基于磁通量法的大跨度斜拉桥索力监测系统设计——以埃及某斜拉桥项目为例

彭渝舒 韦元学 章 粒

（柳州欧维姆结构检测技术有限公司， 广西 柳州 545005）

0 引言

对于斜拉桥结构，拉索钢丝的应力松弛、主梁及索塔混凝土的收缩徐变、气候的变化、斜拉索的风致振动等因素，都会对整个桥梁结构产生影响，其外在反映最突出的表现是拉索索力重新分配，并导致主梁线形发生变化，索力变化也会使主梁及索塔产生二次内力。尤其在成桥之后的数年时间内，其变化情况更为显著。因此，斜拉索索力通常是用来评估拉索是否正常工作、桥梁运营状态是否正常合理的关键参数，在桥梁建设期和正常运营期，拉索索力的准确测量非常重要。

在桥梁运营期建立的桥梁索力监测系统，由于传感器为后安装方式，监测的数值多为索力相对变化量，因此在结构健康评估系统中需要更为精确和复杂的模型计算和分析。在桥梁建设初期组建索力监测系统，建立建设期索力监测数据与施工监测数据、成桥试验数据的关系，使索力监测数据在一定程度上转换成绝对值，这对拉索结构健康状态的评估是有科学意义的。

1 索力监测系统设计

1.1 设计背景

项目斜拉桥位于埃及首都开罗舒卜拉区，是埃及第一座自主设计和施工的斜拉桥。大桥跨径布置为（3×40+300+3×40）m，桥梁设计为双幅七跨连续叠合梁混合结构，边跨为单箱五室钢筋混凝土梁，中跨为双工字钢组合梁结构。

大桥两个主塔均为双H型混凝土塔柱，中间塔柱合为一整体，主塔桥面以上高度为76 m。斜拉索为四索面结构，采用OVM250平行环氧钢绞线斜拉索，斜拉索张拉端位于主塔上，梁端为固定端。每个主塔设有10对拉索，全桥共160束拉索，斜拉索采用环氧涂层钢绞线，强度等级1860 MPa。

大桥的钢绞线斜拉索采用“逐根张拉， 逐根锚固”的方法挂设，施工时其索力控制需要使张拉完成时，整束斜拉索的索力达到目标索力的要求，同时使各根钢绞线的索力满足均匀性的要求。同时需要在大桥运营期，能持续获取大桥索力，为管养单位提供科学的、长期的索力数据。因此，需要为大桥设计一种索力监测系统，同时将监测系统的设计及实施与桥梁主体设计、施工同步进行，使索力监测系统在大桥的结构健康监测与评估工作中发挥更重要的作用。

1.2 设计方案

目前常用的索力监测方法包括压力传感器法、磁通量传感器法以及振动频率法等。这些测试方法的原理和特点各不相同，可分为直接法和间接法。

直接法（压力传感器法）传力路径明确，测试精度较高，但受材料变形、传递失真影响，精度和耐久性无法同时保证，在受力状态下无法更换或重新校准，拉索尺寸较大时传感器吨位也大，综合成本高，因此传统的压力传感器对长期监测有一定的局限性。间接法（磁通量传感器法、振动频率法）通过测量斜拉索结构受力后的响应来推算索力，克服了直接法测量索力时存在的问题。振动频率法通过传统吸附式加速度传感器，获得斜拉索在环境振动激励下的振动信号，根据频谱图确定斜拉索的自振频率后，通过索力与斜拉索自振频率间的对应关系获得索力。毛建平等人通过来宾永鑫大桥施工监控项目，提出采用压力传感器测试单根钢绞线张拉力的均匀性，并对频率法测试索力的影响因素进行分析和修正，提出采用频率法测试整束索力的监控方法。磁通量法是将斜拉索本身作为传感器的铁芯，并在其外部穿套能形成特殊磁场的传感器，通过建立缆索磁特性与其所受张力之间的内在关系，检测传感器输出信号，从而完成缆索索力测量的一种方法。

由于该项目位于海外，拉索使用钢绞线拉索体系，其成桥后的拉索还将安装外护套、减振器等构件，这些都将影响拉索的振动信号，若使用振动频率法，索力系统还需要更为复杂的建模分析确定边界条件，以进行索力计算和结构分析。

磁通量传感器为套筒式结构，在出厂前就已安装固定在锚具内，不直接接触拉索，测量环境稳定，同时传感器为套筒式结构，不受拉力、振动等外界环境影响，传感器使用寿命可以与拉索体系一致。因此，从传感器安装便捷性、测量稳定性及系统维护性、耐久性等方面综合考虑，该项目斜拉桥选择磁通量法组建索力监测系统。

1.3 磁通量传感技术原理

磁通量索力传感器如图1所示，传感器由初级线圈和次级线圈组成，被测缆索作为磁芯，线圈与被测构件同轴，次级线圈位于初级线圈的中心。初级线圈也称激励线圈，当有电流通过时，产生磁场，磁化被测构件。次级线圈也称为感应线圈，感受由磁场变化而引起的磁通量变化，并转换成感应电压。

图1 磁通量索力传感器结构

根据电磁感应定理，如果在激励线圈中通过电流，就会产生一个强度为的磁场，同时在被测构件中产生磁感应强度或者磁通量密度，感应线圈中的磁通量如公式（1）所示。

式中：为真空磁导率；μ为被测构件的相对磁导率；为磁通量密度；为被测构件的横截面积；为激励电流；为磁场强度；为激励线圈匝数。当磁通量随时间变化时，对式（1）进行微分，即可在感应线圈中得到感应电压U。

式中：为感应线圈匝数。从式（2）可知，当激励电流为直流信号时，式（2）右边第二项为0，则：

但应力引起被测构件相对磁导率μ随时间的变化无法预知，导致感应电压无法测定，因此激励电流不能为直流方式，只能为交变方式。当激励为交变电流时，可采用如图2所示的双向脉冲交流激励方式。

图2 磁通量测力的双向脉冲激励结构

当激励电流是双向脉冲信号时，微分后得一瞬时电压，不易测量，因此对感应电压进行积分，转换成积分电压进行测量。不同拉应力下，积分电压不同。

式（4）反映了缆索钢构件材料的相对磁导率μ、线圈结构参数和构件截面积与感应线圈输出电压U、的关系，并不能直接反应缆索所受拉应力大小。因此，在利用式（4）的测量结果反推缆索的受力大小时，还必须在实验室对被测的拉索进行拉应力试验标定，通过试验数据进行曲线拟合，建立输出电压与拉应力的关系。在此基础上，可利用式或进一步掌握缆索所受拉伸应力与相对磁导率、矫顽力等材料磁特性参数的关系（图3）。

图3 缆索拉力与磁特性参关系

2 项目斜拉桥索力监测系统介绍

系统主要由传感器子系统、数据采集与传输子系统、索力监测软件系统组成，由于该系统为离线索力监测系统，因此采用的是定时或人工定期检测的方式进行索力数据采集和管理，单塔（即1/2系统）系统架构图如图4所示。

图4 （1/2）索力系统架构图

2.1 传感器子系统

该项目斜拉桥共有55孔、61孔、73孔、91孔、109孔及127孔7种规格的锚具，以传感器的引出数据线不影响锚具结构，同时考虑经济性最优，项目选择在拉索锚具内安装3台磁通量传感器。传感器安装示意图如图5和图6所示。

图5 73孔锚具传感器安装设计图

图6 91孔锚具传感器安装实物图

由于梁端安装了防护系统，因此将磁通量传感器安装在塔端张拉端锚头里面，如图7所示。拉索索力直接影响到斜拉桥主梁的线形分布及大桥正常安全运营，考虑到各拉索长度不一、各索力不均匀的特点，且需满足大桥施工、养护管理和运营的需要，在每束拉索上均布置磁通量传感器测点，全桥160束拉索，共布置480台磁通量传感器。

图7 磁通量传感器安装示意图

2.2 数据采集与传输子系统

为便于调试及运营期使用，索力采集站设计布置在桥面桥塔内。将数据采集与传输系统设计为星型拓扑结构，星型拓扑结构的优点是：结构简单，便于管理。对于采集主站这一中央节点来说，其中一个采集子站或者某个采集子站中的一个传感器测点故障，都不会影响其余测点（采集子站）的正常工作。同时可以根据拉索施工时间，对已完成张拉索的传感器提前进行数据传输子系统集成，缩短整个索力系统的施工周期，节约人工和时间成本。

两座桥塔的索力采集系统架构一致，单塔索力采集系统架构如图8所示。上横梁布置数据采集子站，集成该侧塔柱拉索（面）所有传感器数据，实现对传感器多路通道自动切换，每座桥塔布置4台，每台数据采集子站控制60台磁通量传感器数据采集和传输；桥面布置数据采集主站，集成该塔的数据采集子站数据，每座桥塔布置1台，采集主站内布置一台索力采集仪—磁弹仪，对接入的4台数据采集子站的240台传感器进行巡检式索力测量。

图8 单塔索力采集系统架构图

数据采集主站内预留系统接口，可为后期系统升级或接入其他监测系统使用。

2.3 索力监测软件

数据存储与管理子系统通过索力监测软件（安装在客户端的计算机或笔记本电脑内），实现对斜拉桥索力监测数据的定时采集、存储、分析预警等功能，如图9所示。

图9 索力监测软件功能模块组成

软件基于LabWindows/CVI开发实现，其运行的操作系统平台为WIN7/WIN10。软件可以设置数据定时/实时采集，数据存储至客户端。软件的定时采集类型：周期一般为分钟级，可结合物理量自身特点及发展变化趋势进行弹性设置。软件在设置预警阈值后，对超过阈值的索力数据将进行红色预警。预警阈值是区分结构状态及桥梁运营安全的重要标志，阈值的设置应综合结构状态受力理论分析、荷载试验检定结果、过去一段时间数据统计特征、桥梁设计及检定要求等因素进行综合考虑，系统预警阈值应设置合理，系统初期阈值设置大于设计值或0.95倍设计值时进行红色预警，后期通过对桥梁一段时间状态的跟踪分析，适时调整阈值，避免因阈值设置不合理带来的无效预警或遗漏预警，并结合结构整体内力和线形计算、测量数据，进行索体结构状态评估。

3 索力监测系统的实际工程应用

3.1 索力监测系统搭建过程介绍

在预埋了磁通量传感器的钢绞线拉索安装后，将进行传感器初值测量。在该孔位钢绞线完成张拉，以及该束拉索整体张拉或索力调整以及大桥合龙、桥面铺装等关键阶段，均进行索力通测，测量范围包括当前安装的拉索、前期已安装的拉索。最后在桥梁主体工程基本完成后，进行系统集成和系统调试，索力系统的试运行期为1个月。施工的组建流程如图10所示。

图10 索力监测系统搭建及索力测量过程

3.2 传感器的安装调试与索力测量

以桥2的边跨6号索为例（位置见图11）,拉索规格为OVM250-64。其安装的三台磁通量传感器编号为1#、2#、3#，安装孔位对应张拉次序分别为第27、第31、第35，如图12所示，磁通量传感器在拉索安装时进行零值校核，采用手持磁弹仪进行单点传感器测量。根据等张施工法的特点，理论上每根钢绞线的受力都是一致的，这时，以这3个传感器测得力值的算术平均值乘以钢绞线总根数得出整束斜拉索的力值。

图11 6号拉索位置示意

图12 单根张拉试验张拉次序图（图示数字为张拉次序）

为检验磁通量索力测量准确度，将首根张拉的钢绞线作为基准钢绞线，在上面安装30 T单孔压力传感器，对钢绞线进行单根张拉力测试。每张拉一根钢绞线，均测量第一根钢绞线上的压力传感器力值，使在最后一根钢绞线张拉后，第一根钢绞线压力值的离散误差不大于设计目标值的2%。最后一根（第64）钢绞线张拉完成后，第一根钢绞线索力值为76 kN。试验数据见表1。

表1 单根张拉试验磁通量传感器测量值

通过单根张拉试验，证明每根钢绞线索力均匀性较好，测量得到的磁通量传感器索力值与基准钢绞线的压力传感器测量值、油表拉拔力、设计力值吻合。

3.3 索力系统调试与测量

在桥梁拉索及其他主体结构施工完成后，进行索力传输系统布设及相关系统集成。系统集成后，R2-BR2-N-S6拉索磁通量传感器在系统试运行阶段（2019年8月）、系统运行1年后（2019年9月）的测量值见表2。

表2 R2-BR2-N-S6拉索磁通量传感器1年后的测量值

3.4 索力监测系统评价

通过监测数据，说明了在斜拉索张拉期，磁通量传感器按要求进行零值测量后，其所测索力能准确反映拉索索力变化绝对值，且与施工张拉控制力、设计目标值一致。星型组网结构，方便管养单位进行系统的日常管养维护，减轻大跨度桥梁的运营管理强度。在运行一年后，索力系统的数据稳定性很好，辅助大桥管养者制定高效、经济、合理的拉索体系养护措施，延长桥梁的安全使用寿命。通过定期的索力测量，结合结构整体内力和线形计算分析，能够尽早发现桥梁结构自身及行车所面临的危险状况，便于在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警，也能有效地监管运营期桥梁的拉索体系结构使用状态及其发展趋势。

4 结语

埃及该项目斜拉桥采用的磁通量传感器在桥梁建造期安装并应用于过程索力测量，测量精度高，测量直观、方便，索力数据在桥梁运营期，可为拉索体系管养及桥梁结构健康监测的分析提供较高参考价值，同时当索力监测点数量较多时，选择易于管理的组网结构，可降低系统维护时间成本。在日常运营使用过程中，有必要对索力系统进行科学维护，保证索力数据的全面性、可靠性。该项目斜拉桥磁通量索力监测系统的应用，也为以后设计施工同类大跨度钢绞线斜拉索体系的大桥结构提供一种可靠的过程索力监测及长期索力监测方式，并为类似结构设计、建设、养护技术的可持续发展提供技术支撑。