彭渝舒 韋元學 章 粒

（柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)有限公司， 廣西 柳州 545005）

0 引言

對于斜拉橋結(jié)構(gòu)，拉索鋼絲的應力松弛、主梁及索塔混凝土的收縮徐變、氣候的變化、斜拉索的風致振動等因素，都會對整個橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其外在反映最突出的表現(xiàn)是拉索索力重新分配，并導致主梁線形發(fā)生變化，索力變化也會使主梁及索塔產(chǎn)生二次內(nèi)力。尤其在成橋之后的數(shù)年時間內(nèi)，其變化情況更為顯著。因此，斜拉索索力通常是用來評估拉索是否正常工作、橋梁運營狀態(tài)是否正常合理的關(guān)鍵參數(shù)，在橋梁建設期和正常運營期，拉索索力的準確測量非常重要。

在橋梁運營期建立的橋梁索力監(jiān)測系統(tǒng)，由于傳感器為后安裝方式，監(jiān)測的數(shù)值多為索力相對變化量，因此在結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)中需要更為精確和復雜的模型計算和分析。在橋梁建設初期組建索力監(jiān)測系統(tǒng)，建立建設期索力監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工監(jiān)測數(shù)據(jù)、成橋試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系，使索力監(jiān)測數(shù)據(jù)在一定程度上轉(zhuǎn)換成絕對值，這對拉索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估是有科學意義的。

1 索力監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 設計背景

項目斜拉橋位于埃及首都開羅舒卜拉區(qū)，是埃及第一座自主設計和施工的斜拉橋。大橋跨徑布置為（3×40+300+3×40）m，橋梁設計為雙幅七跨連續(xù)疊合梁混合結(jié)構(gòu)，邊跨為單箱五室鋼筋混凝土梁，中跨為雙工字鋼組合梁結(jié)構(gòu)。

大橋兩個主塔均為雙H型混凝土塔柱，中間塔柱合為一整體，主塔橋面以上高度為76 m。斜拉索為四索面結(jié)構(gòu)，采用OVM250平行環(huán)氧鋼絞線斜拉索，斜拉索張拉端位于主塔上，梁端為固定端。每個主塔設有10對拉索，全橋共160束拉索，斜拉索采用環(huán)氧涂層鋼絞線，強度等級1860 MPa。

大橋的鋼絞線斜拉索采用“逐根張拉， 逐根錨固”的方法掛設，施工時其索力控制需要使張拉完成時，整束斜拉索的索力達到目標索力的要求，同時使各根鋼絞線的索力滿足均勻性的要求。同時需要在大橋運營期，能持續(xù)獲取大橋索力，為管養(yǎng)單位提供科學的、長期的索力數(shù)據(jù)。因此，需要為大橋設計一種索力監(jiān)測系統(tǒng)，同時將監(jiān)測系統(tǒng)的設計及實施與橋梁主體設計、施工同步進行，使索力監(jiān)測系統(tǒng)在大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與評估工作中發(fā)揮更重要的作用。

1.2 設計方案

目前常用的索力監(jiān)測方法包括壓力傳感器法、磁通量傳感器法以及振動頻率法等。這些測試方法的原理和特點各不相同，可分為直接法和間接法。

直接法（壓力傳感器法）傳力路徑明確，測試精度較高，但受材料變形、傳遞失真影響，精度和耐久性無法同時保證，在受力狀態(tài)下無法更換或重新校準，拉索尺寸較大時傳感器噸位也大，綜合成本高，因此傳統(tǒng)的壓力傳感器對長期監(jiān)測有一定的局限性。間接法（磁通量傳感器法、振動頻率法）通過測量斜拉索結(jié)構(gòu)受力后的響應來推算索力，克服了直接法測量索力時存在的問題。振動頻率法通過傳統(tǒng)吸附式加速度傳感器，獲得斜拉索在環(huán)境振動激勵下的振動信號，根據(jù)頻譜圖確定斜拉索的自振頻率后，通過索力與斜拉索自振頻率間的對應關(guān)系獲得索力。毛建平等人通過來賓永鑫大橋施工監(jiān)控項目，提出采用壓力傳感器測試單根鋼絞線張拉力的均勻性，并對頻率法測試索力的影響因素進行分析和修正，提出采用頻率法測試整束索力的監(jiān)控方法。磁通量法是將斜拉索本身作為傳感器的鐵芯，并在其外部穿套能形成特殊磁場的傳感器，通過建立纜索磁特性與其所受張力之間的內(nèi)在關(guān)系，檢測傳感器輸出信號，從而完成纜索索力測量的一種方法。

由于該項目位于海外，拉索使用鋼絞線拉索體系，其成橋后的拉索還將安裝外護套、減振器等構(gòu)件，這些都將影響拉索的振動信號，若使用振動頻率法，索力系統(tǒng)還需要更為復雜的建模分析確定邊界條件，以進行索力計算和結(jié)構(gòu)分析。

磁通量傳感器為套筒式結(jié)構(gòu)，在出廠前就已安裝固定在錨具內(nèi)，不直接接觸拉索，測量環(huán)境穩(wěn)定，同時傳感器為套筒式結(jié)構(gòu)，不受拉力、振動等外界環(huán)境影響，傳感器使用壽命可以與拉索體系一致。因此，從傳感器安裝便捷性、測量穩(wěn)定性及系統(tǒng)維護性、耐久性等方面綜合考慮，該項目斜拉橋選擇磁通量法組建索力監(jiān)測系統(tǒng)。

1.3 磁通量傳感技術(shù)原理

磁通量索力傳感器如圖1所示，傳感器由初級線圈和次級線圈組成，被測纜索作為磁芯，線圈與被測構(gòu)件同軸，次級線圈位于初級線圈的中心。初級線圈也稱激勵線圈，當有電流通過時，產(chǎn)生磁場，磁化被測構(gòu)件。次級線圈也稱為感應線圈，感受由磁場變化而引起的磁通量變化，并轉(zhuǎn)換成感應電壓。

圖1 磁通量索力傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁感應定理，如果在激勵線圈中通過電流，就會產(chǎn)生一個強度為的磁場，同時在被測構(gòu)件中產(chǎn)生磁感應強度或者磁通量密度，感應線圈中的磁通量如公式（1）所示。

式中：為真空磁導率；μ為被測構(gòu)件的相對磁導率；為磁通量密度；為被測構(gòu)件的橫截面積；為激勵電流；為磁場強度；為激勵線圈匝數(shù)。當磁通量隨時間變化時，對式（1）進行微分，即可在感應線圈中得到感應電壓U。

式中：為感應線圈匝數(shù)。從式（2）可知，當激勵電流為直流信號時，式（2）右邊第二項為0，則：

但應力引起被測構(gòu)件相對磁導率μ隨時間的變化無法預知，導致感應電壓無法測定，因此激勵電流不能為直流方式，只能為交變方式。當激勵為交變電流時，可采用如圖2所示的雙向脈沖交流激勵方式。

圖2 磁通量測力的雙向脈沖激勵結(jié)構(gòu)

當激勵電流是雙向脈沖信號時，微分后得一瞬時電壓，不易測量，因此對感應電壓進行積分，轉(zhuǎn)換成積分電壓進行測量。不同拉應力下，積分電壓不同。

式（4）反映了纜索鋼構(gòu)件材料的相對磁導率μ、線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)件截面積與感應線圈輸出電壓U、的關(guān)系，并不能直接反應纜索所受拉應力大小。因此，在利用式（4）的測量結(jié)果反推纜索的受力大小時，還必須在實驗室對被測的拉索進行拉應力試驗標定，通過試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，建立輸出電壓與拉應力的關(guān)系。在此基礎上，可利用式或進一步掌握纜索所受拉伸應力與相對磁導率、矯頑力等材料磁特性參數(shù)的關(guān)系（圖3）。

圖3 纜索拉力與磁特性參關(guān)系

2 項目斜拉橋索力監(jiān)測系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)主要由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、索力監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成，由于該系統(tǒng)為離線索力監(jiān)測系統(tǒng)，因此采用的是定時或人工定期檢測的方式進行索力數(shù)據(jù)采集和管理，單塔（即1/2系統(tǒng)）系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 （1/2）索力系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 傳感器子系統(tǒng)

該項目斜拉橋共有55孔、61孔、73孔、91孔、109孔及127孔7種規(guī)格的錨具，以傳感器的引出數(shù)據(jù)線不影響錨具結(jié)構(gòu)，同時考慮經(jīng)濟性最優(yōu)，項目選擇在拉索錨具內(nèi)安裝3臺磁通量傳感器。傳感器安裝示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 73孔錨具傳感器安裝設計圖

圖6 91孔錨具傳感器安裝實物圖

由于梁端安裝了防護系統(tǒng)，因此將磁通量傳感器安裝在塔端張拉端錨頭里面，如圖7所示。拉索索力直接影響到斜拉橋主梁的線形分布及大橋正常安全運營，考慮到各拉索長度不一、各索力不均勻的特點，且需滿足大橋施工、養(yǎng)護管理和運營的需要，在每束拉索上均布置磁通量傳感器測點，全橋160束拉索，共布置480臺磁通量傳感器。

圖7 磁通量傳感器安裝示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

為便于調(diào)試及運營期使用，索力采集站設計布置在橋面橋塔內(nèi)。將數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設計為星型拓撲結(jié)構(gòu)，星型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，便于管理。對于采集主站這一中央節(jié)點來說，其中一個采集子站或者某個采集子站中的一個傳感器測點故障，都不會影響其余測點（采集子站）的正常工作。同時可以根據(jù)拉索施工時間，對已完成張拉索的傳感器提前進行數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)集成，縮短整個索力系統(tǒng)的施工周期，節(jié)約人工和時間成本。

兩座橋塔的索力采集系統(tǒng)架構(gòu)一致，單塔索力采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。上橫梁布置數(shù)據(jù)采集子站，集成該側(cè)塔柱拉索（面）所有傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對傳感器多路通道自動切換，每座橋塔布置4臺，每臺數(shù)據(jù)采集子站控制60臺磁通量傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸；橋面布置數(shù)據(jù)采集主站，集成該塔的數(shù)據(jù)采集子站數(shù)據(jù)，每座橋塔布置1臺，采集主站內(nèi)布置一臺索力采集儀—磁彈儀，對接入的4臺數(shù)據(jù)采集子站的240臺傳感器進行巡檢式索力測量。

圖8 單塔索力采集系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集主站內(nèi)預留系統(tǒng)接口，可為后期系統(tǒng)升級或接入其他監(jiān)測系統(tǒng)使用。

2.3 索力監(jiān)測軟件

數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)通過索力監(jiān)測軟件（安裝在客戶端的計算機或筆記本電腦內(nèi)），實現(xiàn)對斜拉橋索力監(jiān)測數(shù)據(jù)的定時采集、存儲、分析預警等功能，如圖9所示。

圖9 索力監(jiān)測軟件功能模塊組成

軟件基于LabWindows/CVI開發(fā)實現(xiàn)，其運行的操作系統(tǒng)平臺為WIN7/WIN10。軟件可以設置數(shù)據(jù)定時/實時采集，數(shù)據(jù)存儲至客戶端。軟件的定時采集類型：周期一般為分鐘級，可結(jié)合物理量自身特點及發(fā)展變化趨勢進行彈性設置。軟件在設置預警閾值后，對超過閾值的索力數(shù)據(jù)將進行紅色預警。預警閾值是區(qū)分結(jié)構(gòu)狀態(tài)及橋梁運營安全的重要標志，閾值的設置應綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)受力理論分析、荷載試驗檢定結(jié)果、過去一段時間數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征、橋梁設計及檢定要求等因素進行綜合考慮，系統(tǒng)預警閾值應設置合理，系統(tǒng)初期閾值設置大于設計值或0.95倍設計值時進行紅色預警，后期通過對橋梁一段時間狀態(tài)的跟蹤分析，適時調(diào)整閾值，避免因閾值設置不合理帶來的無效預警或遺漏預警，并結(jié)合結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力和線形計算、測量數(shù)據(jù)，進行索體結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估。

3 索力監(jiān)測系統(tǒng)的實際工程應用

3.1 索力監(jiān)測系統(tǒng)搭建過程介紹

在預埋了磁通量傳感器的鋼絞線拉索安裝后，將進行傳感器初值測量。在該孔位鋼絞線完成張拉，以及該束拉索整體張拉或索力調(diào)整以及大橋合龍、橋面鋪裝等關(guān)鍵階段，均進行索力通測，測量范圍包括當前安裝的拉索、前期已安裝的拉索。最后在橋梁主體工程基本完成后，進行系統(tǒng)集成和系統(tǒng)調(diào)試，索力系統(tǒng)的試運行期為1個月。施工的組建流程如圖10所示。

圖10 索力監(jiān)測系統(tǒng)搭建及索力測量過程

3.2 傳感器的安裝調(diào)試與索力測量

以橋2的邊跨6號索為例（位置見圖11）,拉索規(guī)格為OVM250-64。其安裝的三臺磁通量傳感器編號為1#、2#、3#，安裝孔位對應張拉次序分別為第27、第31、第35，如圖12所示，磁通量傳感器在拉索安裝時進行零值校核，采用手持磁彈儀進行單點傳感器測量。根據(jù)等張施工法的特點，理論上每根鋼絞線的受力都是一致的，這時，以這3個傳感器測得力值的算術(shù)平均值乘以鋼絞線總根數(shù)得出整束斜拉索的力值。

圖11 6號拉索位置示意

圖12 單根張拉試驗張拉次序圖（圖示數(shù)字為張拉次序）

為檢驗磁通量索力測量準確度，將首根張拉的鋼絞線作為基準鋼絞線，在上面安裝30 T單孔壓力傳感器，對鋼絞線進行單根張拉力測試。每張拉一根鋼絞線，均測量第一根鋼絞線上的壓力傳感器力值，使在最后一根鋼絞線張拉后，第一根鋼絞線壓力值的離散誤差不大于設計目標值的2%。最后一根（第64）鋼絞線張拉完成后，第一根鋼絞線索力值為76 kN。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 單根張拉試驗磁通量傳感器測量值

通過單根張拉試驗，證明每根鋼絞線索力均勻性較好，測量得到的磁通量傳感器索力值與基準鋼絞線的壓力傳感器測量值、油表拉拔力、設計力值吻合。

3.3 索力系統(tǒng)調(diào)試與測量

在橋梁拉索及其他主體結(jié)構(gòu)施工完成后，進行索力傳輸系統(tǒng)布設及相關(guān)系統(tǒng)集成。系統(tǒng)集成后，R2-BR2-N-S6拉索磁通量傳感器在系統(tǒng)試運行階段（2019年8月）、系統(tǒng)運行1年后（2019年9月）的測量值見表2。

表2 R2-BR2-N-S6拉索磁通量傳感器1年后的測量值

3.4 索力監(jiān)測系統(tǒng)評價

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，說明了在斜拉索張拉期，磁通量傳感器按要求進行零值測量后，其所測索力能準確反映拉索索力變化絕對值，且與施工張拉控制力、設計目標值一致。星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，方便管養(yǎng)單位進行系統(tǒng)的日常管養(yǎng)維護，減輕大跨度橋梁的運營管理強度。在運行一年后，索力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性很好，輔助大橋管養(yǎng)者制定高效、經(jīng)濟、合理的拉索體系養(yǎng)護措施，延長橋梁的安全使用壽命。通過定期的索力測量，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力和線形計算分析，能夠盡早發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)自身及行車所面臨的危險狀況，便于在橋梁結(jié)構(gòu)危險萌芽階段發(fā)出預警，也能有效地監(jiān)管運營期橋梁的拉索體系結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)及其發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

埃及該項目斜拉橋采用的磁通量傳感器在橋梁建造期安裝并應用于過程索力測量，測量精度高，測量直觀、方便，索力數(shù)據(jù)在橋梁運營期，可為拉索體系管養(yǎng)及橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的分析提供較高參考價值，同時當索力監(jiān)測點數(shù)量較多時，選擇易于管理的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可降低系統(tǒng)維護時間成本。在日常運營使用過程中，有必要對索力系統(tǒng)進行科學維護，保證索力數(shù)據(jù)的全面性、可靠性。該項目斜拉橋磁通量索力監(jiān)測系統(tǒng)的應用，也為以后設計施工同類大跨度鋼絞線斜拉索體系的大橋結(jié)構(gòu)提供一種可靠的過程索力監(jiān)測及長期索力監(jiān)測方式，并為類似結(jié)構(gòu)設計、建設、養(yǎng)護技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。