短索索力测量方法与试验研究

2025-01-21王波罗丹彭渝舒梁颖张扬

中国新技术新产品 2025年1期

摘要：本文介绍了一种新型非破坏性索力测量方法—磁通量传感法，并与另一种非破坏性测量方法—频率法进行对比。基于磁弹效应理论和拉索频率-索力转换原理，对比分析两种非接触式索力测量方法在短索索力测量中的试验结果。结果表明，在短索索力测量应用中，振动频率传感器可能受到人工激励差异、拉索长度限制、传感器类型等因素的影响，导致测量出现误差，而磁通量传感器则相对稳定。

关键词：索力测量；磁通量法；频率法

中图分类号：U 44 " 文献标志码：A

在斜拉桥等桥梁结构中，拉索是主要的受力构件之一，其状态是衡量桥梁结构是否安全的一个重要标志，因此准确测量其索力值尤为重要。目前常用的拉索索力测量方法主要有压力传感器法、三点弯曲法、频率法和磁通量法等[1]。

磁通量法是最新发展起来的拉索索力测量方法，它能够提供准确、可靠的长期索力测量结果，且不会对拉索的结构造成破坏[2]。同时，磁通量传感器适用范围广泛，目前已应用于各种索类桥梁[3]及预应力锚索等领域。李君[4]修正了磁通量传感器的数据采集方法，刘付鹏等[5]则提出其温度补偿方法，这些研究提高了磁通量传感系统在工程应用中的可靠性。频率法可重复使用且安装简单，但仍存在一些缺点。曹阳梅[6]、徐俊峰等[7]通过试验证明了频率法的索力测量精度易受索长、弯曲刚度等参数的影响。

但是目前的研究大多数是基于单一索力测量方法进行探讨，两种方法的对比试验分析较少。因此，本文研发设计了一种新型磁通量传感器，并基于磁通量法和频率法索力测量理论，通过试验对比分析磁通量传感器、振动传感器在短索索力测量中的优缺性。

1 索力测量原理及算法

1.1 磁通量法

磁通量传感器的工作原理是基于铁磁性材料的磁弹效应，如图1所示，它由一个初级线圈、一个次级线圈以及一个温度补偿传感器组成[8]。将磁通量传感器穿心套在钢绞线、钢丝绳、平行钢丝等构件外面进行测量时，脉冲电流通过初级线圈后，构件被磁化，并产生纵向脉冲磁场。可以通过测量次级线圈内的感应电压积分值来计算构件的磁导率[9]，相对磁导率的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：S0为磁通量传感器的面积；Vk为没有导磁构件的情况下，传感器的空载值；Vout为有导磁构件的情况下，传感器的积分值；Sf为导磁材料构件的净面积。

通过三次方程，建立磁导率增量u与内力f的关系，如公式（2）所示。

f=C0+C1u+C2u2+C3u3 " " " " " " " " " " （2）

式中：f为构件内力；C0、C1、C2、C3为标定拟合系数；u为磁导率增量。因此，对任一种铁磁性材料构件建立导磁构件内力和磁导率增量的多项式线性关系后，即可用来测定同型号构件的内力，如图2所示。

基于磁通量索力测量原理，本文研发设计了一种新型磁通量传感器，该磁通量传感器自带温度补偿，并可以应用在各类工程场景，不受拉索索径、索长等限制，技术参数见表1。该款磁通量传感器为穿心式传感器，安装时需要穿过传感器中心，适用范围广，可应用于钢绞线、平行钢丝、钢丝绳等预应力拉索。

1.2 频率法

频率法是将高灵敏度传感器，例如光纤光栅式、压电式等振动传感器固定在拉索上，对拉索在激励环境下的振动信号进行测量。这些振动信号经过放大、滤波、谱分析等数据处理后得到拉索的自振频率，最后利用拉索自振频率和拉索索力的关系式确定索力值。

将拉索的振动简化为弦振动，计算拉索上的任意单元如公式（3）所示。

（3）

式中：EI为拉索的弯曲刚度；P 为索力；m为拉索每米的质量；y为拉索的振幅；x为沿拉索方向的坐标；t为时间。

在拉索两端为铰支且不考虑拉索弯曲刚度的情况下，可以得到公式（4）～公式（6）。

P=KF2 " " " " " " " " " " " " " "（4）

F=Fn/n " " " " " " " " " " " " " （5）

K=4mL2/1000 " " " " " " " " " " " （6）

式中：K为比例系数；F为拉索的基频；Fn为拉索主振频率；n为主振频率的阶次；L为拉索两固定端之间的距离。

在频率法测索力中，先由计算长度以及拉索的每延米质量，运用公式（6）计算比例系数，再用公式（5）计算拉索的基频，最后代入公式（4）即可得出拉索的实测索力值。

研究表明，工程通常用公式（4）作为振动频率法测定拉索索力的简化计算公式。同时也有研究发现，频率法测量拉索索力易受到拉索刚度、弯曲垂度、长度、阻尼器等条件的影响，若需要高精度测算索力，则需要考虑以上几种因素的索力修正方法。

2 短索索力测量试验

2.1 材料及方法

2.1.1 试验材料

为对比验证磁通量法和频率法在短索索力测量中的适用性，本文对长度为5.48m的1960MPa级钢丝绳短索进行试验。试验拉索的锚具采用热铸锚结构，锚杯内浇筑锌铜合金，浇筑前将锚杯内的钢丝分散在锚杯内腔中。其他主要试验设备有试验台架、张拉设备、磁通量传感器测量系统、振动传感器测量系统等。随着光纤技术的发展，光纤光栅振动传感器因其具有极高的灵敏度和响应速度，且不受电磁干扰等优点成为新型传感类型，因此本试验将其与传统的压电式振动传感器进行对比。

2.1.2 试验方法

按图3布置试验组件设备，并依次检查试验台座、千斤顶油泵等试验设备是否正常，最后安装螺母。在试验前，记录磁通量传感器的空载值及振动传感器的初始值。

对试验拉索进行分级张拉，张拉力值分别为100kN、200kN、300kN、400kN、500kN、600kN。每级饱压5min后，在拉索二分之一处进行人工敲击激振，连续敲击3次，敲击间隔为5s。同时，使用传感器测量拉索的索力和频率。

2.2 结果分析

将各传感器测量的参数转换为索力值，由于光纤光栅振动传感器的测量结果误差过大，因此选取每级张拉后磁通量传感器和压电式振动传感器的测量索力值进行对比分析，并计算其测量误差。测量误差如图4所示。

由图4可知，磁通量传感器的测量误差为0.9%～6.3%，而压电式振动传感器的测量误差为2.47%～13.17%，且磁通量传感器的测量误差更稳定。该试验结果证明，在短索的索力测量应用中，与振动传感器相比，磁通量传感器的精确度更高、测量误差更小。

压电式振动传感器时程如图5所示，使用FFT算法对压电式振动传感器的加速度振动时程数据进行分析，并计算其主振频率和基频。对拉索的振动信号进行频谱分析后，发现频谱图上出现了多个峰值点，其振动信号是由多谐振动信号组成的复合振动信号。在工程上，通常会用两个相邻高阶频率的差值或多个频率的平均值来确定基频。本文对振动信号进行快速傅里叶变换，并选择频谱图中的峰值作为主振频率，两相邻峰值点的频率差最小值为基频。

对张拉力值和相应力值下拉索的振动基频频率进行线性拟合，如图6所示。由图6可以看出，拉索的振动基频与拉索张拉力值之间存在强线性关系，其线性方程为y=0.02x+7.73，且相关系数为0.97，该结果证明在实际工程应用中，可以通过拉索的振动基频来确定其索力值。

为了分析本试验中光纤光栅振动传感器测量误差大的原因，对100kN张拉力值下两种类型振动传感器的时程图进行对比，如图7所示。由图7可以看出，对压电式振动传感器来说，在不同张拉力值下，经过3次人工敲击激振后，试验拉索的的加速度幅值变化规律一致，幅值变化为±600mm/s²，表明该传感器具有较好的稳定性和重复性。

用光纤光栅振动传感器测量时，通过转换装置将振动转变为光纤光栅的应变，从而改变光栅纤芯有效折射率与空间折射率调制周期，最终使光纤光栅布拉格反射波长对应变敏感响应。对光纤光栅振动传感器来说，其波长响应范围的变化规律与压电式传感器加速度响应范围的变化规律差异较大，重复性和稳定性也较差。光纤光栅振动传感器误差较大的原因可能是受人工激励差异、拉索长度限制、传感器灵敏度、光纤光栅类传感器的响应速度影响。

3 结论

本文基于磁通量法和频率法索力测量理论，通过试验分析磁通量传感器、振动传感器在索力测量中的优缺性。证明在短索的索力测量中，与频率法相比，磁通量法测量误差更小且稳定性更高，该试验结果可为工程中拉索索力测量方法优选提供参考。

参考文献

[1]黄智德，赵文锋，张祥楠.桥梁索力测试方法概述[J].山东交通科技， 2023（4）：60-63.

[2]段殿臣.斜拉桥拉索健康监测技术综述[J].上海公路， 2021（2）：72-75.

[3]柴爱红.磁通量传感器在桥梁索力监测中的应用[J].山西建筑， 2014（22）：209-210， 211.

[4]李君.磁通量索力测量系统设计及其应用分析[J].科学技术创新， 2021（2）：88-89.

[5]刘付鹏，王辅宋，刘文峰，等.磁通量传感器温度补偿方法的研究[J].工程技术研究， 2023，8（14）：95-97.

[6]曹阳梅.大跨度铁路斜拉桥索力快速识别方法研究[J].铁道标准设计， 2023：1-7.

[7]徐俊峰，冯志敏，李宏伟，等.基于动态监测的斜拉桥索振动幅值与索力识别研究[J].公路交通科技， 2022，39（2）：111-116.

[8]彭渝舒，韦元学，章粒.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[J].中国新技术新产品， 2022（9）：101-105.

[9]彭渝舒，覃华桥，吕柯梁，等.基于磁通量法的斜拉桥索力监测应用研究[J].江西建材， 2022（4）：39-41.