基于磁弹磁电效应的索承桥索力监测温度影响机理与控制方法研究

Cable-supported bridges such as cable-stayed bridge and suspension bridge, are widely used in infrastructures, which include highway, railway, etc. As the principal load-bearing components of the cable-stayed bridges, the stress state of the steel cables has a profound influence on the security and stability of the whole structures. The conventional detection methods, such as stress/strain-based or frequency-based methods, are unavailable or difficult to nondestructively measure the actual stress (not the relative variation of stress) of the in-service steel cables. A new elasto-magneto-electric (EME) sensor for stress monitoring proposed by our research team provides an effective way to solve this problem. However, the effect of temperature on monitoring systems remains to be further studied. Based on the principle of the EME sensor and the monitoring system, through theoretical analysis, numerical simulation, in-door experiment and on-site tests, the temperature effects on the stability of the measured objects, the signal detector, as well as the whole system, will be studied in this project. The influence mechanism and inherent low of temperature on cable force monitoring will be explored. Combining hardware compensation with software compensation to control the temperature effects, a LabVIEW-based stress monitoring system with smart temperature compensation will then be developed for optimizing working performance. This research will facilitate both the theoretical development and the practical application of stress monitoring systems based on magneto-elastic method, achieve the real-time on-line nondestructive monitoring of the steel cables, and provide the cable force data and scientific bases for the bridge structures in construction or in service.

斜拉桥、悬索桥等索承桥广泛应用于公路、铁路等基础设施的建设。作为其主要承力构件，拉索的受力状态对结构的整体安全至关重要。传统基于应力/应变或频率的测量方法都无法或难以实现对在役拉索索力绝对量（而非相对变化量）的无损监测。本课题组前期提出的新型传感器——磁弹磁电效应（EME）应力传感器为解决这一问题提供了有效手段，但温度对监测系统的影响有待深入研究。本项目拟基于EME 应力传感器及监测系统的工作原理，通过理论分析、数值模拟、实验研究及现场实测等方法，研究温度对测量对象、信号检测元件及整个系统稳定性的影响，揭示索力监测的温度影响机理与规律，采用硬件补偿与软件补偿相结合等方式对其影响采取控制措施，建立一套基于LabVIEW 平台的智能温度补偿应力监测系统，优化监测性能，推动基于磁弹法监测系统的理论发展与工程应用，实现索力的全天候实时在线无损监测，为在建或在役的桥梁结构提供索力数据及评估决策依据。

作为索承桥结构的主要承力构件，拉索的受力状态对其整体安全至关重要。基于磁弹磁电效应（EME）的监测技术为索力监测提供了新方法。本项目针对温度影响索力监测系统的问题，基于EME应力传感器及监测系统的工作原理，通过理论分析、数值模拟、实验研究以及现场实测等方法，揭示其进行索力监测的温度影响机理，并提出控制方法。主要包括：（1）采用光学显微镜、磁力显微镜（MFM）、振动样品磁强计（VSM）等技术，获得了实验拉索材料的金相组织结构与磁畴结构，给出了其微观磁特性及磁弹特性影响因素；结合温度对材料磁特性的作用理论分析，进行了拉索材料磁特性的温度实验研究；设计并搭建了温度实验加载平台，研究了温度对拉索足尺构件索力测量的影响；（2）基于磁电层合材料的构成及其工作原理，分析了磁电传感元件的温度稳定性能；提出并验证了用广义哈密顿原理分析层合磁电材料磁电效应的新方法，并将其应用到长方形三明治结构和环形结构磁电材料的性能分析；（3）分析了监测系统的温度变化影响因素；研究了激励电流方式与线路发热散热及温度变化之间的关系；通过数值仿真及大量实验，研究了温度对监测系统各个组成部分的影响，并结合采集数据的特点，编制了智能温度补偿算法；进行了系统硬件与软件的优化设计，建立了基于LabVIEW平台的智能温度补偿EME监测系统，完善了正在研发的索力监测方法与装置；经过温度标定实验、工程实测等方式，验证了其温度补偿效果。本项目结合应用铁磁材料和智能磁电材料的材料理论、结构设计理论、磁-力-电多场耦合理论、传感与信息理论，丰富和拓展了其应用，具有理论创新性。研究成果已应用于浙江台州椒江二桥等工程，推动了基于磁弹法监测技术的理论发展与工程应用，为工程结构健康监测系统的设计与发展提供了新思路，具有重要的理论意义和推广应用价值。