在役空间钢结构的构件应力监测方法研究

构件应力水平是决定结构安全的最重要因素之一。在我国，大量早期空间钢结构已服役数十年，现代大跨空间钢结构被广泛应用于工业厂房和大型体育场馆等标志性社会公共建筑,监测在役空间钢结构构件的实际应力（而非相对变化量）用于结构安全评估已成为一项迫切而重要的科学与工程任务。然而，目前常用的应力/应变监测方法（如电阻式、振弦式、光纤式应变仪或振动频率法）都无法或难以实现在役空间钢结构的应力监测。本项目拟基于铁磁材料的磁弹效应，应用智能磁电层合材料作为信号检测元件，通过理论分析、数值模拟、实验研究和现场测试等方法，研究在役空间钢结构构件（钢索、钢棒、钢管、型钢、钢板等）在拉、压、弯、剪、扭及其组合受力下的应力监测方法与装置，探索旁路式多磁极磁路设计、最佳励磁工作区间选择、温度补偿及磁隙影响控制等关键问题的有效解决方案，实现对在役空间钢结构构件应力的实时在线无损监测，为空间钢结构的安全评估提供科学依据。

基于磁弹效应的钢结构应力监测方法，由于具有与被测构件无机械接触、耐腐蚀、结构简单、使用寿命长、不需要了解受力历史便能实现对应力绝对值的监测等优点，成为一种很有潜力的在役钢结构应力监测方法。然而由于采用测量线圈作为信号检测元件，现有的磁弹仪响应慢，信号弱，精度低，同时体积大、对励磁要求高、与励磁线圈存在互感效应，因而限制了其推广应用。本项目提出了一种基于磁弹效应和磁电材料的新一代应力传感器—磁电磁弹式(EME)应力监测装置，利用智能磁电传感元件代替测量线圈作为信号检测元件，实现对钢结构的在役应力监测。智能磁电传感元件是由智能磁电层合材料制成的，具有体积小、响应快、磁场灵敏度高、磁电转换系数高、价格低等优点，大大提高了传感器的性能。 遵照研究计划，本项目出色地完成了预定研究任务，实现了预定研究目标。 对用于一维应力监测的套筒式磁电磁弹仪和面向一维及二维应力监测的旁路式磁电磁弹仪，进行了理论分析、数值仿真、样机制作和实验研究。 在此基础上，研发了基于Labview平台的套筒式磁电磁弹应力监测系统，通过实验室小型构件实验、实验室足尺拉索实验、面向工程应用的索厂实索标定，证明了所研发的应力传感器比传统的磁弹传感器具有测量精度高、响应速度快、信噪比高、易于安装等优点。 现已将其应用到浙江省椒江二桥上进行斜拉索索力的智能监测，成为一套较为完善的磁电磁弹式（EME）斜拉索索力智能监测系统。本项目已发表科研论文29篇（SCI 8篇、EI 7篇、其他核心期刊及国际会议论文14篇），出版著作1部，申请中、美、日、韩等国家发明专利6项（其中3项已授权）。组织或参与组织国际学术会议3次，参加国际学术会议16人次（邀请报告6次）。培养博士生 2 人（在读1人，毕业1人），硕士生11人（在读7人，毕业4人）。本项目的创新性在于，提出并研发了一种基于磁弹效应和磁电材料的新型钢结构应力传感器—磁电磁弹式应力传感器，并首次将其应用到实际工程进行斜拉索索力智能监测；提出并研究了旁路式磁电磁弹应力监测装置，可为在役钢结构的一维及二维应力监测提供解决方案。本项目的研究成果既可以应用于大量在役空间钢结构，也可以扩展到我国急需的高速铁路铁轨监测、石油输送钢管监测、高压输电铁塔监测等领域，具有广泛的应用前景。