哈爾濱陽(yáng)明灘大橋引橋坍塌磁通量傳感器在海河大橋橋梁健康監測中的應用
24日5時(shí)30左右，哈爾濱機場(chǎng)高速由江南往江北方向，即將進(jìn)入陽(yáng)明灘大橋主橋的最后一段被四輛重載貨車(chē)壓塌，四輛貨車(chē)沖下橋體。事故目前已經(jīng)造成3人遇難5人受傷.
概況：
　　海河大橋位于海河入�？谔�，新港船閘和防潮閘內側，現狀建有雙向四車(chē)道特大橋一座，橋寬23米，橋梁起點(diǎn)位于海河南岸現狀海河大橋收費站處，終點(diǎn)止于新港二號路，與城區段高架橋相接，橋梁全長(cháng)2030米，其中跨越海河主橋采用獨塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310米，具體跨徑布置為46+3×48+310米，主橋全長(cháng)500米。兩側引橋為預應力T梁。新建橋梁斜拉橋結構采用與原橋基本相同、主塔與原橋塔對稱(chēng)布置的單塔斜拉橋，具體跨徑布置為310+2×50+2×40米。電力測量?jì)x | 壓力計 | 糖度計 | 電能質(zhì)量分析儀 | 熱流計 | 煙氣分析儀 | 溫濕度計 | 手鉗 | 溫度記錄儀 | 鉤表 | 斜嘴鉗 | 萬(wàn)用表
　　一、磁通量傳感器測量原理
　　當鐵磁性材料受到外力作用時(shí),其內部產(chǎn)生機械應力或應變,相應地引起磁化強度發(fā)生改變,即產(chǎn)生磁彈性效應。通過(guò)建立磁化強度與應力之間的關(guān)系,能實(shí)現對鐵磁材料中的應力進(jìn)行檢測。一個(gè)可行的應力檢測方法是在被測構件上纏繞兩個(gè)線(xiàn)圈,一個(gè)初級線(xiàn)圈,一個(gè)次級線(xiàn)圈,將被測材料作為線(xiàn)圈的鐵心進(jìn)行測量。如果在初級線(xiàn)圈的兩端加一個(gè)交流激勵信號,就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間而變化的交變磁場(chǎng),根據法拉第電磁感應定律,在次級線(xiàn)圈中就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢:
　　Vind(t)=-N（1）
　　通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量是沿著(zhù)被測試件的方向。測試過(guò)程中,被測試件可能并未完全充滿(mǎn)線(xiàn)圈,因此總的磁通量是由通過(guò)空氣的磁通量和通過(guò)試件的磁通量?jì)刹糠纸M成。感應電壓為:
　　Vind(t)=-NH(（2）
　　式中,和分別為線(xiàn)圈中被空氣和試件所占部分的表面積。是空氣的磁導率。如果將感應電壓對時(shí)間進(jìn)行積分,所得到的對時(shí)間進(jìn)行平均的輸出電壓是：
　　Vout=-inddt=[+ds]（3）
　　式中,H和B分別是磁場(chǎng)強度和磁通量密度在時(shí)間間隔(t2-t1)中所發(fā)生的變化,與此同時(shí)電流從0增大到Ia。與Ia相應的磁場(chǎng)強度是Ha,應測得磁場(chǎng)強度為Ha時(shí)的磁導率。如果線(xiàn)圈的匝數較多并且排列緊密,則其內的磁場(chǎng)幾乎是均勻的,有鐵心存在時(shí)也是如此。因此方程(3)可以簡(jiǎn)化為:
　　Vout=()]（4）
　　式中,S0是線(xiàn)圈的總的截面面積,Sf是試件的截面面積,T是是RC電路的時(shí)間常數。在線(xiàn)圈中未放試件的情況下,隨時(shí)間變化的輸出電壓的積分為: 
　　V0=（5）
　　由方程（4）和方程（5）可得
　　=[1+(-1)]（6）
　　則相對磁導率
　　=1+（-1）（7）
　　擬合相對磁導率與索力(或應力)的關(guān)系,便可用來(lái)測量鐵磁性材料的內張力。
　　通量傳感器就是利用上述原理制成的,其結構如圖1所示,它由初級和次級兩層線(xiàn)圈組成。當在初級線(xiàn)圈通入脈沖電流時(shí),鐵磁材料被磁化,會(huì )在鋼芯試件縱向產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。由于相互感應,在次級線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電壓,感應電壓同施加的磁通量成正比關(guān)系。對任一種鐵磁材料,在試驗室進(jìn)行幾組應力、溫度下的試驗,建立磁導率變化與結構應力、溫度的關(guān)系后,即可用來(lái)測定用該種材料制造的構件的內力。
　　圖1磁通量傳感器結構簡(jiǎn)圖
　　2海河大橋磁通量傳感器應用設計
　　海河大橋的主梁自重及汽車(chē)荷載均由拉索承擔，拉索是特別容易產(chǎn)生疲勞和腐蝕損傷的結構件，其壽命往往比橋梁其他構件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構件，起著(zhù)牽一發(fā)動(dòng)全身的作用，因此準確及時(shí)掌握拉索的內力及其變化特征至關(guān)重要。
　　為了監測所里的變化，以及在斜拉索發(fā)生損傷時(shí)，能夠及時(shí)通過(guò)安裝索力監測系統的傳感器監測其變化，系統中對長(cháng)、中、短索，都選擇部分斜拉索進(jìn)行監測。
　　拉索的索力可以采用基于動(dòng)力法索力測試、光纖光柵智能索和磁通量傳感器等方法測試，其中振動(dòng)法測索力技術(shù)應用比較廣泛，該方法對長(cháng)索具有較好的精度，但對短索誤差較大；磁通量技術(shù)測試精度高，但造價(jià)較高、數據采集系統復雜，對傳輸線(xiàn)的要求較高；光纖光柵智能索可以較準確地測量拉索的應變，但成品索的制作和運輸要求較高，本方案采用磁通量傳感器監測斜拉索索力，從而直接進(jìn)行拉索的安全評定。全橋共計74根斜拉索，其中在24根索內布置傳感器。
　　拉索索力分析：主要包括基于振動(dòng)法的斜拉索索力識別，基于斜拉索索力和應變監測的斜拉索索力極值分析和疲勞損傷分析。根據斜拉索索力極值和疲勞損傷進(jìn)行預警。
　　3數據采集系統
　　數據采集制度采用閥值和定時(shí)兩種方式，本次設計為：在橋梁結構運行的初期，采取24小時(shí)連續采用的策略；運行30天后，對數據進(jìn)行分析，揭示橋梁結構實(shí)際受力特點(diǎn)和規則，根據橋梁結構的實(shí)際受力特點(diǎn)和規律，確定觸發(fā)采集系統的閥值和確定定時(shí)采集的具體時(shí)間段。
　　數據采集系統的設計考慮數據采集系統的總體構架、數據采集系統的軟件、硬件、數據采集策略等幾個(gè)方面。該橋不是很長(cháng)，信號衰減不明顯，因此，采用一個(gè)數據采集站進(jìn)行數據的集中采集。數據采集站塔梁結合部位在主梁橋面上，為保證監測儀器正常工作，必須保持24小時(shí)連續供電。
　　數據采集策略分為動(dòng)態(tài)采集和靜態(tài)數據采集，數據采集制度需采用閥值和定時(shí)兩種方式，采樣頻率將根據橋梁結構的計算結果確定，但需保證數據具有間隔實(shí)時(shí)對應關(guān)系。
　　數據處理與控制子系統完成監測數據的校驗、結構化存儲、管理、可視化以及對監測采樣的控制等工作。數據處理與控制子系統在整個(gè)系統中起到承前啟后的重要作用，其具有以下幾個(gè)工程：監測數據的校驗；數據的初步分析；數據的結構化以及存儲、查詢(xún)、可視化；能夠響應后續功能模塊模塊對數據的請求；能夠控制傳感器子系統的采樣。
　　數據處理與控制子系統總體構成圖
　　結論：
　　在海河大橋的健康檢測中，全橋共計38組，每組2根，共76根斜拉索，在其中24根拉索上安裝磁通量傳感器，所有索力傳感器均安裝在錨下，其中，磁通量傳感器在索廠(chǎng)制作過(guò)程中安裝。磁通量傳感器安裝在拉索的下預埋管內，選用整束式磁通量傳感器，直接套在索體外部。磁通量傳感器能有效監測吊索安全。系統采集的數據可以通過(guò)光纖傳輸到海河大橋監控室，大大減輕了橋梁管理人員的負擔，并為橋梁管理提供了數據。監控中心接收到實(shí)時(shí)數據后根據設置的預警閥值進(jìn)行分級報警監測。