基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统及方法与流程

本发明涉及一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统及方法。

背景技术：

拉索是斜拉桥结构体系中的重要组成部分，是斜拉桥中关键、重要的受力构件，起着牵一发而动全身的重要作用，也是斜拉桥结构体系中最为敏感、最容易发生损伤或者破坏的构件。拉索的损伤或者破坏会对斜拉桥结构产生重大影响甚至引发严重灾难性后果，是延长斜拉桥结构使用寿命的瓶颈所在，斜拉索的性能严重影响斜拉桥结构的使用寿命。斜拉桥在运营过程中，在车辆荷载、地震、风、雨等作用下，拉索发生剧烈振动和相应的疲劳损伤，导致拉索不可避免地产生损伤、性能退化，严重时甚至断裂破坏，引发严重的灾难性事故和产生不良的社会影响。斜拉桥拉索疲劳损伤是目前造成斜拉索损伤的主要因素，随着时间的推移其结构性能会不断退化，缩短桥梁的使用寿命，更使得桥梁的安全可靠性评价出现困难。因此，为保障斜拉桥的结构安全及预防运营事故的发生，有必要对斜拉桥拉索进行疲劳损伤监测，从而保障斜拉桥的全寿命安全。

目前采用的磁粉探伤及着色渗透法只能静态地判断表面及近表面有无裂纹，扫频法可以对裂纹的扩展行为进行动态监测，但只对接近断裂失效的大尺度裂纹有效。由于金属疲劳裂纹萌生及扩展导致的声波特性变化比较微弱，加上噪声信号的干扰，声发射技术很难准确得到有效信号，这对监测效果将产生影响。基于磁场的检测/监测技术，在监测前不需要清理被测构件表面铁锈油污，表面油漆及镀层也无需去除，可以保持构件原貌进行检测。监测时不需要专门的磁化设备，仅利用地球磁场作为激励磁化场，具有极大的便利性。现有的磁记忆方法仅可定性地测量结构疲劳损伤，但无法定量地监测疲劳损伤，更无法给出疲劳损伤的应力幅、循环次数等重要参数，也无法给出安全系数和损伤位置，所以无法定量的进行安全预警。

针对斜拉桥拉索疲劳损伤监测的重大需求，本发明提出一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测方法，采用三轴磁场传感器制作疲劳损伤测量探头，建立斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统，提出相应的监测方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统及方法，该系统和方法能够解决在车辆荷载、地震、风、雨等动力荷载作用下斜拉桥拉索疲劳损伤监测中尚无法定量监测的问题，在保持拉索构件原貌的情况下进行监测，给出拉索疲劳损伤的应力幅和循环次数，从而精确地给出拉索疲劳损伤的安全系数和损伤位置，达到斜拉桥拉索疲劳损伤监测并预警。

本监测系统而言，包括：

-疲劳损伤测量探头，测量拉索的磁感应强度，并将测得的磁感应强度信息发送至数据传输系统；

-数据传输系统，将磁感应强度信息发送至数据控制系统；

-数据控制系统，对磁感应强度信息进行数据处理并得到拉索的应力幅、循环次数、损伤位置和安全系数，进而对拉索的疲劳损伤进行安全预警。

进一步地，所述疲劳损伤测量探头包括

-外壳，磁场可穿过；

-三轴磁场传感器，位于外壳内，测量拉索的磁感应强度；

-无线数据传输模块，位于外壳内，将三轴磁场传感器测得的磁感应强度信息发送至数据传输系统；

-微处理器，位于外壳内，控制三轴磁场传感器和无线数据传输模块；

-电源，位于外壳内，为三轴磁场传感器、无线数据传输模块和微处理器提供电能。

进一步地，所述外壳为长方体，所述三轴磁场传感器数量为两个，两个三轴磁场传感器分别位于外壳长度方向的的两端，所述两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，且两个三轴磁场传感器的x、y和z轴分别与所述外壳的高度、宽度和长度方向平行。

就监测方法而言，包括如下步骤：

s1）疲劳损伤测量探头从拉索一端沿着拉索长度方向向另一端匀速移动，移动过程中三轴磁场传感器的平面与拉索所在的铅垂面重合（在拉索第一次开始测量的位置设置为原点），三轴磁场传感器的方向始终与拉索的长度方向平行，疲劳损伤测量探头的移动速率为

（1）

式中，为预先指定的疲劳损伤监测的分辨率；

s2）第1次取，则，通过三轴磁场传感器测得、和方向的磁感应强度，，；

s3）得到每一时刻的磁感应强度沿方向的梯度：

（2a）

（2b）

（2c）

为疲劳损伤监测的分辨率，第一次取，第次取。

式中，，和分别为，，沿方向的梯度；和分别为a和b处的方向的磁感应强度，a、b分别为两个三轴磁场传感器，从a到b为z轴正方向；和分别为a和b处的方向的磁感应强度；和分别为a和b处的方向的磁感应强度；

s4）计算每一时刻的磁感应强度沿方向的二次梯度

（3）

s5）计算应力幅度和循环次数

疲劳荷载的应力幅为

（4）

式（4）中，为常数,常数的标定方法为：在监测前，选取与拉索同样材料的试件进行拉拉疲劳试验，通过测量试验中应力幅和相应的磁场二次梯度，采用最小二乘法得到常数，

疲劳荷载的循环次数为

（5）

式（5）中，和为常数，常数和的标定方法为：在监测前，选取与拉索同样材料的试件进行拉拉疲劳试验，通过测量试验中循环次数和相应的磁场二次梯度，采用最小二乘法得到常数和；

s6）计算斜拉桥拉索疲劳损伤的安全系数

（6）

式（6）中，和为应力-寿命曲线常数，通过查找材料手册和设计手册得到；

s7）计算每一时刻的磁场梯度张量的局部缩并，定义为局部模量

（7）

s8）计算斜拉桥拉索疲劳的损伤位置

局部模量的变化率为

（8）

当时，则斜拉桥拉索处发生疲劳损伤；

s9）第次，取疲劳损伤监测的分辨率，，则，依次进行（2）-（7），得到一系列的斜拉桥拉索疲劳损伤安全系数和疲劳损伤位置，当和，取和分别为斜拉桥拉索疲劳损伤安全系数和疲劳损伤位置；

s10）通过斜拉桥拉索疲劳损伤安全系数和疲劳损伤位置，进行预警。

本发明的有益效果：

本发明基于磁场提出斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统及监测方法，通过疲劳损伤测量探头沿着拉索移动，测得拉索疲劳损伤的应力幅、循环次数和损伤位置等，可以定量地实现拉索疲劳损伤监测，解决斜拉桥拉索疲劳损伤的磁场监测中无法定量监测的问题，在监测前不需要清理被测构件表面铁锈油污，表面油漆及镀层也无需去除，可以保持构件原貌进行检测，不需要施加磁化设备，通过磁感应强度变化由数据控制系统计算出拉索疲劳损伤的安全系数和损伤位置，对拉索疲劳损伤进行预警。本发明的监测系统所需设备数量少，布设简便，监测准确。

附图说明

图1为本发明一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统的原理示意图；

图2为本发明一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统的实施示意图；

图3为本发明一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统中的疲劳损伤测量探头的结构示意图；

附图标记：

1-三轴磁场传感器、2-无线数据传输模块、3-电源、4-微处理器、5-斜拉桥、6-拉索、7-疲劳损伤测量探头、8-数据传输系统、9-数据控制系统。

具体实施方式

实施例1

本实施例为一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测系统，如图1和2所示，该监测系统包括疲劳损伤测量探头7、数据传输系统8和数据控制系统9。其中：

疲劳损伤测量探头7用于测量拉索6的磁感应强度，并将测得的磁感应强度信息发送至数据传输系统8；

数据传输系统8用于将磁感应强度信息发送至数据控制系统9；

数据控制系统9用于对磁感应强度信息进行数据处理并得到拉索6的应力幅、循环次数、损伤位置和安全系数，进而对拉索6的疲劳损伤进行安全预警。

本监测系统的工作原理是：将疲劳损伤测量探头7沿着拉索6移动，疲劳损伤测量探头7在移动过程中采集拉索6的磁感应强度数据，并将数据传送至数据传输系统8，数据传输系统8再将磁感应强度数据传输至数据控制系统9，数据控制系统9对磁感应强度数据进行数据计算以对拉索6的损伤进行安全预警。另一方面，数据控制系统9可以将控制信号的指令传输给数据传输系统8，数据传输系统8再将控制信号传输给疲劳损伤测量探头7，通过控制信号的指令，使用者控制疲劳损伤测量探头7是否采集磁场数据及传回磁场数据。

图3示出了疲劳损伤测量探头7的结构组成，如图所示，疲劳损伤测量探头7包括外壳、三轴磁场传感器1、无线数据传输模块2、微处理器4和电源3。其中：

外壳作为载体用于装载三轴磁场传感器1、无线数据传输模块2、微处理器4和电源3，即三轴磁场传感器1、无线数据传输模块2、微处理器4和电源3均安装于外壳内。外壳优选由高强度工程塑料材料制成，磁场可以穿透外壳。三轴磁场传感器1用于测量拉索6的磁感应强度。无线数据传输模块2收到数据控制系统9发出的控制信号的指令后，将控制信号传给微处理器4，由微处理器4驱动三轴磁场传感器1测量开始采集数据，无线数据传输模块2再将三轴磁场传感器1测得的磁感应强度信息发送至数据传输系统8。微处理器4用于控制三轴磁场传感器1和无线数据传输模块2，微处理器4也可以驱动三轴磁场传感器1测量将采集数据的传回为微处理器4，微处理器4再传给无线数据模块。电源3为三轴磁场传感器1、无线数据传输模块2和微处理器4提供电能。

外壳为长方体，三轴磁场传感器1数量为两个，两个三轴磁场传感器1分别位于外壳长度方向的的两端，两个三轴磁场传感器1的x、y和z轴一致，且两个三轴磁场传感器1的x、y和z轴分别与所述外壳的高度、宽度和长度方向平行。

实施例2

本实施例为一种基于磁场的斜拉桥拉索疲劳损伤监测方法，该监测方法使用上述监测系统，具体包括如下步骤：

s1）将疲劳损伤测量探头从拉索一端沿着拉索长度方向向另一端匀速移动，移动过程中两个三轴磁场传感器的平面与拉索所在的铅垂面重合（在拉索第一次开始测量的位置设置为原点），两个三轴磁场传感器分别标记为a、b，从a到b为z轴正方向，两个三轴磁场传感器的方向始终与拉索的长度方向平行，疲劳损伤测量探头的移动速率为

（1）

式中，为预先指定的疲劳损伤监测的分辨率，根据疲劳损伤的尺度，由使用者在一定取值范围内确定，取值范围建议为；为三轴磁场传感器的采样频率（）

s2）第1次取，则，通过三轴磁场传感器测得、和方向的磁感应强度，，；

s3）得到每一时刻的磁感应强度沿方向的梯度：

（2a）

（2b）

（2c）

为疲劳损伤监测的分辨率，第一次取，第次取，

式中，，和分别为，，沿方向的梯度；和分别为a和b处的方向的磁感应强度，a、b分别为两个三轴磁场传感器，从a到b为z轴正方向；和分别为a和b处的方向的磁感应强度；和分别为a和b处的方向的磁感应强度；

s4）计算每一时刻的磁感应强度沿方向的二次梯度

（3）

s5）计算应力幅度和循环次数

疲劳荷载的应力幅为

（4）

式（4）中，的物理意义为磁场二次梯度与应力幅之间的关系，为测量标定系数，的标定方法为：在监测前，选取与拉索同样材料的试件进行拉拉疲劳试验，通过测量试验中应力幅和相应的磁场二次梯度，采用最小二乘法得到常数，

疲劳荷载的循环次数为

（5）

式（5）中，和为磁场二次梯度与疲劳荷载循环次数之间的关系，为测量标定系数，和的标定方法为：在监测前，选取与拉索同样材料的试件进行拉拉疲劳试验，通过测量试验中循环次数和相应的磁场二次梯度，采用最小二乘法得到常数和；

s6）计算斜拉桥拉索疲劳损伤的安全系数

（6）

式（6）中，和为应力-寿命曲线常数，通过查找材料手册和设计手册得到；

s7）计算每一时刻的磁场梯度张量的局部缩并，定义为局部模量

（7）

s8）计算斜拉桥拉索疲劳的损伤位置

局部模量的变化率为

（8）

当时，则斜拉桥拉索处发生疲劳损伤；

s9）第次，取，，则，依次进行（2）-（7），得到一系列的斜拉桥拉索疲劳损伤安全系数和疲劳损伤位置。当和，取和分别为斜拉桥拉索疲劳损伤安全系数和疲劳损伤位置；

s10）通过斜拉桥拉索疲劳损伤安全系数和疲劳损伤位置，进行预警。

本监测方法通过步骤s1）-s10）监测出拉索的安全系数和疲劳损伤位置并进行预警，因此本监测方法是一种定量的监测，监测准确性更高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。