用，装置利用行程限位功能(限位±300 mm)控制索塔和基础受力;而刹车、阵风和地震导致快速移动形成阻尼约束，使主梁快速停止振动。一个塔梁连接处安装4个限位阻尼约束装置，全桥共8个。

作为特大型跨江桥梁工程，2011年6月，为辅助大桥百年运营期的桥梁结构安全监测管养(以下简称“监管”)需求，减少国家财产、人民生命发生重大损失的概率，避免灾难性事故的发生，实时掌控大桥的安全使用状态，辅助大桥管养维护，建立椒江二桥健康监测系统，拉索是斜拉桥的核心构件，是关键受力构件之一，因而索力监测是“健康监测系统”中重要的组成部分。椒江二桥索力监测采用磁电磁弹式索力智能监测系统。

2 磁电磁弹式索力智能监测系统基本原理和特点

1)磁电磁弹式索力传感器磁通量法是测定索力、监测拉索锈蚀的非破坏性方法，本实验利用磁弹效应通过磁特征量来标定钢缆索的受力情况是特定的。磁弹效应，即在外力作用下，处于磁场中的钢缆索磁特性发生变化。传感器由励磁线圈、测量线圈、磁电传感器(ME)组成，励磁线圈和测量线圈组成一类传感器，励磁线圈和ME组成二类传感器。一类传感器的测量过程为:通过为励磁线圈提供一个脉冲磁场，将钢缆索置于该脉冲磁场中，利用磁弹效应，索力变化引起磁场的变化，所以利用电磁感应原理，对测量线圈的感应电压信号进行数据采集和处理，可得到对应的磁特征量，根据该磁特征量标定钢缆索的受力情况;二类传感器中ME为智能磁电材料，该传感器利用压电效应和磁致伸缩效应直接将磁信号转化为电信号，因此二类传感器的测量过程:通过为励磁线圈提供一个脉冲磁场，将钢缆索置于该脉冲磁场中，利用磁弹效应，索力变化引起磁场的变化，因此对ME传感器的电压信号进行测量和相应的数据分析，可得到ME对应的磁特征量，根据该磁特征量标定钢缆索的受力情况。传感器有以下几个特点:

a.磁电磁弹式传感器与被测拉索无机械接触，对拉索不产生损伤，是一种无损检测技术;

b.传感器结构简单，使用过程中无磨损，使用寿命长;

c.传感器安装时不需对拉索进行表面处理，不破坏拉索的保护层;

d.不需要了解拉索的受力历史便能实现对索力绝对值的监测;

e.传感器的测量精度高、响应速度快、信噪比高、重复性好、易于安装;

f.传感器可以工厂预制、索厂标定，也可现场制作，现场标定。

传感器分为 A型(EME)、B型(EM)和 AB型(EME-EM)传感器三类。A型(EME)传感器由励磁线圈，磁电传感器(ME)和线圈骨架组成;B型(EM)传感器由励磁线圈，测量线圈和线圈骨架组成;AB型(EME-EM)传感器由励磁线圈，测量线圈，磁电传感器(ME)和线圈骨架组成。其中励磁线圈产生励磁场，测量线圈和磁电传感器提供输出信号。AB传感器可同时进行两种方式的索力测量，以便进行对比校核。椒江二桥选用AB型传感器进行安装测量(见图1)。

2)磁电磁弹仪。磁电磁弹仪主要包括充电器、信号处理器、数据采集卡及微处理器。它发出励磁信号并接收检测信号，经过信号处理，将索力测量结果贮存到磁电磁弹仪的内存上。磁电磁弹仪可通过RS485与计算机相连以实现远程操作(见图2)。

3 运营期拉索实时监控

为了监测桥梁运营过程中拉索的使用状态，以便为桥梁养护决策提供依据，安装了磁电磁弹式传感器进行长期监测。由于椒江二桥拉索数量较多，根据结构受力特点，选择有代表性的几根拉索进行监控，并且选用振动法测频率的方法与之相互校核，确保得到拉索真正的受力状态。能正确反映拉索实际受力状态，对整个大桥的使用状态评估有重要的作用和意义。

3.1 传感器索厂的标定数据分析

针对PES7-151型拉索，选用C115型的磁通量传感器，由于拉索半径较大，磁电磁弹式传感器基本还没有在工程实例中应用过，因此传感器的稳定性和精度能否达到预期的期望值，对大桥健康监测系统的整体运行有着重要的意义。磁电磁弹式传感器在工厂内制作好，在索厂制作拉索的过程中，安装锚具之前先穿心套好。拉索出厂前超张拉过程中，根据国家测力传感器有关规定进行标定(见图3)。

选取一根拉索标定的数据进行如下分析，本根拉索成桥索力为3300 kN，因此选取2 600 kN～4 000 kN段进行标定，可以满足拉索正常使用受力状态测量数据的准确性。J8-3拉索标定拟合曲线见图4。

表1 J8-3拉索标定数据

根据表1数据分析得出如下结论:拉索标定时线圈、MEZJ2标定结果的拟合相关系数均在95%以上，具有较高的拟合精度。两类传感器的拟合误差均小于110 kN，拟合误差相对值均小于5%，全量程误差均小于3%，整体而言，ME的误差小于线圈的误差，拟合相关性系数大于线圈的拟合系数，即ME性能略优于线圈，但两者均能满足正常运营期的正常使用。

改革开放40年中国社会经济的发展，是中国设计走向体系化、市场化，释放自身能量的过程。然而，回忆过往，中国能够建立全面、完整的工程设计体系，那些工程设计院（所）功不可没。