桥梁缆索损伤检测技术分析

林阳子 张宇峰 赖广胜

1 概述

近年来,缆索技术已被广泛应用于大跨度桥梁,其中包括悬索桥的主缆、吊索,斜拉桥的斜拉索,中承、下承式拱桥的吊杆。缆索系统作为长大跨径桥梁的主要承重结构,一旦出现损伤,将降低结构的使用性和耐久性,并且可能造成桥梁结构发生灾难性的突发破坏事故,造成极为恶劣的社会影响和惨重的经济损失[1]。本文介绍了桥梁缆索损伤的人工检测方法和无损检测方法,并着重总结分析了各种无损检测方法包括磁致伸缩技术、漏磁技术等的检测原理及当前的研究运用现况,可为以后的研究工作者提供参考。

2 检测技术分析

2.1 人工检测

长期以来,人们对于大跨桥的缆索、吊索的检测主要以人工检测为主,人工检测主要是检查缆索系统是否遭受腐蚀,缆索是否有倾斜,各紧固件是否松动。定期对缆索系统各部件涂刷防锈漆,对已锈者及时除锈,清查缆索腐蚀的钢丝数量,判断其腐蚀程度。

人工检测花费大量的人力和物力,而且检测过程基本以目测为主,对缆索的检测结果中人为主观因素比较多,因此人工检测不能满足相应的预警、安全的需要,对突发事故无法实现实时检测。

2.2 无损检测

1)振动法。振动法测索力是目前索力测定中应用最广泛的一种方法,振动法检测的一般原理及步骤为:a.进行现场振动测试,采集响应数据;b.进行数据分析,识别出索的自振频率;c.索的拉力与其自振频率之间存在着特定的关系,于是索力就可由频率经换算而间接得到。但是对于化学腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳等引起的锈蚀、断丝等病害,振动法的检测则力不能及。

2)电磁法。电磁检测法基于钢索的磁特性,当采用永久磁铁励磁回路对缆索磁化后,缆索便相对于励磁回路运动,若遇到断丝则断口处将产生向外泄露的漏磁场;当缆索中金属横截面积总和发生变化时,励磁回路中的主磁通量将随之改变。检测缆索缺陷时采用两种磁性检测手段:a.漏磁检测法(见图1);b.磁桥路检测法(见图2)。

3)磁致收缩法。近年来也有通过磁致伸缩效应(MsS)原理来检测钢索损伤的案例。磁致伸缩效应是指铁磁性材料受到外加变磁场的影响,物理长度和体积都会发生微小的变化。由此可通过控制磁场的变化等因素来产生各种机械波(如纵波、扭力波、弯曲波、表面波等),波沿着结构件有限的边界形状传播并被构件边界形状所导向,在传播途中导波若遇到破裂或缺陷,则部分信号发生反射,导致信号波形发生变化,通过传感器接收并由处理系统来判断损伤的程度(见图3)。

目前此项技术主要用于钢索、管道、棒材、板盘件的损伤检测。

从以往检测研究可以看出[9],对基于磁致伸缩导波检测,传感器无需通过缺陷部位,远距离即可检测出缺陷,因此导波检测精度与缺陷和传感器之间距离有关,在导波检测范围内,传感器越靠近缺陷,检测精度越高,可较好的同时进行缆索中多处缺陷的检测并实现损伤定位,但无法区分断丝在斜拉索的周边分布位置。

4)弱磁检测技术。弱磁检测技术是发现空间磁场矢量态势的变化和运动规律后在检测领域的应用。这项技术基于空间磁场矢量合成理论、弱磁检测新方法和窦氏元件新技术,它可以对钢丝绳进行损伤检测。目前,这项技术主要应用在电梯、起重机、索道等裸索的无损检测,可较好地进行损伤定位、损伤量值判断,并且10%以上损伤的检测可靠度高。检测需要制作样索标定,标定后可分辨各种类型损伤,包括断丝、锈蚀、磨损等。

5)声学监测法。声学监测法采用声发射原理,当斜拉索中的钢丝束突然断裂后,储存在钢丝束中的应变能就很快释放。释放的能量使得该钢丝束的声学特性发生变化。安装在拉索上的传感器将测到的声学响应传递到附近的数据采集单元保存,然后再通过局域网或拨号网络传输到中央处理设备上,可用来监测高拉力的钢丝、钢丝束和拉索的断裂。但其传感器必须在断丝发生前已经安装,因此对已经发生断丝的缆索系统的断丝检测无能为力。

6)超声法。用超声法检测断丝的基本原理是接收断丝部位的反射波,因此应掌握断丝部位的反射特性。出于放射等因素,在芯线中传播的超声波随传播距离的增加而衰减。因此,用反射波检测远离超声波入射端的断丝部位是困难的。缆索损伤除了断丝之外还有腐蚀。通过对腐蚀部位的反射特性实验证明,用反射法检测芯线腐蚀是困难的。

7)布拉格光纤光栅传感器。布拉格光纤光栅(Fiber Brag Ging)传感器的基本原理是在一根光纤的内表面刻出一个光栅,当该光栅在的区域发生应变时,就会引起光栅发生变形。通过该光栅反射的光的波长就会发生变化,分析探测器所接收到的光信号波长的改变可以得到光栅所在区域内的应变值。光线只是起到传光的作用。采用布拉格光纤光栅传感器进行断丝监测的优点在于:光栅传感器性能稳定,测量精度高,不受电磁辐射的影响。但其不足也很明显:目前的试验只是用在直径很小的索上,如果索的直径较大,很少的断丝对拉索应力的影响较小,并且实际桥梁中拉索的应力受自然情况的影响经常发生改变,很难区分到底是什么原因引起的拉索应力的变化。

3 结语

从目前的研究现状可以看出,声发射技术相对在缆索断丝监测领域已经取得了一定的成功的应用,但其要求进行长期在线监测,不仅造价高昂,而且不具备对已经发生断丝的缆索进行无损检测的能力,也不具备缆索腐蚀检测的能力;其他的几种方法对桥梁缆索的锈蚀、断丝进行检测,在检测原理上可以实现的方法有电磁法、磁致收缩法和弱磁检测法,这三种方法在其他领域中对钢索的检测都有较成功的应用。但这些方法在桥梁缆索检测方面应用时仍需进一步结合桥梁缆索的实际情况加以改进。电磁法、磁致收缩法、弱磁检测法在桥梁缆索检测中的应用较有前景,具有非常重要的科研和工程价值。

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