拉伸荷载作用下桥梁拉索钢丝_钢筋的力-磁效应研究_何峻峰.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21120159-1基金项目:国家自然科学基金(51208078);重庆市技术创新与应用示范社会民生类项目(cstc2018jscx-msybX0028);中国博士后科学基金(2017M622977);重庆市博士后科研项目特别资助(XmT2018028)This work was financially supported by National Natural Science Foundation of China(51208078)，Chongqing Technology Innovation and Application Demon-stration Social Livelihood Projects(cstc2018jscx-msybX0028)，China Postdoctoral Science Foundation(2017M622977)，and Chongqing Postdoctoral esearchProject Special Funding(XmT2018028)jiangshwhueducnDOI:10.11896/cldb.21120159拉伸荷载作用下桥梁拉索钢丝/钢筋的力-磁效应研究何峻峰1，江胜华1，2，孙伟贺1，王廉强11西南大学工程技术学院，重庆 4007152武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072拉伸荷载作用下拉索钢丝/钢筋在弹塑性全过程的力-磁效应及力-磁反转现象的研究尚不充分，且现有试验中存在环境干扰磁场，严重影响磁场试验的准确性。研制了拉伸荷载作用下拉索钢丝/钢筋应力的磁场测试的无磁试验系统，采用试验和有限元研究了钢筋受拉弹塑性全过程钢筋自身的磁感应强度及磁场梯度与应力的关系。试验结果表明，在应力为 01759 MPa 时，磁畴的变化以磁畴壁移为主，随着应力增大，钢筋磁导率增大，钢筋自身的磁感应强度 By和磁场梯度 Byz的绝对值增大;在应力大于 1759 MPa 至接近断裂时，磁畴的变化以磁畴旋转为主，随应力(应变)增大，钢筋磁导率降低，钢筋自身的磁感应强度 By和磁场梯度 Byz的绝对值减小。钢筋自身的磁感应强度 By及磁场梯度 Byz绝对值的平均值与应力的曲线均在 1759 MPa 发生反转，反转点对应的应力小于屈服强度(5843 MPa)。有限元计算的钢筋自身的磁感应强度 By和磁场梯度 Byz随应力的变化规律与试验基本一致。对于钢筋受拉弹塑性全过程的磁感应强度及磁场梯度绝对值的平均值与应力的关系，试验值和有限元计算值及拟合值三者非常接近，可为拉索钢丝/钢筋应力的磁场监测提供参考。关键词拉索钢丝钢筋力-磁效应磁感应强度磁场梯度中图分类号:TH1407;TG11528文献标识码:AStress-magnetic Effect of Bridge Cable Wire and Steel Under Tensile LoadHE Junfeng1，JIANG Shenghua1，2，SUN Weihe1，WANG Lianqiang11College of Engineering and Technology，Southwest University，Chongqing 400715，China2School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，ChinaThe current research on the stress-magnetic effect and reversal effect on cable wire and steel during the entire elastoplastic process under ten-sile load is limited Moreover，the existing test method is influenced by environmental interference magnetic fields，which significantly affectthe accuracy of the magnetic field-based test The nonmagnetic experimental method is developed for the magnetic testing of stress in cable wireand steel under tensile load Experiment and finite element analysis(FEA)are used to investigate the relationship between the steel s magneticfield intensity，magnetic gradient，and stress during the entire elastoplastic tension process When the stress was smaller than 1759 MPa，thechange in the magnetic domain was dominated by wall shifts As the stress increased，the magnetic permeability of the steel bar increased，andthe absolute values of the magnetic field intensity Byand magnetic gradient Byzincreased for most measuring points When the stress was greaterthan 1759 MPa(before fracture)，the change in the magnetic domain was dominated by rotation As the stress or strain increased，the magneticpermeability of the steel bar decreased，and the absolute values of Byand Byzdecreased for most measuring points The relationship between themean of the absolute values of Byand Byzand stress is reversed when stress is 1759 MPa，which is smaller than the yield strength(5843 MPa)The Byand Byzvalues of steel calculated by FEA are relatively consistent with the experimental results During the entire elastoplastic procedureunder tensile load，experimental values，calculated values by FEA，and fitted values were very similar in terms of the relationship between themean of the absolute values of Byand Byzof steel and stress，which may be used as a reference for magnetic monitoring of stress in cable wireand steel stressKey wordscable wire，steel，stress-magnetic effect，magnetic field intensity，magnetic gradient0引言拉索/钢筋具有强度高和韧性好等优点，被广泛应用于桥梁工程中。拉索/钢筋作为桥梁中的主要承重构件，长期承受周期荷载和冲击荷载并不可避免地产生各种损伤，从而直接影响桥梁的耐久性与安全性，因此，十分有必要进行桥梁拉索/钢筋的应力检测。传统的应力无损监测方法主要有应变片法、压力传感器和压力表测试法等1。压力传感器和压力表测试法由于安装更换不便，大多应用在施工阶段的应力监测;应变片法耐久性差，受温度影响大，难以长期监测桥梁的应力。因此，有必要研究一种简易可行的桥梁拉索及钢筋的应力监测方法，及时探测拉索及钢筋的早期损伤部位，保障其安全运行。磁记忆检测技术的激励源为地磁场，在外荷载作用下铁磁材料的磁场性质(如磁导率)发生改变，其磁信号可反映材料内部的应力集中或缺陷，无需再施加外部磁场或对试件进行特殊处理，操作简单、灵敏度高，是一种理想的评估早期损伤的检测方法2-3。近年来，许多学者通过试验、数值模拟和理论方法对铁磁材料的磁信号与应力的关系进行了深入研究，并取得了一定的成果，但还存在一定的不足。金伟良等4、冷建成等5、Pang 等6、Liu 等7 采用万能试验机对钢筋试件进行拉伸试21120159-2验，苏三庆等8 采用万能试验机对钢丝试件进行拉伸试验，易术春等9、付美礼等10、Zhao 等11、Yong 等12 采用万能试验机对板状钢试件进行拉伸试验，万能试验机等荷载施加装置为钢铁等铁磁性材料，其激发的磁场远大于拉索钢丝/钢筋等试件，该磁场随荷载变化而变化，且很难与拉索钢丝/钢筋自身的磁场分离，并极易受到环境的干扰;同时，有部分学者在拉索钢丝/钢筋试件达到预定荷载后取下试件再进行磁场检测10-12，得到的磁场信号与实际工程中处于受力状态的磁场信号存在较大的偏差。部分研究中仅对拉索钢丝/钢筋在弹性阶段的磁记忆信号进行了分析，未涉及塑性阶段13-14;另一方面，现有大部分研究中的理论模型不能进行定量分析，且未得到应力反转现象，少部分理论模型虽然得到了应力反转现象5，但大多为复杂的多变量函数关系，理论模型过于复杂，参数较多，且仅在试验现象而未从微观机理上进行分析。针对现有的拉伸荷载作用下拉索钢丝/钢筋的力-磁效应的试验研究中存在环境干扰磁场的问题，以及受拉作用下钢筋弹塑性全过程的力-磁效应及力-磁反转现象的研究尚不充分的现状，采用无磁材料研制拉伸荷载作用下拉索钢丝/钢筋的磁场监测系统，研究钢筋受拉弹塑性全过程情况下，钢筋自身的磁感应强度及磁场梯度与应力的关系，给出钢筋的磁感应强度及磁场梯度与应力的拟合公式。通过磁导率-应力耦合模型，采用有限元计算受拉作用下钢筋弹塑性全过程的磁感应强度和磁场梯度，比较钢筋弹塑性全过程的力-磁效应的有限元计算值和试验值及拟合值。1钢筋应力的磁场测试试验11试验设备和试验条件为尽量减小试验设备自身的磁场干扰及荷载施加过程中试验设备的磁场变化，采用无磁材料研制拉伸荷载作用下的磁场测试系统。拉伸荷载作用下的磁场测试系统包括拉伸荷载施加装置、运动控制装置和三轴磁力仪等三部分。拉伸荷载作用下拉索钢丝/钢筋的磁场测试系统见图 1。拉伸荷载施加装置包括高强度铝合金框架、高强度铝合金锚具、芳纶纤维绳、穿心式液压千斤顶、压力传感器、应变仪等。采用高强度铝合金杆件、锌铝合金连接件和铜螺栓制作受力框架，拉索钢丝/钢筋的一端固定在铝合金锚具上，拉索钢丝/钢筋的受拉端固定在铝合金转换锚具中，并通过芳纶纤维绳拉伸，芳纶纤维绳通过远端的穿心式液压千斤顶施加拉伸荷载。采用压力传感器测量穿心式液压千斤顶的拉伸荷载，采用应变仪测量拉索钢丝/钢筋的应变。运动控制装置包括直线同步带滑组、伺服电机、精密行星减速器、运动控制箱和铝合金延伸杆等。铝合金延伸杆固定在直线同步带滑组的两个滑块上，三轴磁场传感探头固定在铝合金延伸杆上，可实现高精度的运动。三轴磁力仪包含三轴磁场传感探头、数据采集模块和数据处理软