基于永磁效應(yīng)的鋼絞線應(yīng)力檢測方法研究

袁飛云,閆紅光,楊躍東,張奔牛,蔣海飛

(1.四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司,四川,成都 610047;2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;3.四川瀘石高速公路有限責(zé)任公司,四川 成都 610000;4.中電投工程研究檢測評(píng)定中心有限公司,北京 100142)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)營過程中出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力和安全性能下降[1]。鋼絞線應(yīng)力水平指標(biāo)是影響預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)承載能力和健康狀態(tài)的重要因素,若能準(zhǔn)確地反饋其現(xiàn)存應(yīng)力水平,對(duì)于保證預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營和后期的維修加固措施具有重大意義。

目前,針對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力的檢測問題,主要研究包括光纖應(yīng)力檢測技術(shù)和振弦式應(yīng)力檢測技術(shù)。光纖應(yīng)力檢測技術(shù)[2-4]是通過光纖傳感器及其檢測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,其基本原理是入射光束經(jīng)由光纖送入至調(diào)制器內(nèi),當(dāng)外界應(yīng)力應(yīng)變作用于光纖傳感器時(shí),導(dǎo)致該光纖光柵的折射率發(fā)生變化,其通過光纖傳感器內(nèi)的調(diào)制器調(diào)制為光信號(hào),再經(jīng)過解調(diào)器輸出被測參數(shù)。然而,該傳感器受外界溫度和環(huán)境影響較大,且施工工藝復(fù)雜。振弦式應(yīng)力檢測技術(shù)[5-8]實(shí)現(xiàn)途徑是通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋安裝振弦式傳感器檢測其所在位置的應(yīng)力應(yīng)變,該傳感結(jié)構(gòu)是以拉直繃緊的金屬弦作為響應(yīng)敏感元件的一種測量頻率的諧振式傳感器,但該傳感器使用壽命短,長期檢測過程測量穩(wěn)定性無法保障。

磁傳感法是近幾十年來快速發(fā)展起來的新型無損檢測技術(shù)。磁彈效應(yīng)檢測法成功應(yīng)用于檢測索體橋中拉索的應(yīng)力或某些結(jié)構(gòu)外鋼筋的應(yīng)力檢測[9-13]。然而,由于其傳感結(jié)構(gòu)限于自身材料特性,該種傳感器易受外部電磁干擾及內(nèi)部缺陷等因素的影響,傳統(tǒng)的磁彈效應(yīng)傳感器體積往往較大,對(duì)外輸入電源要求高,容易受到安裝位置、溫度等因素的影響[14]。

筆者提出一種基于永磁效應(yīng)的新型非接觸式應(yīng)力無損檢測方法,設(shè)計(jì)了一種傳感結(jié)構(gòu)用于采集磁信號(hào),為鋼絞線應(yīng)力檢測提供一種適用范圍廣,穩(wěn)定性能高,成本低,檢測結(jié)果可信度高的應(yīng)力檢測方法。

1 基于永磁效應(yīng)的檢測理論模型

1.1 基于永磁效應(yīng)的檢測原理

通過測量不同應(yīng)力應(yīng)變條件下永磁材料(矩形磁體中軸線部位)的磁特性分布曲線,建立傳感結(jié)構(gòu)磁信號(hào)(磁感強(qiáng)度B、磁通量Φ)與鋼絞線應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)诺膬?nèi)在聯(lián)系,推導(dǎo)力-磁耦合數(shù)學(xué)理論表達(dá)式,為鋼絞線應(yīng)力檢測提供理論支撐。

若建立以矩形永磁體中軸線為x軸的三維坐標(biāo)(圖1),不同測量位置對(duì)應(yīng)的磁感強(qiáng)度不同,若測得中軸線上磁感強(qiáng)度變化規(guī)律,并將其與鋼絞線應(yīng)力應(yīng)變建立量化聯(lián)系,則可通過用永磁體的磁信號(hào)來測量結(jié)構(gòu)內(nèi)外鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變量。具體思路如下：當(dāng)鋼筋產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)艜r(shí),在永磁中軸線AOB上,測磁儀器探頭隨鋼絞線同步發(fā)生位移,量點(diǎn)由O點(diǎn)移動(dòng)到了D點(diǎn),其探頭獲取的磁感強(qiáng)度Bz也隨之變化,磁感強(qiáng)度產(chǎn)生變化為ΔB=Bz2-Bz1,應(yīng)力σ由σ1變?yōu)榱甩?,可根據(jù)該過程建立傳感結(jié)構(gòu)內(nèi)力-磁關(guān)系理論。

圖1 檢測原理Fig.1 Detection principle

1.2 基于分子環(huán)流模型的矩形永磁體強(qiáng)度分布

若在三維直角坐標(biāo)系中有一矩形永磁體,尺寸為a×b×c,該磁體為單向充磁,z方向(厚度方向)均勻充分磁化且達(dá)到飽和狀態(tài)。設(shè)環(huán)路內(nèi)電流強(qiáng)度為I,電流密度為J,矩形永磁體沿z方向均勻充分磁化至飽和,此時(shí)磁體內(nèi)部磁化矢量M可視為常矢量。由安培分子環(huán)流可知,此時(shí)外部空間中任意一點(diǎn)的磁場是由永磁體內(nèi)所有環(huán)形分子電流共同激發(fā)。由于均勻磁化后體內(nèi)分子電流效應(yīng)相互抵消,這部分不參與磁場貢獻(xiàn),從宏觀上可看作只有表面分子電流參與激發(fā)磁場,磁體外空間中任一點(diǎn)的磁場由永磁體表面閉合電流環(huán)路ABCDA所激發(fā)。永磁體磁場源點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0,z0),磁體外部空間中某一點(diǎn)P的坐標(biāo)為(x,y,z),矩形永磁體可等效為分子環(huán)流模型,如圖2。

圖2 永磁體的分子環(huán)流模型Fig.2 Molecular circulation model of permanent magnet

由安培環(huán)流定律與畢奧-薩伐爾定律可知,環(huán)形電流A′B′C′D′在空間中一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場大小為：

BR=BA′B′+BB′C′+BC′D′+BD′A′

(1)

以D′A′段為例,其產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度BD′A′如式(2);同理,可求出其他電流段產(chǎn)生的磁場。將4段電流產(chǎn)生磁場疊加,沿厚度方向?qū)ζ浞e分,將已知常量和參數(shù)代入,令K=μ0I/4π,則整個(gè)矩形永磁體Bz分布如式(3)：

(2)

(3)

式中：

(4)

1.3 力-磁關(guān)系理論模型

(5)

式中：EP為鋼絞線的彈性模量,N/mm2。

式(5)即為鋼絞線應(yīng)力與永磁磁感強(qiáng)度的力-磁關(guān)系理論模型。實(shí)際測量過程中,測得的檢測磁感強(qiáng)度大小為一定值,即當(dāng)應(yīng)變應(yīng)力值確定時(shí),有唯一對(duì)應(yīng)方程的解,即對(duì)應(yīng)磁感強(qiáng)度大小。

1.4 有限元仿真分析

由于1.3節(jié)力-磁耦合數(shù)學(xué)關(guān)系式的數(shù)值計(jì)算較為復(fù)雜,若直接將未知量代入式(5)求Bz比較困難與繁瑣。為了快速而又直觀地了解變化規(guī)律,需要借助相關(guān)有限元軟件來對(duì)其進(jìn)行仿真分析和數(shù)值模擬。筆者采用Ansys Maxwell電磁有限元軟件來模擬磁場分布并進(jìn)行相關(guān)分析。

剩磁Br、矯頑力Hc、磁能積BH均為表征永磁體磁場性能的基本參數(shù)。對(duì)于充磁完成的永磁體,其均為確定值,其中,B為磁感強(qiáng)度,H為磁場強(qiáng)度。以單磁體工況為例,通過Ansys Maxwell自帶的函數(shù)輸出功能,進(jìn)入數(shù)據(jù)圖繪制界面,取Br=1.47 T;Hc=992 KA/m;(BH)max=397.90 kJ/m3;a=40 mm;b=20 mm;h=10 mm;y=0 mm;y0積分上、下限分別為0、20;x0積分上、下限分別為0、40;z0積分上、下限分別為0、10;z分別取10、20、30 mm。將以上參數(shù)代入到式(5),可得不同探頭高度下仿真模型中鋼絞線應(yīng)變應(yīng)力與永磁磁感強(qiáng)度之間的力-磁理論關(guān)系,如式(6)：

(6)

通過Ansys Maxwell自帶的函數(shù)輸出功能,選擇模型區(qū)域→Results→Create Fields Report→Rectangular Plot,進(jìn)入數(shù)據(jù)圖繪制界面,通過選擇Geometry→Calculator Expressions→Mag_B→New Reports進(jìn)行編輯。將式(6)代入Ansys Maxwell得到仿真關(guān)系,并提取沿長邊方向距永磁體中軸線表面10、20、30 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度z向分量Bz,并繪制關(guān)系曲線,如圖3。

由圖3可以發(fā)現(xiàn),永磁磁感強(qiáng)度分布以軸線中點(diǎn)為原點(diǎn),原點(diǎn)起始磁感強(qiáng)度數(shù)值最高,并沿兩側(cè)按一定規(guī)律逐漸減小,其沿中線分布不是簡單的一次或二次函數(shù)關(guān)系,在微小范圍內(nèi)分布曲線具有一定的線性度,同時(shí)分布曲線基本對(duì)稱。

2 傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

借助檢測原理和霍爾傳感方式,設(shè)計(jì)了一款由磁源、傳感元件、檢測電路組成的滑軌式磁-應(yīng)力傳感結(jié)構(gòu),其內(nèi)部構(gòu)造如圖4。當(dāng)受張拉的預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變發(fā)生變化時(shí),霍爾探頭隨鋼筋同步發(fā)生運(yùn)動(dòng)。根據(jù)所測得不同部位的輸出磁感強(qiáng)度值來反應(yīng)鋼筋應(yīng)變變化。最后根據(jù)鋼絞線應(yīng)力-力學(xué)關(guān)系反應(yīng)出鋼絞線有效內(nèi)力值。

圖4 傳感結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造示意Fig.4 Interior structure diagram of sensor structure

用于鋼絞線或其它鋼筋應(yīng)力檢測時(shí),首先,對(duì)傳感器進(jìn)行初始位置修正和初始強(qiáng)度標(biāo)定;然后,將鋼筋穿過傳感器預(yù)留孔,將套圈與鋼筋箍緊,鋼筋套上之后,用螺栓對(duì)傳感器上預(yù)留螺栓孔進(jìn)行緊固,保證傳感器不產(chǎn)生滑移等狀況;最后,將鋼筋與孔洞處涂抹適當(dāng)環(huán)氧進(jìn)行封閉,這樣做的目的為當(dāng)該傳感結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼絞應(yīng)力檢測時(shí),澆筑混凝土、砂漿等不會(huì)灌入到傳感結(jié)構(gòu)內(nèi)部,影響到傳感結(jié)構(gòu)性能。

當(dāng)鋼筋產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變時(shí),與其相連的套圈帶動(dòng)滑塊同步發(fā)生運(yùn)動(dòng),在滑塊上的霍爾傳感元件與固定的永磁體測量相對(duì)位置發(fā)生改變。將檢測到的磁信號(hào)輸入,經(jīng)過內(nèi)部電路處理后輸出,再由外部磁解設(shè)備提取數(shù)據(jù)。通過提前標(biāo)定的傳感器力-磁耦合理論關(guān)系,換算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值。

2.2 試驗(yàn)研究

為了探究監(jiān)測過程中的鋼絞線應(yīng)力與永磁磁感強(qiáng)度之間的關(guān)系,驗(yàn)證筆者基于永磁效應(yīng)檢測理論和傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用效果,搭建了試驗(yàn)平臺(tái)。該監(jiān)測系統(tǒng)主要由加卸載裝置、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集器、磁信號(hào)采集器等組成;大噸位反力排架、液壓千斤頂、錨具等對(duì)7股15.2-1860級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加荷載;采用壓力傳感器、無線應(yīng)變儀、應(yīng)變片采集試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù);采用筆者設(shè)計(jì)的傳感結(jié)構(gòu)、高斯計(jì)采集試驗(yàn)過程中的磁感強(qiáng)度信號(hào)。具體如下：

1)將鋼絞線從大噸位反力排架兩邊預(yù)先設(shè)置的孔洞穿過,設(shè)定好兩邊伸出長度,然后將標(biāo)定好的力傳感器與穿心式千斤頂分別從鋼絞線左右兩端穿過大噸位反力排架,分別用夾片式錨具、錨墊片將鋼絞線兩端固定。

2)鋼絞線、力傳感器、千斤頂和錨具等安裝完畢后,開始粘附電阻應(yīng)變片,以獲得鋼絞線上的實(shí)際應(yīng)變。首先,用砂紙與無水乙醇在鋼絞線預(yù)先設(shè)置好的測定部位進(jìn)行表面處理、打磨等,去除鋼筋表面可能存在的油漬、銹斑等;然后,用無水乙醇對(duì)粘貼部位進(jìn)行脫脂清洗,并用棉布擦去表面殘余乙醇,將應(yīng)變片敏感柵沿著鋼絲延伸方向平行粘貼,保證應(yīng)變片粘附面與鋼絞線表面之間無空隙,應(yīng)變能夠同步保持一致;最后,在粘附好的應(yīng)變片表面涂抹硅橡膠起保護(hù)作用,保證應(yīng)變片能多次使用。

3)用粘鋼膠將永磁體粘附于鋼絞線上,待其凝固后準(zhǔn)備試驗(yàn)。

4)將準(zhǔn)備好的線性霍爾元件探頭固定在預(yù)先設(shè)置好的永磁體測量點(diǎn),連接各部件導(dǎo)線,用便簽紙對(duì)其進(jìn)行編號(hào),方便在試驗(yàn)過程中查驗(yàn)測量情況,打開對(duì)應(yīng)的應(yīng)變測量軟件進(jìn)行調(diào)試與平衡操作。

5)完成上述步驟后,對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。先對(duì)鋼絞線預(yù)張拉再放張,目的在于消除鋼絞線彈性后效和鋼筋松弛等影響,確保試驗(yàn)的精確性,同時(shí)也是為了觀察試驗(yàn)及設(shè)備是否正常工作,如液壓千斤頂是否漏氣、無線應(yīng)變儀等是否正常輸出信號(hào)等、各接線是否連接有效。

試驗(yàn)平臺(tái)搭建完畢后,根據(jù)制定的試驗(yàn)方案開始進(jìn)行試驗(yàn)。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,筆者在鋼絞線彈性力學(xué)性能受力范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)研究。設(shè)定確定鋼絞線的張拉區(qū)間為0～100 kN,將張拉區(qū)間劃分為10個(gè)荷載步,每個(gè)荷載步設(shè)定10 kN。單個(gè)荷載步加載完成之后靜置2 min。在此靜置時(shí)段內(nèi),進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集。每個(gè)荷載步內(nèi)進(jìn)行多次重復(fù)測量與數(shù)據(jù)采集,以此減少試驗(yàn)測量誤差。隨后,按照加載過程相同的步驟進(jìn)行卸載。因?yàn)樵谛遁d過程中由于液壓油泵的不可控性,荷載步會(huì)發(fā)生一定偏差,加載過程與卸載過程形成了兩次往返循環(huán),重復(fù)加卸載過程增加試驗(yàn)循環(huán)次數(shù),驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性與可信度。

試驗(yàn)設(shè)置了多類工況,目的是建立監(jiān)測過程中的力-磁關(guān)系,同時(shí)探究影響傳感結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測過程的影響因素,并對(duì)該傳感器的性能、靈敏度、線性度等進(jìn)行測試,對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析、擬合分析等。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

為了使測量結(jié)果更具可信度,同時(shí)也為了測試傳感結(jié)構(gòu)在多次重復(fù)循環(huán)下的檢測性能,設(shè)置了多次張拉循環(huán)的試驗(yàn)工況對(duì)鋼絞線應(yīng)力進(jìn)行檢測。工況1(3次循環(huán)加卸載)、工況2(4次循環(huán)加卸載)的試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

將工況測量數(shù)據(jù)單位進(jìn)行換算,每個(gè)單循環(huán)過程以不同曲線及特征點(diǎn)來進(jìn)行表示。同時(shí)為了更直觀地體現(xiàn)多次循環(huán)后應(yīng)力與磁通量的關(guān)系,通過轉(zhuǎn)換坐標(biāo)繪圖,繪制出了全循環(huán)過程力-磁關(guān)系曲線,如圖5。

圖5 多次循環(huán)下磁通量與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between magnetic flux and stress under multiple cycles

由圖5可知,在多次加卸載循環(huán)下監(jiān)測到的應(yīng)力與磁感強(qiáng)度曲線規(guī)律與前述工況試驗(yàn)一致,加載時(shí)磁通量隨應(yīng)力增大而減小,卸載時(shí)磁通量隨應(yīng)力減小而增加,曲線呈現(xiàn)出較好的函數(shù)關(guān)系,與1.4節(jié)仿真分析結(jié)論一致。

同理,將圖5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力與磁感強(qiáng)度關(guān)系的擬合曲線,分別用二次函數(shù)和線性函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如圖6。

圖6 力-磁擬合關(guān)系曲線Fig.6 Force-magnetic fitting relation curve

4 結(jié) 論

筆者在磁測法的基礎(chǔ)上,通過理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,探索性地提出一種基于永磁磁效應(yīng)的鋼絞線應(yīng)力無損監(jiān)測方法,并設(shè)計(jì)了一種用于采集磁信號(hào)的新型傳感結(jié)構(gòu)。該方法不需要大型電激勵(lì)設(shè)備以及復(fù)雜的調(diào)參過程,可以在不損傷預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的情況下測量鋼絞線的應(yīng)力。

主要研究結(jié)論如下：

1)基于安培環(huán)流學(xué)說、畢奧-薩伐爾定律,結(jié)合鋼絞線力學(xué)性能推導(dǎo)了應(yīng)力監(jiān)測的力-磁耦合數(shù)學(xué)公式,主要以永磁磁體中軸線線上的z向信號(hào)分量Bz來監(jiān)測鋼絞線應(yīng)力,力-磁耦合關(guān)系式的建立證明了用永磁磁信號(hào)來反映應(yīng)力應(yīng)變水平的可行性。

2)對(duì)永磁體的空間磁場進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示,永磁磁感強(qiáng)度分布以軸線中點(diǎn)為原點(diǎn),原點(diǎn)起始磁強(qiáng)數(shù)值最高,并沿兩側(cè)按一定規(guī)律逐漸減小曲線,整體表現(xiàn)為中點(diǎn)數(shù)值最高,兩端數(shù)值較低,由中點(diǎn)向兩端磁強(qiáng)遞減。力-磁試驗(yàn)結(jié)果表明,永磁磁感強(qiáng)度B與鋼筋應(yīng)力σ呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性;隨著應(yīng)力增加,監(jiān)測到的磁感強(qiáng)度數(shù)值減小,兩者并不是完美的二次函數(shù)關(guān)系或線性關(guān)系。

3)由筆者搭建的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),在多次加卸載循環(huán)下,加載時(shí)磁通量隨應(yīng)力增大而減小,卸載時(shí)磁通量隨應(yīng)力減小而增加。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析可知,線性函數(shù)和二次函數(shù)均能較好描述磁感強(qiáng)度與應(yīng)力應(yīng)變值之間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用過程中,可以利用線性函數(shù)和二次函數(shù)關(guān)系將獲得的磁感強(qiáng)度值近似換算出此時(shí)的應(yīng)力值。

4)由于條件限制,筆者的應(yīng)力傳感結(jié)構(gòu)主要是對(duì)鋼絞線回縮、錨具回縮變形等位移、變形及撓度引起的應(yīng)力損失進(jìn)行監(jiān)測,對(duì)由于材料自身徐變、蠕變導(dǎo)致的應(yīng)力損失尚無法測量。同時(shí),傳感結(jié)構(gòu)輸出的是單個(gè)方向(z方向)的磁信號(hào),后續(xù)可采用更精準(zhǔn)的三維磁信號(hào)來對(duì)鋼筋應(yīng)變應(yīng)力進(jìn)行反饋。