磁通量索力测量系统设计及其应用分析

李君

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司，广东 广州510500）

悬索桥拉索是支承型桥梁结构的核心构件，素来被人们称为悬索桥生命线，其实际使用状况直接关系到桥梁结构的正常使用和安全运营，关系到桥梁工程系统的可使用寿命，因此，对悬索桥拉索进行实时监测，及时了解拉索及桥梁工程服务状态的重要性不可忽视。利用磁通量索力监测系统，可有效观测支承型桥梁结构悬索拉力大小和判断悬索结构安全性、稳定性和运营可靠性。因此，本文对磁通量索力监测系统架构及其配置，甚至安装和修正方法的探讨与研究也就具备不可忽视的理论意义和现实价值。

1 磁通量索力测量系统整体架构

磁通量索力测量系统按传感器个数可分为单个传感器的磁通量索力测量系统拓扑结构和多个传感器的磁通量索力测量系统拓扑结构。其中，单个传感器的磁通量索力测量系统拓扑结构主要采取传感器传输线直接与磁弹仪端口连接的方式，利用磁弹仪（磁通量采集仪）对单个磁通量传感器进行测量或逐个测量，直作的磁弹仪实时获取并显示测量索力值，或者将磁弹仪通过串口与电脑相连，由配套采集软件实现对数据信息的自动采集。多个传感器的磁通量索力测量系统拓扑结构利用磁弹仪对多个级联磁通量传感器进行测量，磁通量传感器与开关集线箱相连，开关箱再与磁弹仪的数据端口和地址控制端口相连，直接操作磁弹仪实时获取并显示测量索力值，或者将磁弹仪通过有线或无线方式与远程电脑相连，由配套采集软件实现对数据信息的自动采集、分析、显示及存储，其架构如图1。

2 索力监测系统的配置

图1 多传感器磁通量索力测量系统拓扑结构

磁通量索力测量系统配置主要包括传感器选型和数据采集箱配置。就传感器选型而言，磁通量索力测量系统每根拉索均可安装一台磁通量传感器，也可只选择重要截面上的拉索安装传感器。在传感器与数据采集箱之间，往往需用专用信号线连接，并采取线管或线槽保护的方式保障连接线安全。传感器传输线的距离大多被控制在300 米以内，避免距离过长而使信号失真，以免数据不准确导致工程结构内力监测分析结果不科学。就数据采集箱配置而言，常用的数据采集箱规格包含8、16、24、32 和40 通道，传感器设计工程师按照通道整数倍扩展数据采集箱中的传感器数量，保证数据采集线收集到更多、更全的数据信息，确保工程构件内力监测的精确度。

3 传感器选型与安装

传感器是磁通量索力测量系统的重要组件，其选型与安装直接关系到磁通量索力测量系统工作的准确性与可靠性。一般而言，在磁通量索力测量系统中对传感器的选择往往借助外部构件外径确定传感器型号大小，要求传感器内径大于待检测构件的外径，且两者之差大致为3mm～10mm 左右，方便磁通量索力监测系统安装袖套。

安装磁通量索力测量系统传感器的过程中，传感器实际安装位置主要以桥梁工程结构为新建结构或使用运营中结构为判别标准。当桥梁工程为新建桥梁时，磁通量传感器往往需要在拉索制作过程中、未安装锚具前，在拉索上套装并利用拉索出厂前的超张拉工艺，进行配套标定，一般将传感器安装于拉索的下预埋管内或上预埋管内。针对运营使用中的桥梁工程结构，则直接在桥梁工程现场的索体上制作，根据桥梁工程结构特点，固定于拉索桥面的防水罩上方或固定于拉索桥上端防水罩的下方，该类安装方式大多需进一步安装保护罩对进行传感器保护。

首先，设计师应结合工程项目实际情况，考虑工程所在位置、构件特性以及工程使用情况等，进一步优化磁通量索力测量系统中传感器的初始设计过程，使传感器的型号选择、布线方式、数据采集箱位置设置和数据采集箱数量信息等设计更加科学合理，保证磁通量索力测量系统能够顺利达成实时监测工程结构构件内部应力的目的，为工程应用与改良提供数据支撑。其次，应考虑传感器生产周期，根据磁通量传感器生产周期约40 天的实际情况，严格把控磁通量索力监测系统安装与试运行节奏，杜绝出现影响工程结构正常使用的情形。再次，传感器安装与标定是保证磁通量索力监测系统传感器正常发挥功能的重要一步，因此，现场安装工程师应在制作工程构件结构拉索的过程中，在磁通量传感器未安装工程结构锚具前，将磁通量传感器及其配套设施一并套在拉索上，利用工程结构拉索出厂前的超张拉工艺，对磁通量传感器进行配套标定，保证磁通量传感器与工程结构拉索配套使用，完成监测整个构件内力的过程，图2 即为单根磁通量传感器用于监测平行钢绞线拉索索力的两种安装方式。在把磁通量传感器随工程构件拉索运往现场过程中，应在构件挂索后快速将磁通量传感器安装到预设定位置。在此过程中，通常将磁通量传感器放置于工程结构的预埋管内，借助预先留置的走向孔道，将传感器收集的数据信号从传感器设备引入数据采集箱设备，借助布线管道或线槽保护方式，保证传感器线路的走线安全。最后，对整个磁通量索力监测系统进行硬件调试和软件调试，确保构件内力监测准确科学。

图2 单根磁通量传感器用于监测平行钢绞线拉索索力的两种安装方式

4 系统采集数据及其修正方法

磁通量索力测量系统的数据采集包括离线式磁通量索力数据采集和在线式磁通量索力数据采集两大类。就离线式磁通量索力数据采集而言，该模式下的磁通量传感器测量系统基础配置设施主要包括磁通量传感器、开关集线箱、磁弹仪、数据传输线、布线管、仪器保护箱等，构成数据采集系统后根据传感器数量、分布情况等在桥梁上设置一个或多个数据采集箱，构成工程结构构件内力离线检测系统，在人工方式下定期采集数据信息，维护工程结构运行安全。

就在线式磁通量索力数据采集而言，该模式下的磁通量传感器测量系统基础配置设施不仅包含离线式磁通量索力数据采集系统的所有基础设施，更增加了数据传输系统和数据处理系统，以有线、无线或以太网传输方式实现对磁通量索力测量系统数据信息的实时传递与运输，实现对索力结构数据的实时在线监测，且该模式下的磁通量索力测量系统具有自动测量、异常预警等功能，能根据磁通量索力测量系统预设目标及工程运维需要自主设定采集时间、频率，操作简单，实时高效。

在采集磁通量索力测量系统数据的过程中，索力在线监测系统应作为桥梁工程结构安全监测系统的子系统，利用串口与上位机系统的连接通信，配合磁弹仪数据采集配套软件，辅以通信协议方式，保证索力在线监测系统时时刻刻供总系统调用，大幅度提升磁通量索力测量系统数据采集的准确度与可靠性。此外，磁通量索力测量系统也可采用自动化软件，利用通信技术与互联网技术，实现对数据信息的自动采集和定时采集，再将数据信息自动保存于数据库文件中，便于磁通量索力测量系统总处理中心对数据库文件进行直接调用，增强磁通量索力测量系统处理分析数据信息的能力。

5 实际应用与评价

在监测官塘大桥吊杆索力的过程中，由于官塘大桥实际施工复杂度高，困难较大，钢箱拱整体提升高度、整体提升重量、提升拱肋跨径等的难度较高，可谓是集三项“世界第一”于一体的大型桥梁工程，因此，为保证官塘大桥的顺利施工，施工团队在安装大桥全桥吊杆期间布设磁通量索力测量系统，利用磁通量传感器索力在线监测系统智能感知官塘大桥吊杆构件索力的实时变化，为大桥施工及后期安全运营提供了强有力数据支撑。

无独有偶，在监测西宁南北过境体外预应力加固项目的体外索过程中，该项目早在2011 年就已加固并安装体外索索力监测系统，利用磁通量索力测量系统连续监控工程构件有效预应力索力变化，明确预应力损失所导致的整桥线形变化值，借此为工程施工提供数据支持。通过磁通量索力测量系统，在2018 年及时发现该桥梁结构的索力损失值超10%，超允许挠度20%，应力监测结果如图3。因此，桥梁养护单位及时应对，在2019 年落实对体外预应力拉索的补张措施，改善整桥结构线形，高效消除了安全隐患，有效保障了大桥的正常运营。

图3 应力监测结果示意图

6 结论

总之，在利用磁通量索力测量系统对结构构件进行监测时，并不需要对待测构件表面进行处理，不会破坏结构构件原有防护层，非接触性测量模式结构简单，不会损害原有构件结构。同时，磁通量索力测量系统传感器维护成本较低，使用周期较长，耐老化、抗干扰能力较强，实际测量准确度较高，重复性良好，能借助自动测量和自动温度补偿等功能加强对工程结构构件的实时监控，更能与计算机系统相连，借助多通道数据采集和远程健康监测模式，为桥梁工程结构安全保驾护航。