短索索力測量方法與試驗(yàn)研究

摘 要：本文介紹了一種新型非破壞性索力測量方法—磁通量傳感法，并與另一種非破壞性測量方法—頻率法進(jìn)行對比?；诖艔椥?yīng)理論和拉索頻率-索力轉(zhuǎn)換原理，對比分析兩種非接觸式索力測量方法在短索索力測量中的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，在短索索力測量應(yīng)用中，振動頻率傳感器可能受到人工激勵差異、拉索長度限制、傳感器類型等因素的影響，導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差，而磁通量傳感器則相對穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：索力測量；磁通量法；頻率法

中圖分類號：U 44 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在斜拉橋等橋梁結(jié)構(gòu)中，拉索是主要的受力構(gòu)件之一，其狀態(tài)是衡量橋梁結(jié)構(gòu)是否安全的一個重要標(biāo)志，因此準(zhǔn)確測量其索力值尤為重要。目前常用的拉索索力測量方法主要有壓力傳感器法、三點(diǎn)彎曲法、頻率法和磁通量法等[1]。

磁通量法是最新發(fā)展起來的拉索索力測量方法，它能夠提供準(zhǔn)確、可靠的長期索力測量結(jié)果，且不會對拉索的結(jié)構(gòu)造成破壞[2]。同時，磁通量傳感器適用范圍廣泛，目前已應(yīng)用于各種索類橋梁[3]及預(yù)應(yīng)力錨索等領(lǐng)域。李君[4]修正了磁通量傳感器的數(shù)據(jù)采集方法，劉付鵬等[5]則提出其溫度補(bǔ)償方法，這些研究提高了磁通量傳感系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的可靠性。頻率法可重復(fù)使用且安裝簡單，但仍存在一些缺點(diǎn)。曹陽梅[6]、徐俊峰等[7]通過試驗(yàn)證明了頻率法的索力測量精度易受索長、彎曲剛度等參數(shù)的影響。

但是目前的研究大多數(shù)是基于單一索力測量方法進(jìn)行探討，兩種方法的對比試驗(yàn)分析較少。因此，本文研發(fā)設(shè)計了一種新型磁通量傳感器，并基于磁通量法和頻率法索力測量理論，通過試驗(yàn)對比分析磁通量傳感器、振動傳感器在短索索力測量中的優(yōu)缺性。

1 索力測量原理及算法

1.1 磁通量法

磁通量傳感器的工作原理是基于鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)，如圖1所示，它由一個初級線圈、一個次級線圈以及一個溫度補(bǔ)償傳感器組成[8]。將磁通量傳感器穿心套在鋼絞線、鋼絲繩、平行鋼絲等構(gòu)件外面進(jìn)行測量時，脈沖電流通過初級線圈后，構(gòu)件被磁化，并產(chǎn)生縱向脈沖磁場?？梢酝ㄟ^測量次級線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓積分值來計算構(gòu)件的磁導(dǎo)率[9]，相對磁導(dǎo)率的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：S0為磁通量傳感器的面積；Vk為沒有導(dǎo)磁構(gòu)件的情況下，傳感器的空載值；Vout為有導(dǎo)磁構(gòu)件的情況下，傳感器的積分值；Sf為導(dǎo)磁材料構(gòu)件的凈面積。

通過三次方程，建立磁導(dǎo)率增量u與內(nèi)力f的關(guān)系，如公式（2）所示。

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

式中：f為構(gòu)件內(nèi)力；C0、C1、C2、C3為標(biāo)定擬合系數(shù)；u為磁導(dǎo)率增量。因此，對任一種鐵磁性材料構(gòu)件建立導(dǎo)磁構(gòu)件內(nèi)力和磁導(dǎo)率增量的多項(xiàng)式線性關(guān)系后，即可用來測定同型號構(gòu)件的內(nèi)力，如圖2所示。

基于磁通量索力測量原理，本文研發(fā)設(shè)計了一種新型磁通量傳感器，該磁通量傳感器自帶溫度補(bǔ)償，并可以應(yīng)用在各類工程場景，不受拉索索徑、索長等限制，技術(shù)參數(shù)見表1。該款磁通量傳感器為穿心式傳感器，安裝時需要穿過傳感器中心，適用范圍廣，可應(yīng)用于鋼絞線、平行鋼絲、鋼絲繩等預(yù)應(yīng)力拉索。

1.2 頻率法

頻率法是將高靈敏度傳感器，例如光纖光柵式、壓電式等振動傳感器固定在拉索上，對拉索在激勵環(huán)境下的振動信號進(jìn)行測量。這些振動信號經(jīng)過放大、濾波、譜分析等數(shù)據(jù)處理后得到拉索的自振頻率，最后利用拉索自振頻率和拉索索力的關(guān)系式確定索力值。

將拉索的振動簡化為弦振動，計算拉索上的任意單元如公式（3）所示。

（3）

式中：EI為拉索的彎曲剛度；P 為索力；m為拉索每米的質(zhì)量；y為拉索的振幅；x為沿拉索方向的坐標(biāo)；t為時間。

在拉索兩端為鉸支且不考慮拉索彎曲剛度的情況下，可以得到公式（4）～公式（6）。

P=KF2 " " " " " " " " " " " " " "（4）

F=Fn/n " " " " " " " " " " " " " （5）

K=4mL2/1000 " " " " " " " " " " " （6）

式中：K為比例系數(shù)；F為拉索的基頻；Fn為拉索主振頻率；n為主振頻率的階次；L為拉索兩固定端之間的距離。

在頻率法測索力中，先由計算長度以及拉索的每延米質(zhì)量，運(yùn)用公式（6）計算比例系數(shù)，再用公式（5）計算拉索的基頻，最后代入公式（4）即可得出拉索的實(shí)測索力值。

研究表明，工程通常用公式（4）作為振動頻率法測定拉索索力的簡化計算公式。同時也有研究發(fā)現(xiàn)，頻率法測量拉索索力易受到拉索剛度、彎曲垂度、長度、阻尼器等條件的影響，若需要高精度測算索力，則需要考慮以上幾種因素的索力修正方法。

2 短索索力測量試驗(yàn)

2.1 材料及方法

2.1.1 試驗(yàn)材料

為對比驗(yàn)證磁通量法和頻率法在短索索力測量中的適用性，本文對長度為5.48m的1960MPa級鋼絲繩短索進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)拉索的錨具采用熱鑄錨結(jié)構(gòu)，錨杯內(nèi)澆筑鋅銅合金，澆筑前將錨杯內(nèi)的鋼絲分散在錨杯內(nèi)腔中。其他主要試驗(yàn)設(shè)備有試驗(yàn)臺架、張拉設(shè)備、磁通量傳感器測量系統(tǒng)、振動傳感器測量系統(tǒng)等。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵振動傳感器因其具有極高的靈敏度和響應(yīng)速度，且不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)成為新型傳感類型，因此本試驗(yàn)將其與傳統(tǒng)的壓電式振動傳感器進(jìn)行對比。

2.1.2 試驗(yàn)方法

按圖3布置試驗(yàn)組件設(shè)備，并依次檢查試驗(yàn)臺座、千斤頂油泵等試驗(yàn)設(shè)備是否正常，最后安裝螺母。在試驗(yàn)前，記錄磁通量傳感器的空載值及振動傳感器的初始值。

對試驗(yàn)拉索進(jìn)行分級張拉，張拉力值分別為100kN、200kN、300kN、400kN、500kN、600kN。每級飽壓5min后，在拉索二分之一處進(jìn)行人工敲擊激振，連續(xù)敲擊3次，敲擊間隔為5s。同時，使用傳感器測量拉索的索力和頻率。

2.2 結(jié)果分析

將各傳感器測量的參數(shù)轉(zhuǎn)換為索力值，由于光纖光柵振動傳感器的測量結(jié)果誤差過大，因此選取每級張拉后磁通量傳感器和壓電式振動傳感器的測量索力值進(jìn)行對比分析，并計算其測量誤差。測量誤差如圖4所示。

由圖4可知，磁通量傳感器的測量誤差為0.9%～6.3%，而壓電式振動傳感器的測量誤差為2.47%～13.17%，且磁通量傳感器的測量誤差更穩(wěn)定。該試驗(yàn)結(jié)果證明，在短索的索力測量應(yīng)用中，與振動傳感器相比，磁通量傳感器的精確度更高、測量誤差更小。

壓電式振動傳感器時程如圖5所示，使用FFT算法對壓電式振動傳感器的加速度振動時程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并計算其主振頻率和基頻。對拉索的振動信號進(jìn)行頻譜分析后，發(fā)現(xiàn)頻譜圖上出現(xiàn)了多個峰值點(diǎn)，其振動信號是由多諧振動信號組成的復(fù)合振動信號。在工程上，通常會用兩個相鄰高階頻率的差值或多個頻率的平均值來確定基頻。本文對振動信號進(jìn)行快速傅里葉變換，并選擇頻譜圖中的峰值作為主振頻率，兩相鄰峰值點(diǎn)的頻率差最小值為基頻。

對張拉力值和相應(yīng)力值下拉索的振動基頻頻率進(jìn)行線性擬合，如圖6所示。由圖6可以看出，拉索的振動基頻與拉索張拉力值之間存在強(qiáng)線性關(guān)系，其線性方程為y=0.02x+7.73，且相關(guān)系數(shù)為0.97，該結(jié)果證明在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過拉索的振動基頻來確定其索力值。

為了分析本試驗(yàn)中光纖光柵振動傳感器測量誤差大的原因，對100kN張拉力值下兩種類型振動傳感器的時程圖進(jìn)行對比，如圖7所示。由圖7可以看出，對壓電式振動傳感器來說，在不同張拉力值下，經(jīng)過3次人工敲擊激振后，試驗(yàn)拉索的的加速度幅值變化規(guī)律一致，幅值變化為±600mm/s2，表明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

用光纖光柵振動傳感器測量時，通過轉(zhuǎn)換裝置將振動轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光柵的應(yīng)變，從而改變光柵纖芯有效折射率與空間折射率調(diào)制周期，最終使光纖光柵布拉格反射波長對應(yīng)變敏感響應(yīng)。對光纖光柵振動傳感器來說，其波長響應(yīng)范圍的變化規(guī)律與壓電式傳感器加速度響應(yīng)范圍的變化規(guī)律差異較大，重復(fù)性和穩(wěn)定性也較差。光纖光柵振動傳感器誤差較大的原因可能是受人工激勵差異、拉索長度限制、傳感器靈敏度、光纖光柵類傳感器的響應(yīng)速度影響。

3 結(jié)論

本文基于磁通量法和頻率法索力測量理論，通過試驗(yàn)分析磁通量傳感器、振動傳感器在索力測量中的優(yōu)缺性。證明在短索的索力測量中，與頻率法相比，磁通量法測量誤差更小且穩(wěn)定性更高，該試驗(yàn)結(jié)果可為工程中拉索索力測量方法優(yōu)選提供參考。

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通信作者：羅丹（1996—），女，廣西柳州人，碩士研究生，初級工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ虣z測。

電子郵箱：940266951@qq.com。