基于磁致伸縮導(dǎo)波和微波雷達(dá)的吊桿測量技術(shù)

唐堂 魏勇

【摘要】磁導(dǎo)波技術(shù)是利用磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)的新型測量技術(shù)，可以對拉索和吊桿內(nèi)部銹蝕進(jìn)行測量，微波雷達(dá)是采用雷達(dá)遙感和差分干涉技術(shù)，能對吊桿的索力進(jìn)行測量。文章以攀枝花倮果金沙江大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，使用微波雷達(dá)和磁導(dǎo)波測試原理對鋼管混凝土拱橋的吊桿索力和內(nèi)部銹蝕進(jìn)行了研究，并進(jìn)行技術(shù)狀況評定。通過結(jié)果表明：微波雷達(dá)和磁導(dǎo)波技術(shù)具有檢測速度快、效率高，無需開窗、受干擾小等特點(diǎn)，非常適合吊桿的檢測應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】磁導(dǎo)波; 微波雷達(dá); 吊桿; 索力; 銹蝕

【中國分類號(hào)】U446.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

近年來我國發(fā)生多起因吊桿斷裂引起拱橋整體結(jié)構(gòu)破壞的重大事故，吊桿的損傷及破壞已成為危及拱橋安全的重要因素。目前應(yīng)對橋梁吊桿損傷或失效引起橋梁巧塌事故問題的主要方法是對吊桿進(jìn)行定期的養(yǎng)護(hù)和檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錨頭損傷和銹蝕、防護(hù)裝置失效或者PE護(hù)套開裂[1]。傳統(tǒng)的檢測方法主要是人工檢查，如觀察繩索護(hù)套是否有開裂、裂紋等損傷，拆下錨固頭防護(hù)罩以觀察錨固區(qū)是否存在積水、腐蝕等問題。人工檢查方法無法對內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效地檢查，并且效率低下。目前對吊桿進(jìn)行無損檢測有兩個(gè)方面，一方面是索力的測試研究，通過研究橋梁吊桿索應(yīng)力及其變化了解索體的整體狀況。另一方面是索體內(nèi)部腐蝕及斷絲的無損檢測，了解索體內(nèi)部的健康狀況。

磁致伸縮導(dǎo)波檢測吊桿內(nèi)部銹蝕是利用彈性波在傳播過程中遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射，通過導(dǎo)波傳感器探頭將反射信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)從而檢測吊桿內(nèi)部銹蝕的方法。該方法不需要和吊桿內(nèi)部平行鋼絲直接接觸，而是利用平行鋼絲材料本身的磁致伸縮效應(yīng)，因此在拱橋吊桿這類具有護(hù)套的纜索內(nèi)部銹蝕檢測上更為適用。在測試吊桿索力方面，微波雷達(dá)測量是一種全新的吊桿索力振動(dòng)測試方法，它是通過發(fā)射和接收雷達(dá)波來測量拉索的頻率等振動(dòng)特性參數(shù)，從而得出拉索索力等。該測試方法具有非接觸式測量，測試效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，國外一些學(xué)者對該方法進(jìn)行了研究，而在吊桿測試應(yīng)用領(lǐng)域，其研究相對較少。本文通過實(shí)際吊桿拱橋，分別采用磁致伸縮導(dǎo)波和微波雷達(dá)對吊桿技術(shù)狀況進(jìn)行研究。

1 微波雷達(dá)索力測試原理

1.1 微波雷達(dá)測量

微變形雷達(dá)是基于干涉測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)吊桿受力狀態(tài)的一款檢測設(shè)備。測量時(shí)，該產(chǎn)品無需在拉索或吊桿上安裝任何輔助設(shè)施，離測量對象一定距離，發(fā)射微波信號(hào)，通過反射接收后的信號(hào)計(jì)算相位，通過兩次發(fā)射相位差來測量拉索或吊桿的振動(dòng)位移[2]，如圖1所示。

雷達(dá)工作波長λ;第一次目標(biāo)測量相位φ1;第二次測量相位φ2;兩次測量間目標(biāo)在雷達(dá)視線上的位移量d。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率、初始相位分別為f0、φ0，則發(fā)射信號(hào) VT、回波信號(hào) VR分別可以表示為：

式中：A為發(fā)射信號(hào)的幅度，η為回波信號(hào)幅度的衰減系數(shù)，φ為回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相位差。

相位差φ與發(fā)射信號(hào)頻率 f0和回波信號(hào)時(shí)間延遲T相關(guān)：φ=2πf0T;而回波信號(hào)時(shí)間延遲T與目標(biāo)離雷達(dá)的距離L的關(guān)系滿足式（3）：

式中：c為微波信號(hào)的傳播速度。則相位差φ與距離L 的關(guān)系又可以表示為式（4）：

由于相位測量存在一個(gè)周期性的模糊問題，即總的相位φ為φ=N×2π+φ，而在實(shí)際相位測量時(shí)，不能得到圖1中相位差φ的整周期部分N×2π，只能得到相位差φ的余數(shù)部分φ=φ-N×2π。然而，這并不影響目標(biāo)位移的測量。將相位差φ=N×2π+φ代入式（ 4） 可得：

進(jìn)而，距離L可以表示為：

又有：λ=c/f0，式（6） 進(jìn)一步表示為式（7）。

當(dāng)目標(biāo)發(fā)生移動(dòng)、且移動(dòng)量小于微波周期半長度λ/2時(shí)，可以認(rèn)為相位差φ的距離整周期部分保持不變，距離L的變化量僅體現(xiàn)在式（ 7） 的第一項(xiàng)中，對式（ 7） 差分，可以得到目標(biāo)位移為式（8）。

同時(shí)，將相位差 φ=N×2π+φ代入式（2） ，回波信號(hào)也可以表示為式（9）。

因此，在進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，通過測量回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間相位差余數(shù)部分 φ 的變化量，即可得到目標(biāo)的動(dòng)態(tài)位移量。最后利用FFT（快速傅里葉變換）將動(dòng)位移時(shí)域特征轉(zhuǎn)換為吊桿的頻率特征。

1.2 索力測試

頻率法測量吊桿索力是利用吊桿自振頻率與吊桿索力的弦振動(dòng)原理進(jìn)行索力測量。通常情況下，吊桿索力計(jì)算公式為式（10）[3]。

式中 ：T為吊桿的索力，m為單位長度吊桿的質(zhì)量，L為吊桿的計(jì)算長度，fn 為吊桿的第n階自振頻率，n為振動(dòng)階數(shù)。

2 磁致伸縮導(dǎo)波測試原理及銹蝕評定

2.1 磁致伸縮導(dǎo)波測試原理

磁伸縮導(dǎo)波是通過施加交變磁場后磁性物體后產(chǎn)生的。吊桿的導(dǎo)波的激勵(lì)和檢測就是基于磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的?；谏鲜鲈恚跈z測對象上纏繞線圏，并在激勵(lì)線圈中通入交變電流，產(chǎn)生交變的磁場作用在被檢測材料上，鐵磁性材料會(huì)在交變感應(yīng)的作用下發(fā)生磁致伸縮正效應(yīng)，從而在檢測對象上激勵(lì)出導(dǎo)波。沿著被檢測傳播的導(dǎo)波遇到缺陷等聲阻抗不連續(xù)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)反射回來。反射的導(dǎo)波經(jīng)過接收線圈時(shí)，會(huì)引起鐵磁性材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，從而使周圍磁場發(fā)生變化。接收線圏接收到磁場的變化，進(jìn)而判斷缺陷的位置和大小[4-5]。磁致伸縮導(dǎo)波索桿檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見圖2。

2.2 吊桿銹蝕斷絲評定

在JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[6]中對吊桿拱橋的吊桿的銹蝕、斷絲的評定作了規(guī)定。但該評定方法主要基于人工主觀經(jīng)驗(yàn)的定性判斷，缺乏具體的定量判斷指標(biāo)，在具體的吊桿技術(shù)狀況評定中實(shí)際指導(dǎo)性和可操作性強(qiáng)。同時(shí)，在GB/T 28704-2012《無損檢測磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法》[7]中規(guī)定：磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷信號(hào)按反射回波的信號(hào)幅度與已采用對比試件繪制的距離-波幅曲線進(jìn)行比對分級，反射波幅在Ⅰ區(qū)的為Ⅰ級，在Ⅱ區(qū)的為Ⅱ級，在Ⅲ區(qū)的為Ⅲ級。吊桿磁致伸縮導(dǎo)波檢測評定標(biāo)度分類及分析如表1所示。

3 實(shí)橋測試及結(jié)果分析

攀枝花倮果金沙江大橋位于攀枝花市東區(qū)銀江鎮(zhèn)倮果境內(nèi)，橫跨金沙江。橋梁主跨160 m，全長208 m，橋面總寬15 m。橋梁橋縱向布置為2×8 m（鋼筋混凝土空心板）+160 m（中承式鋼管混凝土箱型肋拱橋）+3×8 m（鋼筋混凝土空心板），橫向布置為：3 m（人行道）+12.0 m（行車道）+3 m（人行道）。設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。該橋于1995年10月竣工，2003年對大橋進(jìn)行了維修加固。2012年12月10日下午6點(diǎn)15分，攀枝花市區(qū)倮果金沙江大橋一根吊桿（OVMDS7-85Ⅲ，為組合式鐓頭錨吊桿）突然脫落，導(dǎo)致橋面出現(xiàn)“V”字形塌陷，存在嚴(yán)重安全隱患。橋梁于2013年在維修加固中將單吊桿改成雙吊桿。倮果金沙江大橋立面圖和V字型塌陷圖見圖3、圖4。本次對跟換后的吊桿進(jìn)行了索力和內(nèi)部銹蝕檢測[8]。

采用微波雷達(dá)儀對倮果金沙江大橋的吊桿進(jìn)行了索力檢測。測試將設(shè)備架設(shè)到通視條件良好的位置，向吊桿發(fā)射微波，接收器接收吊桿返回的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)和散射信號(hào)，根據(jù)發(fā)射信號(hào)確定吊桿與設(shè)備之間的距離，判斷出吊桿位置，同時(shí)，根據(jù)散射信號(hào)，將吊桿動(dòng)位移時(shí)程曲線（圖5）通過快速傅里葉變換（FFT），得到吊桿的自振頻率，再計(jì)算出吊桿索力。詳細(xì)的測試結(jié)果見圖6。分析可以得出：

（1）左側(cè)吊桿實(shí)測索力介于509～589 kN范圍內(nèi)，整體分布較為均勻，最大索力為Z-9-1#吊桿，最小索力為Z-1-1#吊桿。

（2）右側(cè)吊桿實(shí)測索力介于512～596 kN范圍內(nèi)，整體分布較為均勻，最大索力為Y-3-2#吊桿，最小索力為Y-1-2#吊桿。

吊桿在實(shí)際工作中受到外界環(huán)境和振動(dòng)疲勞等各種不利因素的作用，同時(shí)長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，吊桿索體腐蝕問題顯著。吊桿內(nèi)部鋼絲的完整性直接影響吊桿的安全性和耐久性。本次根據(jù)GB/T 28704-2012《無損檢測磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法》和JTG/T H212011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》，選取檢測的10根吊桿。檢測中未發(fā)現(xiàn)有異常反射信號(hào)，所抽檢吊桿銹蝕、斷絲評定標(biāo)度均為1級。選取其中典型吊桿檢測結(jié)果進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7中的點(diǎn)橫線為通過信號(hào)與上錨頭回波信號(hào)之間的衰減線，實(shí)線為參考判廢線，點(diǎn)線為參考評定線，導(dǎo)波傳播至3.30 m 處是下錨頭信號(hào)起波點(diǎn)，32.42 m 處是上錨頭信號(hào)起波點(diǎn)。從圖7可以看出，吊桿上錨頭與下錨頭的回波信號(hào)明顯，能正常反射導(dǎo)波能量，這說明該吊桿上錨頭與下錨頭沒有銹蝕，且下錨頭與上錨頭間沒有超過參考評定線（點(diǎn)線）的信號(hào)，因此從檢測波形可以初步判斷該吊桿內(nèi)部鋼絲無明顯病害。

4 結(jié)論

通過對吊桿索力和內(nèi)部銹蝕測試的理論分析和實(shí)測方法的運(yùn)用，可以得出以下結(jié)論：

（1）微波雷達(dá)可運(yùn)用于吊桿索力頻率測試中，具有可測量多根吊桿振動(dòng)信號(hào)，極大地提高了測試效率;安全、便捷，設(shè)備輕便，極大降低了測試過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

（2）相對傳統(tǒng)人工檢測吊桿內(nèi)部銹蝕斷絲，磁致伸縮導(dǎo)波方法能避免了對吊桿防護(hù)系統(tǒng)造成的嚴(yán)重?fù)p害，且效率高，對交通干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

（3）通過對倮果金沙江大橋吊桿索力和吊桿內(nèi)部銹蝕檢測結(jié)果表明，基于微波雷達(dá)和磁致伸縮導(dǎo)波的吊桿檢測與評定，對同類橋梁檢吊桿檢測具有指導(dǎo)作用。

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