劉尚凱，周建庭，張向和，趙瑞強(qiáng)，張瀟汀

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市市政設(shè)施管理局，重慶 400015；3. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

拱橋以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)今大跨度橋梁的最主要橋型之一[1]，吊桿作為拱橋主要受力結(jié)構(gòu)[2]，準(zhǔn)確檢測(cè)其應(yīng)力狀態(tài)對(duì)橋梁科學(xué)管養(yǎng)和維修決策具有至關(guān)重要的作用[3]。鋼絞線由于具有強(qiáng)度高、在結(jié)構(gòu)中排列安置方便且易于錨固等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的運(yùn)用于吊桿中[4]，研究鋼絞線的應(yīng)力狀態(tài)有助于更好的了解實(shí)際吊桿的受力狀態(tài)[5]。

索力值是衡量鋼絞線結(jié)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)的重要標(biāo)志[6]。常見的索力測(cè)量方法如千斤頂張拉法[7]，頻率法[8]，壓力傳感器法[9]，磁通量法[10]等存在測(cè)量精度低、儀器使用不便、數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題。鋼絞線是一種典型的鐵磁性材料[11]，該類材料在外部工作載荷和地磁場(chǎng)的共同作用下，其應(yīng)力集中位置將發(fā)生磁疇組織的定向和不可逆的重新取向，在構(gòu)件表面形成微弱的漏磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象被稱為自發(fā)漏磁效應(yīng)[12-13]。

基于自發(fā)漏磁效應(yīng)的無損檢測(cè)技術(shù)擁有著測(cè)量精度高、儀器輕便且抗干擾性好等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于管道、液壓容器、儲(chǔ)存罐等鐵磁性構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)中[14]。董麗虹等[15]研究了磁記憶信號(hào)對(duì)不同應(yīng)力集中程度，疲勞裂紋及殘余應(yīng)力的反映；X. FANG等[16]建立了可以利用等效磁場(chǎng)來表示應(yīng)力作用效應(yīng)的數(shù)學(xué)理論模型，其研究表明金屬材料在受拉或受壓時(shí)，其材料內(nèi)部的磁化強(qiáng)度將會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)；杜磊等[17]利用開發(fā)出的金屬磁記憶檢測(cè)儀對(duì)拉伸鋼棒進(jìn)行測(cè)量，對(duì)所得數(shù)據(jù)采用一維小波降噪處理，以確定其應(yīng)力集中區(qū)；PANG Caoyuan等[18]研究了加載過程中裸筋與外包混凝土所受拉力與漏磁信號(hào)的特征關(guān)系，提出了通過漏磁信號(hào)推導(dǎo)鋼筋受力狀態(tài)的方法。

綜上所述，基于自發(fā)漏磁效應(yīng)的無損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)鐵磁材料的微觀損傷與應(yīng)力集中上應(yīng)用較多，基于此技術(shù)的鋼筋應(yīng)力測(cè)量也有不少的研究，但在漏磁信號(hào)與鋼絞線所受拉力相關(guān)性問題方面鮮有報(bào)道。筆者以鋼絞線為對(duì)象進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探究了自發(fā)漏磁與鋼絞線所受拉力之間的相關(guān)性，為吊桿鋼索應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量打下基礎(chǔ)。

筆者研究了鋼絞線所受拉力F與其漏磁場(chǎng)B的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并探索了此關(guān)系受試件長(zhǎng)度L與提離高度Z影響的情況，具體的研究流程如圖1。

圖1 研究流程Fig. 1 Research process

1 試驗(yàn)過程

1.1 試件制備

本試驗(yàn)以1 860級(jí)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線為試驗(yàn)對(duì)象，該類鋼絞線直徑15.24 mm、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa，采用水冷切割以減少加工過程對(duì)于鋼絞線漏磁場(chǎng)的影響。試驗(yàn)中鋼絞線的截面積取140 mm2進(jìn)行計(jì)算，則其理論破斷值對(duì)應(yīng)的拉力為140×1 860=260.4 kN，作為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的鋼絞線極限承載力取破斷值的60%～65%，本試驗(yàn)中取62.5%，即260.4×62.5%=162.75 kN。

為減少加工過程對(duì)漏磁場(chǎng)的影響，采用水切割法對(duì)同一批次的鋼絞線進(jìn)行加工，制成不同長(zhǎng)度的鋼絞線試件，編號(hào)為C1～ C5，各編號(hào)試件分別設(shè)置3組重復(fù)性試驗(yàn)。為探究不同試件長(zhǎng)度L、不同提離高度Z(磁探頭中心與鋼絞線的距離)對(duì)漏磁信號(hào)的影響，本試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)對(duì)照組。以C1為標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)照組1包括C2、C3，對(duì)照組2包括C4、C5，試件的具體參數(shù)與分組情況如表1。

表1 試件參數(shù)Table 1 Specimen parameters

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加工后的試件采用WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，以N級(jí)在上、S級(jí)在下的方向進(jìn)行固定，兩端采用18 cm的鋁制夾片進(jìn)行夾持，夾持長(zhǎng)度為15 cm。鋼絞線表面漏磁信號(hào)選用HMR2300三軸微磁傳感器進(jìn)行采集，并通過NetPort串口傳入信號(hào)接收器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。相關(guān)設(shè)備如圖2。

傳感器中心位置水平對(duì)齊鋼絞線試件軸向L/2處，儀器的連接方式與擺放位置如圖3。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig. 2 Test equipment

圖3 試驗(yàn)設(shè)備布置示意Fig. 3 Schematic diagram of test equipment layout

1.3 試驗(yàn)方案

張靜等研究了構(gòu)件在單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵磁材料在進(jìn)行勻速拉伸時(shí)，其表面漏磁場(chǎng)呈規(guī)律性變化，且漏磁信號(hào)曲線在特定應(yīng)力值下存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以用以判斷試件所處的應(yīng)力階段[19]。因此，本試驗(yàn)進(jìn)行鋼絞線試件勻速拉伸，研究試件表面漏磁信號(hào)與所受拉力間的關(guān)系。

在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線試件進(jìn)行加載，采用5 mm/min的速度進(jìn)行勻速拉伸，從0 kN加載到200 kN。鋼絞線試件加載過程中磁傳感器測(cè)得隨時(shí)間變化的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度B，萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得鋼絞線所受拉力大小F隨時(shí)間的變化情況。分析力學(xué)信號(hào)與磁信號(hào)的變化趨勢(shì)、對(duì)應(yīng)關(guān)系，并繪制力-磁曲線。

圖4 鋼絞線加載前后磁場(chǎng)分布示意Fig. 4 Schematic diagram of magnetic field distribution before andafter steel strand loading

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 漏磁場(chǎng)變化情況與影響因素

圖5給出了加載過程中，試件C1表面漏磁場(chǎng)各方向分量隨所受拉力的變化曲線，其中Bx、By與Bz皆為磁傳感器測(cè)量值減去試件自身磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)的結(jié)果，表示由加載引起的鋼絞線表面漏磁場(chǎng)在測(cè)點(diǎn)處的變化情況。

圖5 試件C1漏磁場(chǎng)強(qiáng)度隨所受拉力變化關(guān)系Fig. 5 The relationship between the strength of the leakage magneticfield of specimen C1 and the tensile force

由圖5可知，在加載過程中，隨著所受荷載F的增加，鋼絞線表面漏磁場(chǎng)呈規(guī)律性變化：漏磁場(chǎng)的切向分量Bx波動(dòng)較大，整體呈下降趨勢(shì)；漏磁場(chǎng)的法向分量By較為穩(wěn)定，整體呈上升趨勢(shì)；漏磁場(chǎng)的分量Bz先減小再增大，存在明顯的轉(zhuǎn)折。由于漏磁場(chǎng)法向分量By與荷載F的有著較好的單映射關(guān)系，且By-F曲線較為光滑，故選擇漏磁場(chǎng)法向分量進(jìn)一步研究，并以相同方法處理其余4組試件，繪制By-F曲線，以進(jìn)一步研究其對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖6。

圖6 漏磁場(chǎng)法向分量By隨所受拉力F變化關(guān)系Fig. 6 The relationship between the normal component of leakagemagnetic field By and the tensile force F

由圖6可知，在相同的加載工況下，5組試件的漏磁曲線形狀具有一致性，但數(shù)值上有明顯的差值。即加載過程中，試件的漏磁場(chǎng)呈規(guī)律性變化，By與F正相關(guān)，其梯度隨加載過程而變化。這表明鋼絞線所受的拉力F、鋼絞線試件長(zhǎng)度L與提離高度Z都會(huì)影響鋼絞線表面漏磁場(chǎng)。為探究自發(fā)漏磁與鋼絞線受力的關(guān)系，需要采用控制變量的方法，分別研究以上三因素對(duì)自發(fā)漏磁的影響。

2.2 加載過程自發(fā)漏磁信號(hào)的變化

圖7給出了試件C1的By-F曲線、參照線以及Ky-F曲線。其中By與F非線性相關(guān)，但通過與參照線的對(duì)比，能夠更好的研究By-F曲線的分布情況。為進(jìn)行定量分析，對(duì)By-F曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得到漏磁場(chǎng)法向強(qiáng)度對(duì)于所受拉力的一階偏導(dǎo)數(shù)Ky=dBy/dF，Ky表示的By梯度，并進(jìn)行曲線擬合，得漏磁場(chǎng)法向分量梯度曲線Ky-F。

圖7 By-F關(guān)系圖與Ky-F關(guān)系Fig. 7 By-F diagram and Ky-F diagram

由圖7可知，漏磁場(chǎng)的法向分量By變化與鋼絞線受拉力F正相關(guān)，但線性較差。對(duì)比參照線，在F=18.56～112.87 kN內(nèi)，By-F曲線產(chǎn)生了明顯的“凹陷”，即其梯度在該區(qū)間內(nèi)發(fā)生了明顯的變化，通過Ky-F曲線對(duì)By-F曲線的變化情況進(jìn)一步分析。Ky-F曲線在F=6.25 kN時(shí)過0點(diǎn)，即By-F曲線在F=0～6.25 kN間呈下降趨勢(shì)，在F=6.25～200 kN間呈上升趨勢(shì)。這是由于拉伸初期，鋼絞線內(nèi)部存在大量無序排列磁疇，受拉使得磁疇組織重新取向排列以抵消增加的機(jī)械能，期間漏磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。隨著荷載逐漸增大，受拉鋼絞線會(huì)發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)和磁疇組織定向運(yùn)動(dòng)，磁導(dǎo)率增大進(jìn)而形成磁極[21]，此時(shí)By隨著F的增大而單調(diào)遞增。Ky-F曲線在F=0～18.06 kN與57.48～112.87 kN內(nèi)分別遞增，在F=18.06～57.48 kN與112.87～200.00 kN內(nèi)分別遞減，即Ky-F曲線在加載過程中存在3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別是18.06、57.48、122.87 kN。

本試驗(yàn)采用φs15.24(1×7)1 860級(jí)鍍鋅鋼絞線，作為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的鋼絞線極限承載力取破斷值的60%～65%，本試驗(yàn)中取62.5%，即162.75 kN。則以上轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)11.08%、35.32%與75.50%極限承載力，現(xiàn)將這3點(diǎn)定義為特征點(diǎn)A、特征點(diǎn)B與特征點(diǎn)C。這是由于拉伸過程中鋼絞線內(nèi)部磁導(dǎo)率非線性增大，致使漏磁強(qiáng)度產(chǎn)生畸變所導(dǎo)致的[21]。

2.3 提離高度與試件長(zhǎng)度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

上述結(jié)果顯示，加載過程中By-F曲線呈規(guī)律性變化，且Ky-F曲線存在特征點(diǎn)。如圖8，將2對(duì)照組的漏磁場(chǎng)法向分量繪出，以探究By-F曲線的一般性規(guī)律，以及試件長(zhǎng)度L與提離高度Z對(duì)自發(fā)漏磁的影響。

如圖8(a)，當(dāng)試件長(zhǎng)度一定時(shí)，漏磁場(chǎng)切向分量By隨著所受荷載F的逐漸增加呈規(guī)律性變化：當(dāng)提離高度為1 cm和2 cm時(shí)，By與F呈正相關(guān)，且曲線存在“兩端陡、中間平緩”的現(xiàn)象；當(dāng)提離高度為4 cm時(shí)，By隨著F的增加先減小后增大，整體上接近一根水平直線，這是由于該提離高度下，外界磁場(chǎng)對(duì)漏磁場(chǎng)的影響較大造成的。這表明隨著提離高度的增大，測(cè)得的By-F曲線逐漸平緩，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍逐漸減小。

如圖8(b)，當(dāng)提離高度一定時(shí)，漏磁場(chǎng)切向分量By隨著所受荷載F的逐漸增加呈規(guī)律性變化，By與F呈正相關(guān)，且曲線存在“兩端陡、中間平緩”的現(xiàn)象。當(dāng)L=50 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的By-F曲線變化值與變化率都明顯大于其他試件，這可能是由于當(dāng)鋼絞線試件較短時(shí)，測(cè)點(diǎn)離兩端較近，端頭效應(yīng)較為明顯所導(dǎo)致的。這表明隨著試件長(zhǎng)度的增大，測(cè)得的By-F曲線變化率趨于定值，By與F接近線性相關(guān)。

圖8 不同影響因素下By-F關(guān)系Fig. 8 By-F relationship diagram under different influencing factors

2.4 基于漏磁場(chǎng)的鋼絞線應(yīng)力分級(jí)測(cè)量

仿照試件C1的處理方式，求出各組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的法向分量梯度曲線Ky-F，如圖9，求出特征點(diǎn)位置、各試件參數(shù)與分析結(jié)果匯總于表2中。

由圖9與表2可知，試件1與試件2的Ky-F曲線存在3個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試件3、試件4以及試件5，則存在2個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)提離高度為1 cm時(shí)，其Ky-F曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的F值明顯偏離其他試件，根據(jù)磁偶極子理論，這可能是由于當(dāng)提離高度較小時(shí)，試件靠近傳感器部分的磁致伸縮對(duì)于測(cè)點(diǎn)處影響較大，而提離高度較大時(shí)，試件各部分磁致伸縮相互耦合共同影響測(cè)點(diǎn)處磁場(chǎng)的變化所造成的。由于實(shí)際中各種測(cè)量環(huán)境都要求較大的提離高度，同時(shí)特征點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的F值較小，且后3組Ky-F曲線呈“S”型分布不存在特征點(diǎn)A，這可能是加載初期，磁疇由不均勻分布轉(zhuǎn)為均勻排列，力-磁關(guān)系更為復(fù)雜所導(dǎo)致的。故對(duì)除試件C2外的4組數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)B、特征點(diǎn)C取均值，結(jié)果為50.84 kN與116.84 kN，對(duì)應(yīng)的方差為5.45與3.03，離散性較弱。本試驗(yàn)采用作為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的鋼絞線極限承載力為162.75 kN，即以上兩個(gè)特征點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)極限承載力的31.24%與71.79%。以這兩點(diǎn)為分界點(diǎn)，可將鋼絞線從開始加載(0 kN)到極限承載力(162.75 kN)的過程分為3個(gè)加載階段。各試件加載過程分級(jí)結(jié)果如圖10，不同色塊表示每組試件對(duì)應(yīng)的3個(gè)加載階段分別占極限承載力的百分比，“綜合”欄表示依據(jù)5組數(shù)據(jù)最終得到的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 各組試件的Ky-F關(guān)系Fig. 9 Ky-F relationship diagram of each group of specimens

表2 曲線特征匯總Table 2 Summary of curve features

圖10 加載階段分級(jí)Fig. 10 Loading stage classification

由圖10可知，加載過程可按漏磁強(qiáng)度法向分量的變化率擬合曲線的單調(diào)性分為3個(gè)階段，以31.24%與71.79%的極限承載力為分界點(diǎn)，分為加載的前期、中期與后期：

1)在加載初期，0～31.24%極限承載力階段，Ky-F曲線先遞增再遞減或單調(diào)遞減；

2)在加載中期，31.24%～71.79%極限承載力階段，Ky-F曲線單調(diào)遞增；

3)在加載后期，71.79%～100%極限承載力階段，Ky-F曲線單調(diào)遞減。

3 結(jié) 論

對(duì)1 860級(jí)鍍鋅鋼絞線進(jìn)行張拉，并分析了鋼絞線表面漏磁信號(hào)與所受拉力的變化規(guī)律，主要研究結(jié)論如下：

1)隨著所受拉力的增加，鋼絞線表面漏磁場(chǎng)法向分量By-F曲線存在“兩側(cè)陡，中間平緩”的現(xiàn)象，其梯度在加載過程中發(fā)生明顯變化。

2)漏磁法向分量梯度曲線Ky-F存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可將加載過程分為3個(gè)階段。各階段具有不同的單調(diào)性，通過計(jì)算單調(diào)性可判定鋼絞線受拉所處的加載階段。

3)隨著提離高度的增大，加載過程中漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍減?。浑S著試件長(zhǎng)度增大，By-F曲線的變化率趨于穩(wěn)定。

4)基于自發(fā)漏磁效應(yīng)對(duì)鋼絞線應(yīng)力值進(jìn)行了分級(jí)評(píng)估，在實(shí)現(xiàn)更精確的應(yīng)力值測(cè)量上還需要更深入的研究。若要應(yīng)用于吊桿應(yīng)力測(cè)量，則還需解決多根鋼絞線漏磁場(chǎng)相互耦合以及PE護(hù)套對(duì)漏磁場(chǎng)的影響等問題。