CN103048066A - 边坡锚索预应力状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种边坡锚索预应力状态监测方法，该方法包括如下步骤,第一步，确定检测用磁通传感器的激励线圈匝数和电流；第二步，对待测边坡锚索和检测用磁通传感器进行拉力试验，确定拉力与磁导率之间的关系；第三步，在待测边坡锚索上安装设计好的磁通传感器；第四步，在计算机中对第三步磁通传感器传出的数据进行监控分析，实时监测锚索预应力。本发明的监测方法，有测量精度高、动态响应快、使用寿命长，全天候监测等突出优点。

Description

边坡锚索预应力状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种预应力状态的监测方法，尤其涉及动态边坡锚索预应力状态监测方法。

背景技术

锚索是各种边坡结构的重要受力构件。施工过程中为保证结构的安全和施工的顺利进行,必须准确测量索力。索力大小是衡量锚索结构是否处于正常工作状态的重要标志，因此在锚索的施工和使用过程中必须准确了解索力的状况。锚索是一种内部高次超静定结构，通过调整锚索的索力可以使锚索的线形和内力达到理想状态。但是，如果实际索力偏离了设计索力，这种偏离会使锚索之间产生偏载（偏载可能导致锚索断裂）。通过对锚索索力的动态监测，不仅能得到锚索索力的动态变化趋势，为总体上评价锚索的运营状况提供依据，而且能在一定程度上检测锚索的锚固系统、防护系统是否完好，锚索是否发生锈蚀等，为其及时维护提供客观依据。

边坡预应力锚索的索力检测困难，目前由于缺乏相应的监测和养护，世界各地出现了大量钢绞线损坏事故，带来经济和生命财产损失。

目前，国内外的索力检测技术一般采用3种方法：(1)千斤顶张拉法；(2)压力传感器法；(3)频率法。目前最常使用的几种索力的检测方法都或多或少的存在着缺点，已经无法满足索力在线动态监测的要求，他们各自的具体优缺点：

千斤顶张拉法简单易行，是施工中控制索力最常用、实用的方法。若使用0.3～0.5级的精密压力表，测定的索力精度可达1%～2%。它最适合在建工程施工过程中对索力的测量和调整，但由于千斤顶液压表本身的一些特性，有指针易偏位，高压时指针会激烈变动，人工读数误差较大，荷载示值需转换等缺点，不适用于成建后的在线动态索力监测。

压力传感器法通常用电阻应变片、振弦和光纤光栅等作为敏感器元件，其突出的问题有三，其一是粘合剂问题，这就制约了压力传感器的精度、线性度及使用范围；其二是钢绞线的变形与敏感元件的变化有一个滞后，这就决定其动态响应差，很难适应动态在线检测要求；其三是钢绞线长期受交变应力作用，且并非每次均在弹性范围内，导致其使用有效寿命短，且价格昂贵，所以使用效果不理想。

频率法（也称振动法）适用在建结构，也适用成建结构的钢绞索力在线动态检测。但是钢绞线在张紧状态下其自由振动方程的解要受缆索的垂度、刚度、斜度和边界条件等多因素影响。同时，利用频谱图自动求解钢绞线的第n阶自振频率和相邻两阶的频率差也是很困难的。而且得出的结果可靠性取决于拾振器的安装位置，钢索是否起振等因素，不能实现全天候监测。

由于预应力技术的独特优势，已经在土木工程中得到大量的应用，如边坡预应力锚索，桥梁拉索等，同时边坡安全稳定性依赖于锚索预应力的大小。目前，预应力筋材主要采用的是钢绞线，因此对钢绞线索力的检测、监测成为预应力工程界关注的一个焦点，但是索力的动态检测技术一直没有得到有效解决。因此，对锚索进行动态监测，及时了解锚索的施工质量和服役状态是十分必要的。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的边坡预应力锚索的索力检测存在的缺陷，而提供一种新型边坡锚索预应力状态监测方法，所要解决的技术问题是保证测试结构简单、实现全天候动态取样，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种边坡锚索预应力状态监测方法，该方法包括如下步骤，

第一步，确定检测用磁通传感器的激励线圈匝数和电流；

第二步，对待测边坡锚索和检测用磁通传感器进行拉力试验，确定拉力与磁导率之间的关系；

第三步，在待测边坡锚索上安装设计好的磁通传感器；

第四步，在计算机中对第三步磁通传感器传出的数据进行监控分析，实时监测锚索预应力。

前述的边坡锚索预应力状态监测方法，所述磁通传感器内包括套筒式磁路。

前述的边坡锚索预应力状态监测方法，所述边坡锚索内设置有钢绞线。

前述的边坡锚索预应力状态监测方法，所述钢绞线由镀锌钢丝绕制而成。

前述的边坡锚索预应力状态监测方法，所述第三步中安装磁通传感器时，预留引线到地面上。

借由上述技术方案，本发明锚索有效应力监测方法至少具有下列优点：

磁通传感器具有输出功率大、结构简单、信号强、寿命长（可达50年）、过载保护能力强和响应好等优点，不但适用于静态测量，而且适用于在线索力动态检测，并可以全天候适时采样，同时锚索表面的防腐层和保护塑料套管对测量结果无影响，并且还可以测试锚索的腐蚀状况，是锚索健康监测最具潜力的方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为本发明边坡锚索预应力状态监测方法流程图；

图2为本发明的套筒式磁路结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,对依据本发明提出的边坡锚索预应力状态监测方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

本发明的边坡锚索预应力状态监测方法，方法包括如下步骤，

第一步，确定检测用磁通传感器的激励线圈匝数和电流；

第二步，对待测边坡锚索和检测用磁通传感器进行拉力试验，确定拉力与磁导率之间的关系；

第三步，在待测边坡锚索上安装设计好的磁通传感器；

第四步，在计算机中对第三步磁通传感器传出的数据进行监控分析，实时监测锚索预应力。

第一步，根据待测锚索的参数，包括直径、设计预应力、铁磁特性，设计磁通传感器的各种参数；

待测锚索内钢绞线由7根直径为4mm的45#镀锌钢丝绕制而成，钢绞线的直径为12mm，标称拉力为20KN。在磁通传感器设计时，无论是线轴内径或者是外壳内径，都必须保证能安装到钢缆索上。磁通传感器的绕线轴设计内径为16mm，在确保可套入锚索的同时，尽量减少绕线轴与锚索之间的空隙。

如图2所示，磁通传感器内设置套筒式磁路结构，主要包括轭铁1、磁极2、缆索3、感应线圈4和激励线圈5。磁极2和轭铁1都是使用磁导率大，矫顽力小，剩磁小的工业纯铁。套筒式磁路结构最适合应用于在建结构，由于边坡锚索的特殊性，很难在已建成的边坡中安装传感器，本发明主要用于在建边坡，所以选择套筒式磁路结构。轭铁1和磁极2参数如下表所示：

根据所选锚索的材料的磁化和磁导率曲线选择最佳工作点，以及锚索处于最佳工作点时锚索的磁通量，得到磁路的磁通量和磁路各部分尺寸就可以根据基尔霍夫定律和欧姆定律确定磁路各部分的磁导率和磁路的磁动势F。所以最后，根据磁路各部分需要的总磁动势，确定传感器激励线圈的匝数和电流。

45#镀锌钢丝最大磁导率对应的磁感应强度B为0.5T。锚索的截面积S为115mm²，由Ф=BS可计算出钢缆索中的磁通量。忽略磁路漏磁的影响，磁路中任一段的磁通量都等于经过锚索的磁通量。在得到磁路的磁通量Ф和各部分结构后，就可以计算磁路中的磁动势。根据磁路的欧姆定律，励磁线圈需要产生的磁动势F为：

$F=\mathrm{IN}=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Φ}}{G_i}---\left(1\right)$

其中，N为励磁线圈的匝数，I为励磁电流，Ф是磁路中的磁通量，G_i为磁路中各部分的磁导。

通过计算得F=NI=816，在磁动势一定的情况下，合理选择匝数与电流的关系是很重要的，匝数过多，造成的线圈体积大，匝数过少，因电流大会导致线路的发热量大，且增加了励磁电路的要求。测量线圈是被测信号的拾取部分，是后续信号处理的基础，其输出信号的大小除与被测信号本身的强弱有关外，还与线圈的匝数有关，匝数越多，拾取的信号越大，但附带的干扰和噪声成分越多，后续的信号处理就越困难，若匝数过少，拾取的信号弱，对后续的采样设备的精度要求很高，且会影响测量的灵敏度。结合设计的套筒式磁路各部分的尺寸大小以及励磁源提供电流的能力，励磁线圈的匝数500匝，这样励磁电流I=1.63A。

第二步，在室内试验室对待测锚索和设计的磁通传感器进行拉力试验，确定拉力与钢绞线的磁导率之间的关系；其拟合的相关系数r²越接近1表示拉力与钢索的磁导率有很好的线性关系,实验的重复性越小,该系统具有非常可靠的重复性，此系统说明该磁路结构设计很合理，适合于进行索力测量,测量结果具有很高的精度。

第三步，在边坡锚索上安装设计好的磁通传感器；

根据边坡锚索工程的设计中锚索群的位置，确定磁通传感器的分布，在一个边坡工程中有很多锚索，我们不需要时时检测每一根锚索，这样势必造成浪费，只要传感器的分布合理我们同样可以检测整个边坡的安全情况。同时由于锚索的工作环境都是在土体或岩石的内部并且需要灌浆。传感器的骨架和锚索之间的结合一定要紧密，传感器的线圈也要密封好。而且还要有引线接出，磁通传感器运往现场，请注意传感器与引线的保护。预应力现场施工过程中，请保护好引线。预应力张拉因为地下信号不好不能用无线元件传递检测的数据，所以要有引线接到地面上。

第四步，在计算机中对第三步磁通传感器传出的数据进行监控分析，实时监测锚索预应力。

磁通传感器就发出的信号通过磁通仪处理后传送到监控计算机，然后通过互联网传送到各个客户端，这样我们就可以实现远程对边坡的稳定性进行监测，最后只需要有相关专业人员定期对监测系统进行维护就可以保证监测系统的正常运行，实现对边坡的在线动态监测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种边坡锚索预应力状态监测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，

第一步，确定检测用磁通传感器的激励线圈匝数和电流；

第二步，对待测边坡锚索和检测用磁通传感器进行拉力试验；

第三步，在待测边坡锚索上安装设计好的磁通传感器；

第四步，在计算机中对第三步磁通传感器采集的数据进行监控分析，实时监测锚索预应力。

2.根据权利要求1所述的边坡锚索预应力状态监测方法，其特征在于：所述磁通传感器内包括套筒式磁路。

3.根据权利要求1所述的边坡锚索预应力状态监测方法，其特征在于：所述边坡锚索内设置有钢绞线。

4.根据权利要求3所述的边坡锚索预应力状态监测方法，其特征在于：所述钢绞线由镀锌钢丝绕制而成。

5.根据权利要求1所述的边坡锚索预应力状态监测方法，其特征在于：所述第三步中安装磁通传感器时，预留引线到地面上。

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