桿索鋼構(gòu)件磁性法拉伸應(yīng)力監(jiān)測的力磁耦合機理與影響因素研究.pdf

1、桿索鋼構(gòu)件因具有質(zhì)輕性柔、承力較大、尺寸緊湊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種大型建筑和結(jié)構(gòu)中。由于其在大跨結(jié)構(gòu)中是主要的承力和傳力構(gòu)件，是整個結(jié)構(gòu)中最重要、且最薄弱的環(huán)節(jié)，一旦其受力超限、構(gòu)件受損，將導(dǎo)致整個大型建筑和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此，對桿索鋼構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實時在役監(jiān)測非常必要。由于桿索鋼構(gòu)件的使用壽命少則幾十年，多則幾百年，因此桿索鋼構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的實時在役監(jiān)測系統(tǒng)就必須具有長壽命、高可靠的性能。
　　目前，現(xiàn)有的桿索拉伸應(yīng)力監(jiān)

2、測技術(shù)主要有內(nèi)置式的植入法和外置式的壓力環(huán)法、振頻法以及磁性法。由于磁性法的傳感元件不受力、不會發(fā)生應(yīng)力疲勞損壞，因而具有長壽命的潛在優(yōu)勢，是唯一可能滿足長期監(jiān)測要求的方式，受到了高度關(guān)注。然而，在實際研究中卻發(fā)現(xiàn)，其測量結(jié)果受許多未知因素的影響，導(dǎo)致測量精度不高；而進(jìn)一步研究中還發(fā)現(xiàn)其嚴(yán)重的非線性和滯回性、以及相互矛盾的變化趨勢，這就不得不再從桿索件的最基本的磁特性出發(fā)，重新認(rèn)識與探索力磁耦合的微觀機理與宏觀現(xiàn)象，研究其影響因素，發(fā)展

3、并完善其力磁耦合的微觀受力機理與宏觀測量模型，構(gòu)建桿索鋼構(gòu)件磁性法拉伸應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)的理論體系，為推動此技術(shù)的研究和發(fā)展打下基礎(chǔ)。
　　鑒于此，課題結(jié)合國家科技支撐計劃（2007BAE15B04）“橋梁用智能型纜索研究及產(chǎn)業(yè)化”、重慶市科技攻關(guān)項目（2008AC2009）“鋼纜索索力在線測量的磁彈原理新方法與裝置研究”以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（CDJXS11122218）“桿/索鋼構(gòu)件應(yīng)力在役監(jiān)測的差動式磁性傳感方法研究”

4、，針對實際桿索鋼構(gòu)件的受力特性，研究鐵磁性材料力磁耦合物理機理和變化特征，深入分析并解決制約力磁耦合傳感性能的影響因素，并以實際鋼纜索用鍍鋅鋼絲為研究對象，進(jìn)行試驗驗證，主要完成了以下幾個方面的研究工作：
　?、倭Υ篷詈蠙C理及影響因素分析
　　基于鐵磁性材料磁能和磁疇理論，依照磁場在鐵磁性構(gòu)件磁化過程中的物理作用機理，將拉伸應(yīng)力等效為磁場，分別分析應(yīng)力引起的磁各向異性、磁疇運動和磁致伸縮，從而闡述力致磁化的物理機理，并通過詳

5、細(xì)分析不同初始磁化狀態(tài)下的力磁耦合關(guān)系，揭示出力磁耦合的變化特征，發(fā)現(xiàn)了影響力磁耦合關(guān)系的關(guān)鍵內(nèi)在因素即激勵磁場的磁化歷史和強度，為合理解釋并解決已有研究中力磁耦合關(guān)系矛盾多樣、非線性和滯回性等現(xiàn)象，找到了突破口與理論依據(jù)。
　?、诖呕瘹v史的影響及選擇
　　利用Preisach圖能描述任意磁化歷史這一特征，并結(jié)合力磁耦合關(guān)系在微觀和宏觀上的變化特征，提出一種改進(jìn)的Preisach力磁耦合模型，可顯而易見的預(yù)知任意磁化歷史條件

6、下力磁耦合關(guān)系，合理地解釋了已有研究中力磁耦合關(guān)系的矛盾多樣性。利用此模型對比分析不同磁化歷史下的力磁耦合關(guān)系，揭示了變化規(guī)律，總結(jié)出磁化歷史最優(yōu)的選擇方案，即磁化歷史宜選擇為初始磁化曲線上，可使力磁耦合關(guān)系滿足單調(diào)且近似線性的傳感要求，避免其矛盾多樣性和非線性對應(yīng)力測量的影響，為磁性法拉伸應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)嵱糜跍y試測量領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。
　　③磁場強度的影響及選擇
　　在特定的磁化歷史條件下，建立簡化的力磁耦合理論模型，推導(dǎo)

7、出磁化強度與拉伸應(yīng)力和磁場強度的關(guān)系式，詳細(xì)分析了測量靈敏度、量程以及滯回誤差隨磁場強度的變化關(guān)系，提出磁場強度最佳的選擇區(qū)間，以兼顧靈敏度和量程的同時盡量減小滯回誤差。實際應(yīng)用中，為優(yōu)化磁性法拉伸應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，選擇天然的地磁場作為激勵磁場?；诖撕喕Ｐ?，重點研究了激勵磁場受干擾磁場影響時力磁耦合關(guān)系的變化特征，并針對實際應(yīng)用中弱磁激勵的情況，提出了一種消除干擾影響的差動式傳感結(jié)構(gòu)，提高了應(yīng)力測量精度。
　?、芰Υ篷詈显囼炏到y(tǒng)開

8、發(fā)及試驗研究
　　依照上述理論分析，確定了磁化歷史影響、磁場強度影響、外在干擾磁場影響及消除等試驗內(nèi)容。根據(jù)試驗內(nèi)容的需求，設(shè)計開發(fā)出力磁耦合試驗系統(tǒng)，并進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明：激勵磁場磁化歷史和強度是影響力磁耦合關(guān)系的關(guān)鍵內(nèi)在因素，從這兩者的角度能有效解釋已有研究中所出現(xiàn)的力磁耦合現(xiàn)象；差動式傳感結(jié)構(gòu)確實能消除外磁場干擾的影響。這些均與理論分析一致，進(jìn)一步驗證了理論的正確性?；诖嗽囼炏到y(tǒng)，還開展了模擬實際應(yīng)用情況的力磁耦合穩(wěn)定