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        磁通量傳感器在高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力監(jiān)測中的應(yīng)用

        2015-12-02 01:46:50王曉琳周庠天
        江西建材 2015年18期
        關(guān)鍵詞:磁通量磁導(dǎo)率索力

        ■王曉琳,周庠天

        ■1.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545005;2.柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)有限公司,廣西 柳州 545005

        1 引言

        因為高邊坡錨固工程屬隱蔽工程,而且影響錨固效果的因素較多,設(shè)計時很難掌握完全情況,所以對預(yù)應(yīng)力錨固工程開展健康安全監(jiān)測很有必要[i]。同時,在施工和運營期,用于加固邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索不可避免的會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失,錨索有效預(yù)應(yīng)力大小也是關(guān)系到加固工程成敗的關(guān)鍵因素之一[ii]。新建的高邊坡錨索應(yīng)考慮增設(shè)長效的錨索索力監(jiān)測系統(tǒng),用以驗證設(shè)計假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和服役期安全狀態(tài);確保邊坡結(jié)構(gòu)的安全、適用與耐久性[iii]。磁通量傳感器監(jiān)測法是基于一種鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理的測量方法。即當(dāng)鐵磁性材料承受的外界機(jī)械荷載發(fā)生變化時,其鐵材質(zhì)內(nèi)部的磁導(dǎo)率隨之發(fā)生變化,通過測量鐵磁性材料制成的構(gòu)件的磁導(dǎo)率變化,來測量構(gòu)件的內(nèi)力。該方法可有效的監(jiān)測預(yù)應(yīng)力錨索的索力,是一種有效的非接觸式無損檢測技術(shù)。

        2 磁通量傳感器測量原理

        當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索受到外荷載作用時,其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,相應(yīng)地磁導(dǎo)率發(fā)生改變,通過測定磁導(dǎo)率變化來反映機(jī)械應(yīng)力的變化,按照此原理制成磁通量傳感器。

        一般由磁場強(qiáng)度H 和磁通量密度B 之間的關(guān)系來描述鐵磁性材料的磁化過程:

        (2-1)中μ 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率,它依賴于H。根據(jù)磁感應(yīng)原理可研究材料的磁化性能,一般采用兩個線圈,一個激勵(初級)線圈,一個感應(yīng)(次級)線圈,將被測鐵磁性材料作為線圈的鐵心。如果在激勵(初級)線圈上加一個直流電流,它就會產(chǎn)生一個強(qiáng)度為H 的磁場,此時被測材料中產(chǎn)生的磁通量密度為B。如果能夠確定線圈中B 和H 的比值B/H,則能夠求出該下的條件磁導(dǎo)率來。

        若直接測量磁通量或磁通量密度是比較困難的,可采用變通的方法。一種較簡便的方法是測量纏繞在試件上的線圈兩端的感應(yīng)電壓。如果在激勵(初級)線圈的兩端加一個交流激勵信號,將會產(chǎn)生一個隨時間而變化的交變磁場,并且根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在感應(yīng)(次級)線圈中就會產(chǎn)生一個感生電動勢。

        在某一恒定溫度下,鐵磁材料內(nèi)應(yīng)力與磁導(dǎo)率變化為一線性關(guān)系,利用鐵磁材料的磁導(dǎo)率-應(yīng)力關(guān)系曲線,可以直接測量出鐵磁材料內(nèi)力[]。磁通量傳感器就是依照上述原理,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1 所示,

        圖2-1 磁通量傳感器示意圖

        它由激勵(初級)和感應(yīng)(次級)兩層線圈組成。當(dāng)給激磁(初級)線圈通入脈沖電流時,鐵磁性材料被磁化后,會在產(chǎn)生縱向脈沖磁場。由于相互感應(yīng),在感應(yīng)(次級)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓,感應(yīng)電壓同施加的磁通量成正比關(guān)系。對任何一種鐵磁性材料,在試驗室進(jìn)行幾組應(yīng)力、溫度下的試驗,建立磁導(dǎo)率變化與溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系后,即可在實際使用中測量用該種材料制造的構(gòu)件的應(yīng)力[5]。

        3 磁通量傳感器性能試驗

        3.1 溫度試驗

        溫度對錨索的磁導(dǎo)率隨溫度變化有一定影響,從而影響其測量結(jié)果,測量時需要做溫度補(bǔ)償。常溫下(-40℃~80℃),構(gòu)件磁導(dǎo)率與應(yīng)力關(guān)系曲線自身的斜率卻并不會改變。在構(gòu)件不受力情況下做好溫度率定實驗,然后能夠通過溫度補(bǔ)償在任何測量范圍內(nèi)的環(huán)境溫度狀況使用。

        為了得出溫度修正系數(shù),將磁通量傳感器模擬現(xiàn)場應(yīng)力鋼絞線的情況下,放入恒溫裝置進(jìn)行升降溫試驗,可以獲取溫度與磁導(dǎo)率的變化曲線,溫度和磁導(dǎo)率成反比關(guān)系,由此獲得其溫度修正系數(shù)。將不同規(guī)格的構(gòu)件和對應(yīng)型號的傳感器,選用類似的方法進(jìn)行試驗,其結(jié)果基本一致。

        3.2 力值驗證試驗

        為了研究磁通量傳感器的一致性,首先對1 臺單根鋼絞線用CCT20B 磁通量傳感器標(biāo)定后,另取3 臺同型號磁通量傳感器,安裝在同一根∮15.24 的鋼絞線上的依次放在相同位置,用已經(jīng)獲取的傳感器的標(biāo)定曲線,進(jìn)行反測。在試驗臺座張拉端安裝標(biāo)準(zhǔn)力傳感器,采用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測量張拉力。在不同的荷載下,張拉力與相對磁導(dǎo)率的對應(yīng)變化擬合曲線見圖3-4,從圖顯示磁通量傳感器具有良好的一致性。

        圖3-4 傳感器的磁導(dǎo)率與力值曲線

        4 新疆某邊坡項目工程應(yīng)用

        新疆某水庫壩肩處理工程對梁進(jìn)行削坡卸荷,從山坡上部滑裂縫張開處,到壩頂高程以上坡腳處,將坡面突出巖體削掉。頂部用預(yù)應(yīng)力錨索加固。預(yù)應(yīng)力錨索在樁號W105m~W245m 范圍內(nèi),布置3—5 層預(yù)應(yīng)力錨索,錨索間距為4m,排距為5m,單根錨索提供1000kN 的錨固力,內(nèi)錨同段位于新鮮巖體內(nèi),“井”字錨固梁設(shè)置在坡面上,預(yù)應(yīng)力錨索布置在井字梁的交叉點上。[6]

        對預(yù)應(yīng)力錨索72 根鋼絞線中選取36 根鋼絞線安裝磁通量傳感器,磁通量傳感器安裝示意圖如圖4-1 所示。

        邊坡錨索健康安全監(jiān)測系統(tǒng)有四個子系統(tǒng)組成的數(shù)字采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與分析子系統(tǒng)及預(yù)警報警子系統(tǒng)對錨索在運行期的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測與分析,實時監(jiān)控壩間邊坡的穩(wěn)定性的目的。通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)布實時數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng),管養(yǎng)單位可以實時觀測邊坡安全狀態(tài)。數(shù)據(jù)如圖4-2 所示。

        錨索索力受溫度影響的變化見圖4-3,受水位影響的變化見圖4-4。

        圖4-1 磁通量傳感器安裝示意圖

        圖4-2 錨索監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

        圖4-3 錨索索力受溫度影響示意圖

        圖4-4 錨索索力受水位影響示意圖

        圖4-3 和圖4-4 所示,磁通量傳感器索力監(jiān)測系統(tǒng)很好的監(jiān)測到隨著溫度變化、水位變化實際錨索索力變化情況。能夠為邊坡穩(wěn)定性的評判和科學(xué)的管養(yǎng)提供理論依據(jù)。

        5 結(jié)論

        磁通量傳感器測量方法具備精度高、耐久性好、壽命長等優(yōu)點,且是一種無損、非接觸式的測量方法,能夠?qū)崿F(xiàn)多截面的安裝與測量。通過對溫度試驗獲取溫度修正系數(shù),能夠消除現(xiàn)場溫度對測量的影響。磁通量傳感器監(jiān)測法能有效地用于邊坡錨索的全壽命周期的長效監(jiān)測,有著良好的應(yīng)用前景。

        [1]韓侃.公路高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固監(jiān)測與分析[J].鐵道工程學(xué)報,2008,25 (1):53-56.DOI ∶ 10.3969/j.issn.1006-2106.2008.01.011.

        [2]張永安,李峰.邊坡錨索預(yù)應(yīng)力長期監(jiān)測成果分析[J].工程勘察,2010,38(3).

        [3]歐進(jìn)萍,關(guān)新春.土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展[J].地震工程與工程振動,1999,(2):21-28.

        [4]王社良,王威,蘇三慶,等.鐵磁材料相對磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力關(guān)系的磁力學(xué)模型[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2005,25(3):288-291.DOI∶10.3969/j.issn.1672-9315.2005.03.005.

        [5]鄧年春,龍躍,孫利民等.磁通量傳感器及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù),2008,(2):17-20.

        [6]曲苓,宋瑞華,汪洋等.克孜爾水庫右壩肩邊坡穩(wěn)定分析及加固措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2009,(23):58-59.DOI∶10.3969/j.issn.1003-6997.2009.23.043.

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