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摘 要：密闭高钒索当前已经成为国内新型建筑结构的常用索，是预应力结构中主要受力构件，在其他工程领域也逐步推广及应用。为解决常规索力监测技术在新型建筑结构预应力索监测的应用局限性，本文针对密闭高钒索材料特性，设计适配的磁通量传感器及数据采集系统，可在密闭高钒索全生命周期中实时、准确掌握其索力变化，实现对拉索索力的长效监测目标。
关键词：磁通量传感器 预应力 密闭高钒索 索力监测
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（a）-0024-04
Application of magnetic flux sensor in cable force monitoring of closed high vanadium cable
HUANG Hanbin1 YIN Chaoneng1 WANG xiongbiao1 QIN Huaqiao1 WANG Bo1 LIN Chunlan2
（1.Liuzhou OVM Structure Monitoring Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China;2.Guangxi University of science and technology， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China）
Abstract： At present， the Sealed high vanadium cable has become the common cable in new building structures in China， and it is the main stress component in the prestressed structures， which is also gradually popularized and applied in other engineering fields. In order to solve the limitations of conventional cable force monitoring technology in the application of prestressed cable monitoring of new building structure，this paper designs an appropriate magnetic flux sensor and data acquisition system according to the material characteristics of closed high vanadium cable， which can grasp the cable force changes in real time and accurately in the whole life cycle of closed high vanadium cable， and realize the long-term monitoring goal of cable force.
Key Words： Magnetic flux sensor; Prestress; Sealed high vanadium cable; Cable force monitoring
随着建筑预应力索结构的发展和材料的进步，高钒索（GALFAN）作为一种新型预应力索结构逐步普遍应用于大跨度空间建筑结构中。高钒索是95%锌-5%铝-混合稀土合金镀层的拉索，外层钢丝为Z型互相咬合达到密封效果的高钒索称为密闭高钒索，具有外形美观、抗腐蚀性强等优点[1]。
密闭高钒索作为建筑结构的核心受力构件，其索力并不是一個恒定的值，而是受建筑结构内外部的多种因素的影响而变化的值，建筑结构损伤也会通过索力表现出来。磁通量传感器在索力测量中具有抗干扰能力强、测量精度高、使用寿命长等优点，该技术在钢绞线、平行钢丝拉索等常规索结构中应用成熟[2-3]，但在密闭高钒索索力监测工程应用较少。因此，本文主要结合密闭高钒索结构特点，设计适配的磁通量传感器并试验验证测量精度，结合工程项目实现应用。
1 磁通量传感器测量机制
1.1 磁通量传感器测量原理
磁通量传感器是基于磁弹效应原理制成：当铁磁性材料（拉索）承受外界荷载作用时，其内部产生机械应变/应力，相应的引起其内部的磁化强度（磁导率）发生改变，即产生磁弹效应[4]，通过测量铁磁性材料制成的构件的磁导率变化，建立磁导率变化与应力之间的关系，最终测定铁磁性材料的受力，磁导率变化与应力的数学模型为[5]：
（1）
式中：表示磁化饱和状态铁磁性材料磁致伸缩系数;表示无外力作用下铁磁性材料的磁导率;表示磁化饱和状态的磁感应强度。
传感器基本结构见图1，在初级线圈施加一个脉冲激励信号，即在被测构件中产生一个随时间而变化的磁场[6]，同时在次级线圈中将会产生对应的感应电压：
（2） 将感应电压对其在时间间隔内进行积分换算后，可得被测构件的相对磁导率为：
（3）
式中：表示被测构件磁导率;表示空气的磁导率;表示初级线圈截面积;表示被测构件截面积;表示时间间隔内的平均输出电压;表示被测构件未放入初级线圈时的平均输出电压。
根据公式（3）利用实验室张拉标定台座，被测构件进行分级张拉实验，建立相对磁导率变化与被测构件应力关系[7-8]。
1.2 磁通量传感器及数据采集系统设计
1.2.1 传感器结构设计
磁通量传感器基本结构如图1、图2所示，传感器套接在被测构件外部，由内向外分别是内轴体、次级线圈、绝缘层、初级线圈和外套筒。以实际工程应用密闭高钒索（φ96mm）为例，设计与其适配传感器型号为CCT105，尺寸为（内径×外径×高度）φ105mm×φ195mm×326mm。
1.2.2 传感器数据采集系统设计
传感器数据采集系统如图3所示，远程监控中心采集软件控制磁弹仪给数据集线柜发送通道选址指令，在选定通道传感器的初级线圈接入一个脉冲激励信号，传感器次级线圈同步输出感应电压信号到磁弹仪中，随后磁弹仪结合张拉标定参数内部计算得到实测索力值，最后通过通讯接口转换模块将索力值回传至远程监控中心，实现索力监测。
1.2.3 传感器张拉标定测试
为研究设计磁通量传感器的测试精度，张拉标定测试采用与项目相同规格密闭高钒索（φ96mm）进行，其理论最小破断力≥9300kN，弹性模量（1.6±0.1）×105MPa。在张拉试验台座上安装完成密闭高钒索、磁通量传感器、锚具、千斤顶和标准传感器等设备和材料。
张拉过程中不同张拉分级下，拉索张拉力值与相对磁导率变化的对应标定曲线如图4所示，曲线中拟合程度R2=0.9986，拟合曲线趋势可靠性较高，反测最大相对误差为3%。所设计磁通量传感器应用在被测构件为密闭高钒索测量过程中，相对磁导率变化与应力相关性好，测量精度达到工程应用需求。
2 工程项目应用
磁通量传感器应用于福建某大跨度人行悬索桥工程中，大桥为自锚式悬桥结构，主缆采用φ96mm密闭高钒索，桥梁总宽4.4m，单跨跨度83m，塔高25m。现场安装如图5所示，传感器穿心式套接在拉索自由段，大桥主缆安装1台CCT105磁通量传感器实时监测索力值。
截取部分时程曲线如图5所示，基于磁通量传感器技术很好地监测到随着温度变化实际拉索索力变化情况，能够为悬索桥主缆的健康状态评估和科学养护提供理论依据。
3 结语
本文基于磁弹效应的原理并结合密闭高钒索的材料特性，设计适配的磁通量传感器及数据采集系统，通过张拉标定测试验证数学模型的有效性，最终应用到实际工程项目中，结果证明该监测技术可有效地应用于新型建筑结构预应力索的全生命周期的长效监测中，具备较好的应用前景。
参考文献
[1] 刘伟，陈丽红.大直径高钒索研制[J].金属制品，2015， 41（4）：9-12，16.
[2] 邓年春，龙跃，孙利民，等.磁通量传感器及其在桥梁工程中的應用[J].预应力技术，2018（2）：17-20.
[3] 王晓琳，周庠天.磁通量传感器在高边坡预应力锚索索力监测中的应用[J].江西建材，2016（18）：212-213.
[4] 王社良，王威，苏三庆，等.铁磁材料相对磁导率变化与应力关系的磁力学模型[J].西安科技大学学报， 2005（3）：288-291，305.
[5] 修成竹. 基于逆磁致伸缩效应的磁弹索力传感器研究[D].大连：大连理工大学，2019.
[6] 马建.斜拉桥拉索索力测试方法研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2020.
[7] 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.
[8] 李登峰，王刚，杨可标.磁弹式索力检测系统设计与仿真[J].传感器与微系统，2017，36（9）：67-69，76.
关键词：磁通量传感器 预应力 密闭高钒索 索力监测
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（a）-0024-04
Application of magnetic flux sensor in cable force monitoring of closed high vanadium cable
HUANG Hanbin1 YIN Chaoneng1 WANG xiongbiao1 QIN Huaqiao1 WANG Bo1 LIN Chunlan2
（1.Liuzhou OVM Structure Monitoring Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China;2.Guangxi University of science and technology， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China）
Abstract： At present， the Sealed high vanadium cable has become the common cable in new building structures in China， and it is the main stress component in the prestressed structures， which is also gradually popularized and applied in other engineering fields. In order to solve the limitations of conventional cable force monitoring technology in the application of prestressed cable monitoring of new building structure，this paper designs an appropriate magnetic flux sensor and data acquisition system according to the material characteristics of closed high vanadium cable， which can grasp the cable force changes in real time and accurately in the whole life cycle of closed high vanadium cable， and realize the long-term monitoring goal of cable force.
Key Words： Magnetic flux sensor; Prestress; Sealed high vanadium cable; Cable force monitoring
随着建筑预应力索结构的发展和材料的进步，高钒索（GALFAN）作为一种新型预应力索结构逐步普遍应用于大跨度空间建筑结构中。高钒索是95%锌-5%铝-混合稀土合金镀层的拉索，外层钢丝为Z型互相咬合达到密封效果的高钒索称为密闭高钒索，具有外形美观、抗腐蚀性强等优点[1]。
密闭高钒索作为建筑结构的核心受力构件，其索力并不是一個恒定的值，而是受建筑结构内外部的多种因素的影响而变化的值，建筑结构损伤也会通过索力表现出来。磁通量传感器在索力测量中具有抗干扰能力强、测量精度高、使用寿命长等优点，该技术在钢绞线、平行钢丝拉索等常规索结构中应用成熟[2-3]，但在密闭高钒索索力监测工程应用较少。因此，本文主要结合密闭高钒索结构特点，设计适配的磁通量传感器并试验验证测量精度，结合工程项目实现应用。
1 磁通量传感器测量机制
1.1 磁通量传感器测量原理
磁通量传感器是基于磁弹效应原理制成：当铁磁性材料（拉索）承受外界荷载作用时，其内部产生机械应变/应力，相应的引起其内部的磁化强度（磁导率）发生改变，即产生磁弹效应[4]，通过测量铁磁性材料制成的构件的磁导率变化，建立磁导率变化与应力之间的关系，最终测定铁磁性材料的受力，磁导率变化与应力的数学模型为[5]：
（1）
式中：表示磁化饱和状态铁磁性材料磁致伸缩系数;表示无外力作用下铁磁性材料的磁导率;表示磁化饱和状态的磁感应强度。
传感器基本结构见图1，在初级线圈施加一个脉冲激励信号，即在被测构件中产生一个随时间而变化的磁场[6]，同时在次级线圈中将会产生对应的感应电压：
（2） 将感应电压对其在时间间隔内进行积分换算后，可得被测构件的相对磁导率为：
（3）
式中：表示被测构件磁导率;表示空气的磁导率;表示初级线圈截面积;表示被测构件截面积;表示时间间隔内的平均输出电压;表示被测构件未放入初级线圈时的平均输出电压。
根据公式（3）利用实验室张拉标定台座，被测构件进行分级张拉实验，建立相对磁导率变化与被测构件应力关系[7-8]。
1.2 磁通量传感器及数据采集系统设计
1.2.1 传感器结构设计
磁通量传感器基本结构如图1、图2所示，传感器套接在被测构件外部，由内向外分别是内轴体、次级线圈、绝缘层、初级线圈和外套筒。以实际工程应用密闭高钒索（φ96mm）为例，设计与其适配传感器型号为CCT105，尺寸为（内径×外径×高度）φ105mm×φ195mm×326mm。
1.2.2 传感器数据采集系统设计
传感器数据采集系统如图3所示，远程监控中心采集软件控制磁弹仪给数据集线柜发送通道选址指令，在选定通道传感器的初级线圈接入一个脉冲激励信号，传感器次级线圈同步输出感应电压信号到磁弹仪中，随后磁弹仪结合张拉标定参数内部计算得到实测索力值，最后通过通讯接口转换模块将索力值回传至远程监控中心，实现索力监测。
1.2.3 传感器张拉标定测试
为研究设计磁通量传感器的测试精度，张拉标定测试采用与项目相同规格密闭高钒索（φ96mm）进行，其理论最小破断力≥9300kN，弹性模量（1.6±0.1）×105MPa。在张拉试验台座上安装完成密闭高钒索、磁通量传感器、锚具、千斤顶和标准传感器等设备和材料。
张拉过程中不同张拉分级下，拉索张拉力值与相对磁导率变化的对应标定曲线如图4所示，曲线中拟合程度R2=0.9986，拟合曲线趋势可靠性较高，反测最大相对误差为3%。所设计磁通量传感器应用在被测构件为密闭高钒索测量过程中，相对磁导率变化与应力相关性好，测量精度达到工程应用需求。
2 工程项目应用
磁通量传感器应用于福建某大跨度人行悬索桥工程中，大桥为自锚式悬桥结构，主缆采用φ96mm密闭高钒索，桥梁总宽4.4m，单跨跨度83m，塔高25m。现场安装如图5所示，传感器穿心式套接在拉索自由段，大桥主缆安装1台CCT105磁通量传感器实时监测索力值。
截取部分时程曲线如图5所示，基于磁通量传感器技术很好地监测到随着温度变化实际拉索索力变化情况，能够为悬索桥主缆的健康状态评估和科学养护提供理论依据。
3 结语
本文基于磁弹效应的原理并结合密闭高钒索的材料特性，设计适配的磁通量传感器及数据采集系统，通过张拉标定测试验证数学模型的有效性，最终应用到实际工程项目中，结果证明该监测技术可有效地应用于新型建筑结构预应力索的全生命周期的长效监测中，具备较好的应用前景。
参考文献
[1] 刘伟，陈丽红.大直径高钒索研制[J].金属制品，2015， 41（4）：9-12，16.
[2] 邓年春，龙跃，孙利民，等.磁通量传感器及其在桥梁工程中的應用[J].预应力技术，2018（2）：17-20.
[3] 王晓琳，周庠天.磁通量传感器在高边坡预应力锚索索力监测中的应用[J].江西建材，2016（18）：212-213.
[4] 王社良，王威，苏三庆，等.铁磁材料相对磁导率变化与应力关系的磁力学模型[J].西安科技大学学报， 2005（3）：288-291，305.
[5] 修成竹. 基于逆磁致伸缩效应的磁弹索力传感器研究[D].大连：大连理工大学，2019.
[6] 马建.斜拉桥拉索索力测试方法研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2020.
[7] 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.
[8] 李登峰，王刚，杨可标.磁弹式索力检测系统设计与仿真[J].传感器与微系统，2017，36（9）：67-69，76.