多齡期橋梁斜拉索疲勞損傷演化聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究

李冬生，胡 倩，李 惠，蘭成明

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，大連 116024;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

目前，大部分橋梁斜拉索是采用高強(qiáng)平行鋼絲制作而成，它暴露在環(huán)境大氣中，遭受環(huán)境腐蝕和交變荷載作用，易發(fā)生累積疲勞損傷，嚴(yán)重威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。斜拉索隨著服役時(shí)間的增加，其抗力發(fā)生衰減、力學(xué)性能降低。因此，研究多齡期斜拉索的疲勞損傷演化可為在役拉索的安全評定提供理論基礎(chǔ)。

目前，對斜拉索的疲勞研究都是基于嶄新未腐蝕的平行鋼絲來進(jìn)行的，大多數(shù)都是對平行鋼絲進(jìn)行常規(guī)的力學(xué)性能研究。邵永波等［1］通過聲發(fā)射技術(shù)對制繩鋼絲進(jìn)行高周疲勞研究，表明疲勞裂紋的孕育及成核期約占整個(gè)疲勞壽命的70%，而裂紋擴(kuò)展占30%;Petit等［2］通過對直徑為1mm的高強(qiáng)度細(xì)鋼絲進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究了其疲勞裂紋的演化;Navaei等［3］研究了在可變荷載作用下鋼絲的疲勞損傷累積過程。Casey等［4］利用聲發(fā)射的幅值和頻率分布研究了鋼絲繩的疲勞損傷過程，發(fā)現(xiàn)高幅值撞擊數(shù)與斷絲存在一對一的關(guān)系;Martin和Berger［5］進(jìn)一步研究表明鋼絲斷裂聲發(fā)射傳播非常復(fù)雜，它存在多個(gè)模態(tài)，但隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問題能夠得到解決。從目前相關(guān)文獻(xiàn)檢索來看，對多齡期斜拉索疲勞損傷演化監(jiān)測還缺乏有效的研究手段。

傳統(tǒng)的無損檢測手段能檢測出斜拉索損傷的存在，并不能反映其疲勞損傷發(fā)展的歷程，而聲發(fā)射技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)的無損檢測方法，能被動(dòng)地接收來自聲發(fā)射源的信息，動(dòng)態(tài)地反映構(gòu)件內(nèi)部的變化，是研究疲勞損傷內(nèi)部動(dòng)態(tài)演化的有效手段［6-7］。

因此本文擬采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)來研究國內(nèi)某大橋多齡期斜拉索疲勞損傷的演化過程。

1 腐蝕鋼絲力學(xué)性能及其試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)通過對國內(nèi)某大橋斜拉橋換下的斜拉索進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，獲得拉索內(nèi)腐蝕鋼絲和未腐蝕鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示，試驗(yàn)所用鋼絲均來自于一根拉索，樣本長度500 mm，試驗(yàn)加載速率3 mm/min，斜拉索包含腐蝕鋼絲和未腐蝕鋼絲。

圖1 試驗(yàn)鋼絲應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Relationship between stress and strain of wires

圖1試驗(yàn)結(jié)果表明腐蝕鋼絲屈服強(qiáng)度有一定的下降，極限應(yīng)變變小、延性也變小，而且屈服強(qiáng)度和極限應(yīng)變具有離散性，可以推知腐蝕斜拉索的疲勞損傷特性也與未腐蝕的斜拉索有區(qū)別，因此，研究多齡期斜拉索的疲勞損傷演化，對橋梁斜拉索安全評定、服役壽命預(yù)測和全壽命設(shè)計(jì)方法有著重要的意義，也為斜拉橋拉索的安全評定提供理論基礎(chǔ)。

2 多齡期斜拉索疲勞損傷聲發(fā)射特征及其損傷演化分析

本文試驗(yàn)所用的斜拉索是從國內(nèi)某大橋上卸下的多齡期斜拉索(服役18年)。斜拉索采用69根公稱直徑為5 mm的平行鋼絲，鋼絲強(qiáng)度級別為1 570 MPa，拉索長度為1 750 mm、自由段長度為1 190 mm，錨頭按照實(shí)際拉索錨頭構(gòu)造制做的冷鑄鐓頭錨，由柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)制造，試驗(yàn)用拉索尺寸及構(gòu)造示意圖見圖2(a)。疲勞性能試驗(yàn)采用力控制，拉索疲勞性能試驗(yàn)初始應(yīng)力幅為360 MPa，應(yīng)力比為0.5，斷絲后仍保持荷載幅不變。

在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，將斜拉索固定于MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)上，對其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，進(jìn)行聲發(fā)射全過程監(jiān)測。測試儀器采用美國PAC公司8通道聲發(fā)射系統(tǒng)，用AEwin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具體的聲發(fā)射參數(shù)設(shè)置為:前置放大器增益為40 dB、主放大器增益為20 dB、采樣頻率為5 MHz。由于整個(gè)試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，經(jīng)測定，環(huán)境噪聲水平較低，處于45 dB以下，故采用固定閾值，設(shè)為45 dB。整個(gè)試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 整個(gè)試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experiment

2.1 多齡期斜拉索疲勞損傷整體演化過程分析

聲發(fā)射技術(shù)的一個(gè)最本質(zhì)、最重要的問題就是根據(jù)聲發(fā)射信號來獲得有關(guān)聲發(fā)射源或材料損傷的信息。聲發(fā)射參數(shù)分析方法是指利用聲發(fā)射信號波形的各項(xiàng)特征參數(shù)來分析和解釋聲發(fā)射信號。

Baram和Rosen等人在應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對材料疲勞損傷及斷裂過程進(jìn)行長期的研究后，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射能量參數(shù)是最能夠反映材料性能變化的特征參量，因?yàn)樗鼈兣c材料中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、夾雜物的斷裂以及裂紋擴(kuò)展所釋放的應(yīng)變能成比例。因此，本文選用聲發(fā)射能量參數(shù)來描述材料在疲勞過程中各個(gè)不同階段性能的變化情況。

由于這次試驗(yàn)所用斜拉索是服役十多年且有腐蝕的鋼拉索，從圖3中可以看出，在整個(gè)疲勞損傷試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號都很豐富，但是根據(jù)原始信號能量累積圖，其整個(gè)階段的信號特征表現(xiàn)得并不明顯，因此考慮過濾掉整個(gè)聲發(fā)射過程低能量信號，以顯示整個(gè)疲勞過程演化過程。采用這樣的濾波方法:將均值以下的信號置0，保留能量較高的聲發(fā)射信號，然后再繪制聲發(fā)射參數(shù)能量累積圖，如圖4所示。

從圖4中可以清楚地了解多齡期斜拉索整個(gè)疲勞損傷的演化過程大致由三個(gè)階段組成:OA階段(節(jié)點(diǎn)0～節(jié)點(diǎn) 16 844)、AB階段(節(jié)點(diǎn) 16 845～節(jié)點(diǎn)56 824)、BC階段(節(jié)點(diǎn)56 825～節(jié)點(diǎn)93 846)，而這三個(gè)階段在圖3中并不能被清楚地表示，因此濾波后能從大量的信息中提取出有用的AE信號，清晰地顯示整個(gè)疲勞損傷的發(fā)展過程。

3 各階段多齡期拉索疲勞損傷聲發(fā)射信號分析

小波分析方法是一種信號的時(shí)頻分析方法，能自動(dòng)調(diào)整時(shí)頻窗，而且有很好的表征信號局部特征的能力，運(yùn)用小波分析來構(gòu)造故障診斷所需的特征因子，尋找到斜拉索破壞過程聲發(fā)射參數(shù)的變化特性。

如果構(gòu)件存在損傷，將會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的小波系數(shù)發(fā)生變化，分析小波系數(shù)的奇異性以及奇異點(diǎn)出現(xiàn)的位置和大小來確定構(gòu)件的損傷位置是比較快速有效的。

3.1 信號奇異性檢測原理

一般地，信號的奇異性大小可用李普西茲(Lipschitz)指數(shù)來描述，簡稱Lip指數(shù)，也稱奇異性指數(shù)［8-9］。設(shè)有非負(fù)整數(shù)n，n≤α≤n+1，如果存在常數(shù)A＞0，以及n次多項(xiàng)式pn(t)，對于t∈(t0-δ，t0+δ)使得，則稱f(t)在t0是Lipα的，如果f(t)在t0的Lip指數(shù)α小于1，則t0稱為f(t)的奇異點(diǎn)。對于小波分析而言，在小波變換中，局部奇異性可定義為:

定義 1:設(shè)f(x)∈L2(R)，若f(x)對?x∈δx0，小波φ(x)滿足且連續(xù)可微，并且具有n階消失矩(n為正整數(shù))，有:，(K為常數(shù))則稱:

α為x0點(diǎn)的奇異性指數(shù)(也稱Lipschitz指數(shù))。

本文將待分析信號進(jìn)行小波分析，從細(xì)節(jié)信號的分解圖中可以看出信號突變的變化情況，并結(jié)合能量的幅度范圍分布特點(diǎn)，便可清晰地了解多齡期拉索疲勞損傷演化幾個(gè)階段中信號突變的情況。

將聲發(fā)射時(shí)間和能量參數(shù)進(jìn)行小波奇異性分析，應(yīng)用Db3小波對其進(jìn)行5級分解，得到不同尺度下的分解圖。

圖5 聲發(fā)射能量與時(shí)間細(xì)節(jié)圖(d5)Fig.5 Detail of AE energy and time at level 5

由于在疲勞試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測中不可避免地夾雜一些噪聲信號，如不過濾掉這些信號，它將會(huì)把有效的聲發(fā)射信號進(jìn)行掩蓋，從而影響結(jié)果分析。而小波分析技術(shù)具有良好的降噪功能，采用小波降噪后聲發(fā)射能量與時(shí)間細(xì)節(jié)分解如圖5所示，濾波后的小波分解結(jié)果更能表征多齡期拉索損傷整個(gè)演化過程。每個(gè)階段信號出現(xiàn)諸多信號突變點(diǎn)，即各階段都有損傷產(chǎn)生且區(qū)域大小不盡相同。從分解結(jié)果來看，多齡期斜拉索疲勞損傷明顯分為三個(gè)過程，其結(jié)果與采用聲發(fā)射累計(jì)能量參數(shù)描述多齡期斜拉索損傷演化較一致。

此外還根據(jù)每個(gè)階段突變點(diǎn)產(chǎn)生的位置來確定損傷發(fā)生的時(shí)刻，提取各損傷時(shí)刻的波形，用FFT將其表示在頻域上，綜合分析各損傷時(shí)刻的波形特征和頻率分布范圍。

3.2 不同損傷階段聲發(fā)射波形及其聲源類型分析

(1)OA階段

分析OA階段中的奇異信號，將這個(gè)階段主要的特征波形和其頻率分布范圍提取出來，如圖6所示。

從圖6中可知，OA階段的聲發(fā)射波形以低幅度寬脈沖為主，頻率分布在0～500 kHz的范圍內(nèi)，主要頻率集中100～200 kHz，這個(gè)階段聲發(fā)射源主要是由于鋼絲表面腐蝕損傷裂紋在疲勞荷載作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，表面局部應(yīng)力集中引起局部塑性變形。這個(gè)階段多齡期斜拉索以塑性變形為主。

(2)AB階段

分析AB階段中的奇異信號，提取這個(gè)階段主要的特征波形和其頻率分布范圍，如圖7所示。隨著疲勞損傷的發(fā)展，一方面損傷區(qū)域有所增加，即不斷有新的損傷區(qū)域出現(xiàn)，鋼絲為加工硬化材料，在新疲勞裂紋產(chǎn)生初期出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象，并與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互作用，使得AE活動(dòng)頻繁，由此引起的波形以低幅度寬脈沖為主，如圖7(a)，頻率主要集中100～200 kHz。

另一方面原裂紋持續(xù)擴(kuò)展，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，塑性變形加劇，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的自由度大大減少，由此產(chǎn)生的波形頻率范圍變寬，如圖7(b)，與OA階段相比，其頻率范圍變寬，分布在0～1 000 kHz的范圍內(nèi)，主要頻率集中在120～200 kHz。因此AB階段中既有新?lián)p傷的萌生又有舊裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，且以舊裂紋的持續(xù)擴(kuò)展為主。

除了上述兩種波形外，在AB階段中還能觀測到少量的高幅度窄帶信號波形，如圖8所示，說明在疲勞荷載持續(xù)作用下產(chǎn)生少量的斷絲。斷絲信號的端前相對較平穩(wěn)且衰減較快，頻率成分豐富，范圍較寬，具有高頻分量。

(3)BC階段

分析BC階段中的奇異信號，這個(gè)階段主要的特征波形和其頻率分布范圍如圖9所示。

在循環(huán)荷載作用下，鋼絲表面最大切應(yīng)力處，擇優(yōu)滑移系經(jīng)過前兩個(gè)階段的應(yīng)變積累后逐漸演變成為主導(dǎo)裂紋，使得鋼絲進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展階段。從圖9中可以看出，這階段聲發(fā)射高能量范圍所占比重明顯增高并一直持續(xù)到鋼絲完全失效，但也有較低的聲發(fā)射能量信號的產(chǎn)生。在裂紋快速擴(kuò)展階段，鋼絲由于主導(dǎo)裂紋的存在而產(chǎn)生橫向分力，這使其有一往復(fù)的彎折運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致二次裂紋的出現(xiàn)并不斷變寬變大，這是BC階段中較低范圍的聲發(fā)射信號產(chǎn)生的主要原因，由此產(chǎn)生的特征波形以圖9(a)為主，其特征波形為寬脈沖，頻率范圍較寬，分布在100～400 kHz的范圍內(nèi)。

但BC階段中聲發(fā)射信號以斷絲信號為主，如圖9(b)所示，波形表現(xiàn)為高幅度窄脈沖，波形衰減較快，頻率分布在0～1 000 kHz的范圍內(nèi)，主要頻率集中100～500 kHz。

4 結(jié)論

本文采用聲發(fā)射技術(shù)對多齡期斜拉索疲勞損傷演化進(jìn)行了全過程監(jiān)測，分析了損傷的形成原因，實(shí)現(xiàn)了對多齡期斜拉索損傷聲發(fā)射源類型的確定，其主要結(jié)論如下:

(1)腐蝕鋼絲的屈服強(qiáng)度有一定的下降、極限應(yīng)變變小、延性變小，而且屈服強(qiáng)度和極限應(yīng)變具有離散性。

(2)運(yùn)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)得到了整個(gè)試驗(yàn)過程的特征參數(shù)，從聲發(fā)射能量累積圖中可以看出其疲勞損傷演化大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。

(3)采用小波奇異性檢測確定每個(gè)階段損傷的產(chǎn)生，并對損傷波形進(jìn)行波形和頻譜分析，不同損傷模式的信號頻率分布范圍和波形特點(diǎn)都存在明顯的差異，疲勞過程中破壞機(jī)制對聲發(fā)射信號的特征有顯著的影響。

從以上的試驗(yàn)及其分析結(jié)果可以看出，聲發(fā)射疲勞試驗(yàn)過程中由于夾雜大量的噪聲信號，如何從強(qiáng)噪聲環(huán)境中得到有效聲發(fā)射信號對試驗(yàn)結(jié)果影響比較大。此外本文分析結(jié)果都是基于一個(gè)通道傳感器所接收的信息來進(jìn)行分析研究的，沒有充分利用其它通道的聲發(fā)射信號，應(yīng)該尋求一種有效的信息融合方法將多通道傳感器信息進(jìn)行有機(jī)的組合，從而更加突出主成分信號，使最后的分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，這也是以后研究的主要方向。

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