橋梁連接螺栓健康監(jiān)測以及防銹維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 艷

[中部高速公路管理（山西）有限公司,山西 太原 030000]

0 引言

橋梁連接螺栓是橋梁結(jié)構(gòu)中常見的連接元件，主要用于連接梁體、梁體與支座、梁體與墩臺等部分。常見的橋梁連接螺栓有U 型螺栓、錨固螺栓等。這些螺栓通常通過螺母和墊圈與其他構(gòu)件一起組成一個(gè)完整的連接系統(tǒng)[1]。在橋梁建設(shè)中，連接螺栓承擔(dān)著橋梁結(jié)構(gòu)的重要連接任務(wù)，其健康狀態(tài)直接影響橋梁的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[2]。

通過橋梁螺栓健康監(jiān)測與防銹維護(hù)，可有效保障橋梁的結(jié)構(gòu)安全。通過定期監(jiān)測連接螺栓的健康狀況，可以及早發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的修復(fù)措施，從而預(yù)防事故的發(fā)生[3]。同時(shí)，連接螺栓承受橋梁荷載的作用，長期使用后可能出現(xiàn)螺栓松動、腐蝕、斷裂等問題。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理這些問題，可以延長連接螺栓的使用壽命，減少維修和更換成本。為了減少橋梁維護(hù)成本，該文設(shè)計(jì)橋梁連接螺栓健康監(jiān)測以及防銹維護(hù)系統(tǒng)，通過這一系統(tǒng)，精準(zhǔn)地監(jiān)測橋梁連接螺栓的異常變化，保障公眾的交通安全和橋梁的運(yùn)行效果。

1 螺栓健康監(jiān)測以及防銹維護(hù)系統(tǒng)研究

1.1 橋梁連接螺栓銹蝕成因分析

受外圍環(huán)境影響，橋梁鋼構(gòu)件的連接螺栓處十分容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，而連接螺栓是保護(hù)橋梁鋼構(gòu)件連接性能的關(guān)鍵部件，盡管大多數(shù)螺栓在出廠時(shí)均進(jìn)行電鍍、熱浸鍍等防銹蝕處理，但隨著外部環(huán)境的干擾，在橋梁運(yùn)營過程中仍然會出現(xiàn)連接螺栓銹蝕問題[4]。當(dāng)連接螺栓出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕時(shí)，不僅會影響橋梁的美觀性，還會影響橋梁鋼構(gòu)件的使用壽命，為此，該文分析連接螺栓的銹蝕成因，具體分析內(nèi)容如下：

（1）潮濕環(huán)境引發(fā)化學(xué)反應(yīng)腐蝕：濕度是螺栓銹蝕的主要因素之一。目前連接螺栓通常位于橋梁基礎(chǔ)部位，在連接處常常存在縫隙，在濕度較高的地區(qū)，如沿海地區(qū)或濕潤的氣候條件下，螺栓更容易受到銹蝕影響，導(dǎo)致螺栓縫隙處容易堆積雨水，在水分作用下，導(dǎo)致連接螺栓涂層脫落，出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

（2）安裝時(shí)劃傷螺栓表層防腐面：在橋梁建設(shè)施工以及螺栓安裝時(shí)，容易引發(fā)碰撞與劃傷問題，導(dǎo)致螺栓表面防銹蝕層破壞，從而影響螺栓使用壽命[5]。

（3）拉應(yīng)力影響螺栓防銹效果：橋梁連接螺栓主要用于設(shè)備與構(gòu)件之間的連接，當(dāng)螺栓連接完成后，受到外部振動與拉應(yīng)力的影響，會加快螺栓的銹蝕效果。

（4）氧化反應(yīng)：當(dāng)連接螺栓表面的保護(hù)層受到破壞時(shí)，接觸到空氣中的氧氣，會發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物，即銹。這種氧化反應(yīng)會進(jìn)一步促進(jìn)銹蝕的發(fā)生。

（5）酸性或堿性環(huán)境：某些特定的環(huán)境條件，如酸性或堿性環(huán)境，會加速連接螺栓的銹蝕過程。酸雨、化學(xué)污染物、海水等具有腐蝕性的介質(zhì)，會對螺栓表面的金屬產(chǎn)生腐蝕性反應(yīng)，導(dǎo)致銹蝕發(fā)生。

考慮橋梁連接螺栓易發(fā)生銹蝕問題，該文構(gòu)建橋梁連接螺栓健康監(jiān)測以及防銹維護(hù)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的監(jiān)測，及時(shí)找出連接螺栓存在的問題，避免螺栓銹蝕對橋梁造成嚴(yán)重?fù)p害。

1.2 連接螺栓健康監(jiān)測以及防銹維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該文構(gòu)建的螺栓監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)主要采用振動檢測方式獲取橋梁現(xiàn)場螺栓的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對檢測數(shù)據(jù)的分析，獲取連接螺栓的健康狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)螺栓防銹維護(hù)。為此，該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：一部分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，另一部分為螺栓使用數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在圖1 的系統(tǒng)架構(gòu)中，主要包含以下內(nèi)容：

（1）工控機(jī)及采集子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集連接螺栓使用狀態(tài)，其中包括工控機(jī)、振動檢測模塊以及數(shù)據(jù)采集軟件，通過這一子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。而聲音交互與監(jiān)視子系統(tǒng)主要由麥克風(fēng)、攝像頭等設(shè)備組成，通過聲音交互與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測人員與遠(yuǎn)程管理人員的交流互動。

（2）服務(wù)器：服務(wù)器主要用于采集數(shù)據(jù)的處理與存儲，將工控機(jī)采集到的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)使用者需要使用數(shù)據(jù)時(shí)，可自行導(dǎo)入、導(dǎo)出數(shù)據(jù)，同時(shí)在服務(wù)器上配備連接螺栓健康狀態(tài)評估軟件，經(jīng)軟件評估后判斷螺栓健康水平。

在進(jìn)行連接螺栓健康監(jiān)測時(shí)，先通過振動檢測子系統(tǒng)采集螺栓數(shù)據(jù)，之后經(jīng)無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)器，通過服務(wù)器分析螺栓使用情況，并給出健康評估報(bào)告，實(shí)現(xiàn)連接螺栓防銹維護(hù)。通過如下內(nèi)容對該系統(tǒng)具體功能細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 振動檢測模塊

通過振動檢測模塊實(shí)現(xiàn)連接螺栓的健康監(jiān)測。該子系統(tǒng)主要通過圖2 中的內(nèi)容構(gòu)成。

圖2 振動檢測子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2中，具體每一模塊功能如下：

（1）激振系統(tǒng)：這一系統(tǒng)用于向被測螺栓施加激勵，使被測螺栓能夠產(chǎn)生可用于檢測的信號，該文所使用的激振設(shè)備為脈沖激振器。

（2）測振傳感器：通過測振傳感器接收連接螺栓傳遞的信號，并將其提供至中間電路。該文采用測振傳感器為KD3001 型壓電式力傳感器，將該傳感器安裝在力錘上，對每一連接螺栓傳遞的信號進(jìn)行采集。該傳感器的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 測振傳感器參數(shù)分析

通過表1 可知，該傳感器具有較強(qiáng)的采集能力，其電荷靈敏度保持較高水平，可精準(zhǔn)獲取不易捕捉的信號。

（3）中間電路：在中間電路對螺栓信號進(jìn)行調(diào)制與放大等處理，使這一信號能夠轉(zhuǎn)換為便于處理的數(shù)字信號。

（4）信號顯示、存儲與分析：對轉(zhuǎn)變后的螺栓信號進(jìn)行保存，并經(jīng)過適當(dāng)處理后顯示被測螺栓的特征信息。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件主要用于配合振動檢測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)連接螺栓信號的采集與存儲。該軟件在采集數(shù)據(jù)時(shí)，主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）啟動連接螺栓振動信號采集工作。

（2）初始化數(shù)據(jù)采集卡。

（3）設(shè)置采集參數(shù)，確定采取螺栓所處的位置，并規(guī)定采集點(diǎn)數(shù)、敲擊次數(shù)以及采樣頻率等指標(biāo)。

（4）按規(guī)律敲擊螺栓，獲取信號后，分析信號有效性，同時(shí)顯示信號波形。

（5）對每一螺栓采集三次有效信號，并對每次信號進(jìn)行相干性判斷，若相干有效，則存儲信號，否則繼續(xù)敲擊。

（6）評估敲擊次數(shù)是否達(dá)到已設(shè)定次數(shù)，若達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，則完成采集，若未達(dá)到，則繼續(xù)敲擊并相干數(shù)據(jù)，直至獲取有效信號。

（7）相干完成后獲取精準(zhǔn)的螺栓信號數(shù)據(jù)，完成信號采集。

1.2.3 連接螺栓健康分析與防銹維護(hù)軟件設(shè)計(jì)

在服務(wù)器中構(gòu)建基于初相和諧波理論的準(zhǔn)同步離散傅里葉變換（DFT）修正算法的連接螺栓健康分析軟件，當(dāng)服務(wù)器接收到工控機(jī)采集子系統(tǒng)傳來的信號數(shù)據(jù)時(shí)，在服務(wù)器中實(shí)時(shí)計(jì)算相鄰螺栓之間的相位差，從而評估連接螺栓的健康情況，通過圖3 表示該軟件進(jìn)行螺栓健康監(jiān)測的流程。

圖3 螺栓健康監(jiān)測的流程圖設(shè)計(jì)

通過圖3 步驟實(shí)現(xiàn)螺栓的健康監(jiān)測與銹蝕維護(hù)，先初始化相關(guān)信息，并設(shè)置串口參數(shù)，當(dāng)服務(wù)器收到工控機(jī)子系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，即可將數(shù)據(jù)解析并分別存入不同的緩存中，通過對不同連接螺栓相位差的對比，分析螺栓的健康狀態(tài)，判斷結(jié)束后，輸出螺栓健康狀態(tài)報(bào)告。為避免相位差對比出現(xiàn)誤差，可在數(shù)據(jù)采集階段重復(fù)采樣，并進(jìn)行迭代對比，以獲取精度較高的螺栓狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為評估該系統(tǒng)的連接螺栓健康監(jiān)測與銹蝕維護(hù)能力，該文通過服務(wù)器模擬該系統(tǒng)應(yīng)用狀態(tài)，分析該系統(tǒng)對橋梁螺栓的監(jiān)測效果。

應(yīng)用該系統(tǒng)對橋梁中某一健康螺栓與銹蝕螺栓進(jìn)行監(jiān)測，并生成螺栓振幅波動圖，驗(yàn)證該系統(tǒng)是否能夠精準(zhǔn)監(jiān)測銹蝕螺栓的異常狀態(tài)。分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 螺栓監(jiān)測狀態(tài)分析

根據(jù)圖4 可知，在該系統(tǒng)的監(jiān)測過程中，可明顯看出正常螺栓與異常螺栓之間的振幅存在明顯差異，且振幅差距相對較大，因此，利用該系統(tǒng)，可有效采集不同螺栓的振幅波動變化，還能夠根據(jù)振幅波動判斷出螺栓的健康狀態(tài)，因此，該系統(tǒng)具有良好的螺栓監(jiān)測能力，可為橋梁維護(hù)提供可靠幫助。

為評估該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，該文選取人工巡檢以及超聲波檢測方式，與該系統(tǒng)進(jìn)行對比，同時(shí)對100 個(gè)橋梁連接螺栓進(jìn)行模擬監(jiān)測，分析不同監(jiān)測方法的應(yīng)用效果，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 不同監(jiān)測方法應(yīng)用效果對比

根據(jù)表2 可知，在人工巡檢的監(jiān)測下，精準(zhǔn)度僅能夠達(dá)到86.4%，雖然這一精準(zhǔn)度已保持在較高水平，但仍然低于超聲波巡檢與該系統(tǒng)的監(jiān)測效果，且人工巡檢的監(jiān)測速度較慢，在監(jiān)測過程中需要耗費(fèi)較大成本，浪費(fèi)人工，因此人工巡檢并不適用于橋梁連接螺栓健康監(jiān)測。而超聲波巡檢方法雖然具有較高精準(zhǔn)度，但其監(jiān)測速度與精準(zhǔn)度仍然低于該文監(jiān)測系統(tǒng)，為此，該系統(tǒng)在進(jìn)行螺栓監(jiān)測時(shí)具有較大優(yōu)勢，可快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的螺栓監(jiān)控監(jiān)測。

3 結(jié)論

該文研究橋梁連接螺栓健康監(jiān)測以及防銹維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對目前橋梁連接螺栓監(jiān)測困難且存在監(jiān)測精度不高等問題，利用振動監(jiān)測手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測連接螺栓的使用情況，并積極分析連接螺栓的健康狀態(tài)，經(jīng)過該系統(tǒng)的監(jiān)測，可快速、有效地獲取螺栓銹蝕情況，為橋梁安全管理提供保障。未來，可針對該系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)螺栓異常告警模塊、螺桿監(jiān)測等模塊，避免橋梁發(fā)生安全隱患，從而延長橋梁使用壽命。