橋梁纜索損傷檢測技術(shù)分析

林陽子 張宇峰 賴廣勝

1 概述

近年來,纜索技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁,其中包括懸索橋的主纜、吊索,斜拉橋的斜拉索,中承、下承式拱橋的吊桿。纜索系統(tǒng)作為長大跨徑橋梁的主要承重結(jié)構(gòu),一旦出現(xiàn)損傷,將降低結(jié)構(gòu)的使用性和耐久性,并且可能造成橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性的突發(fā)破壞事故,造成極為惡劣的社會影響和慘重的經(jīng)濟損失[1]。本文介紹了橋梁纜索損傷的人工檢測方法和無損檢測方法,并著重總結(jié)分析了各種無損檢測方法包括磁致伸縮技術(shù)、漏磁技術(shù)等的檢測原理及當(dāng)前的研究運用現(xiàn)況,可為以后的研究工作者提供參考。

2 檢測技術(shù)分析

2.1 人工檢測

長期以來,人們對于大跨橋的纜索、吊索的檢測主要以人工檢測為主,人工檢測主要是檢查纜索系統(tǒng)是否遭受腐蝕,纜索是否有傾斜,各緊固件是否松動。定期對纜索系統(tǒng)各部件涂刷防銹漆,對已銹者及時除銹,清查纜索腐蝕的鋼絲數(shù)量,判斷其腐蝕程度。

人工檢測花費大量的人力和物力,而且檢測過程基本以目測為主,對纜索的檢測結(jié)果中人為主觀因素比較多,因此人工檢測不能滿足相應(yīng)的預(yù)警、安全的需要,對突發(fā)事故無法實現(xiàn)實時檢測。

2.2 無損檢測

1)振動法。振動法測索力是目前索力測定中應(yīng)用最廣泛的一種方法,振動法檢測的一般原理及步驟為:a.進行現(xiàn)場振動測試,采集響應(yīng)數(shù)據(jù);b.進行數(shù)據(jù)分析,識別出索的自振頻率;c.索的拉力與其自振頻率之間存在著特定的關(guān)系,于是索力就可由頻率經(jīng)換算而間接得到。但是對于化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞等引起的銹蝕、斷絲等病害,振動法的檢測則力不能及。

2)電磁法。電磁檢測法基于鋼索的磁特性,當(dāng)采用永久磁鐵勵磁回路對纜索磁化后,纜索便相對于勵磁回路運動,若遇到斷絲則斷口處將產(chǎn)生向外泄露的漏磁場;當(dāng)纜索中金屬橫截面積總和發(fā)生變化時,勵磁回路中的主磁通量將隨之改變。檢測纜索缺陷時采用兩種磁性檢測手段:a.漏磁檢測法(見圖1);b.磁橋路檢測法(見圖2)。

3)磁致收縮法。近年來也有通過磁致伸縮效應(yīng)(MsS)原理來檢測鋼索損傷的案例。磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁性材料受到外加變磁場的影響,物理長度和體積都會發(fā)生微小的變化。由此可通過控制磁場的變化等因素來產(chǎn)生各種機械波(如縱波、扭力波、彎曲波、表面波等),波沿著結(jié)構(gòu)件有限的邊界形狀傳播并被構(gòu)件邊界形狀所導(dǎo)向,在傳播途中導(dǎo)波若遇到破裂或缺陷,則部分信號發(fā)生反射,導(dǎo)致信號波形發(fā)生變化,通過傳感器接收并由處理系統(tǒng)來判斷損傷的程度(見圖3)。

目前此項技術(shù)主要用于鋼索、管道、棒材、板盤件的損傷檢測。

從以往檢測研究可以看出[9],對基于磁致伸縮導(dǎo)波檢測,傳感器無需通過缺陷部位,遠距離即可檢測出缺陷,因此導(dǎo)波檢測精度與缺陷和傳感器之間距離有關(guān),在導(dǎo)波檢測范圍內(nèi),傳感器越靠近缺陷,檢測精度越高,可較好的同時進行纜索中多處缺陷的檢測并實現(xiàn)損傷定位,但無法區(qū)分斷絲在斜拉索的周邊分布位置。

4)弱磁檢測技術(shù)。弱磁檢測技術(shù)是發(fā)現(xiàn)空間磁場矢量態(tài)勢的變化和運動規(guī)律后在檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。這項技術(shù)基于空間磁場矢量合成理論、弱磁檢測新方法和竇氏元件新技術(shù),它可以對鋼絲繩進行損傷檢測。目前,這項技術(shù)主要應(yīng)用在電梯、起重機、索道等裸索的無損檢測,可較好地進行損傷定位、損傷量值判斷,并且10%以上損傷的檢測可靠度高。檢測需要制作樣索標定,標定后可分辨各種類型損傷,包括斷絲、銹蝕、磨損等。

5)聲學(xué)監(jiān)測法。聲學(xué)監(jiān)測法采用聲發(fā)射原理,當(dāng)斜拉索中的鋼絲束突然斷裂后,儲存在鋼絲束中的應(yīng)變能就很快釋放。釋放的能量使得該鋼絲束的聲學(xué)特性發(fā)生變化。安裝在拉索上的傳感器將測到的聲學(xué)響應(yīng)傳遞到附近的數(shù)據(jù)采集單元保存,然后再通過局域網(wǎng)或撥號網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備上,可用來監(jiān)測高拉力的鋼絲、鋼絲束和拉索的斷裂。但其傳感器必須在斷絲發(fā)生前已經(jīng)安裝,因此對已經(jīng)發(fā)生斷絲的纜索系統(tǒng)的斷絲檢測無能為力。

6)超聲法。用超聲法檢測斷絲的基本原理是接收斷絲部位的反射波,因此應(yīng)掌握斷絲部位的反射特性。出于放射等因素,在芯線中傳播的超聲波隨傳播距離的增加而衰減。因此,用反射波檢測遠離超聲波入射端的斷絲部位是困難的。纜索損傷除了斷絲之外還有腐蝕。通過對腐蝕部位的反射特性實驗證明,用反射法檢測芯線腐蝕是困難的。

7)布拉格光纖光柵傳感器。布拉格光纖光柵(Fiber Brag Ging)傳感器的基本原理是在一根光纖的內(nèi)表面刻出一個光柵,當(dāng)該光柵在的區(qū)域發(fā)生應(yīng)變時,就會引起光柵發(fā)生變形。通過該光柵反射的光的波長就會發(fā)生變化,分析探測器所接收到的光信號波長的改變可以得到光柵所在區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變值。光線只是起到傳光的作用。采用布拉格光纖光柵傳感器進行斷絲監(jiān)測的優(yōu)點在于:光柵傳感器性能穩(wěn)定,測量精度高,不受電磁輻射的影響。但其不足也很明顯:目前的試驗只是用在直徑很小的索上,如果索的直徑較大,很少的斷絲對拉索應(yīng)力的影響較小,并且實際橋梁中拉索的應(yīng)力受自然情況的影響經(jīng)常發(fā)生改變,很難區(qū)分到底是什么原因引起的拉索應(yīng)力的變化。

3 結(jié)語

從目前的研究現(xiàn)狀可以看出,聲發(fā)射技術(shù)相對在纜索斷絲監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成功的應(yīng)用,但其要求進行長期在線監(jiān)測,不僅造價高昂,而且不具備對已經(jīng)發(fā)生斷絲的纜索進行無損檢測的能力,也不具備纜索腐蝕檢測的能力;其他的幾種方法對橋梁纜索的銹蝕、斷絲進行檢測,在檢測原理上可以實現(xiàn)的方法有電磁法、磁致收縮法和弱磁檢測法,這三種方法在其他領(lǐng)域中對鋼索的檢測都有較成功的應(yīng)用。但這些方法在橋梁纜索檢測方面應(yīng)用時仍需進一步結(jié)合橋梁纜索的實際情況加以改進。電磁法、磁致收縮法、弱磁檢測法在橋梁纜索檢測中的應(yīng)用較有前景,具有非常重要的科研和工程價值。

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