橋梁纜索損傷檢測技術分析

林陽子 張宇峰 賴廣勝

1 概述

近年來,纜索技術已被廣泛應用于大跨度橋梁,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。纜索系統作為長大跨徑橋梁的主要承重結構,一旦出現損傷,將降低結構的使用性和耐久性,并且可能造成橋梁結構發生災難性的突發破壞事故,造成極為惡劣的社會影響和慘重的經濟損失[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,并著重總結分析了各種無損檢測方法包括磁致伸縮技術、漏磁技術等的檢測原理及當前的研究運用現況,可為以后的研究工作者提供參考。

2 檢測技術分析

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,對纜索的檢測結果中人為主觀因素比較多,因此人工檢測不能滿足相應的預警、安全的需要,對突發事故無法實現實時檢測。

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.進行現場振動測試,采集響應數據;b.進行數據分析,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系,于是索力就可由頻率經換算而間接得到。但是對于化學腐蝕、應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生向外泄露的漏磁場;當纜索中金屬橫截面積總和發生變化時,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(MsS)原理來檢測鋼索損傷的案例。磁致伸縮效應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生微小的變化。由此可通過控制磁場的變化等因素來產生各種機械波(如縱波、扭力波、彎曲波、表面波等),波沿著結構件有限的邊界形狀傳播并被構件邊界形狀所導向,在傳播途中導波若遇到破裂或缺陷,則部分信號發生反射,導致信號波形發生變化,通過傳感器接收并由處理系統來判斷損傷的程度(見圖3)。

目前此項技術主要用于鋼索、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,因此導波檢測精度與缺陷和傳感器之間距離有關,在導波檢測范圍內,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損傷定位,但無法區分斷絲在斜拉索的周邊分布位置。

4)弱磁檢測技術。弱磁檢測技術是發現空間磁場矢量態勢的變化和運動規律后在檢測領域的應用。這項技術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,它可以對鋼絲繩進行損傷檢測。目前,這項技術主要應用在電梯、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)聲學監測法。聲學監測法采用聲發射原理,當斜拉索中的鋼絲束突然斷裂后,儲存在鋼絲束中的應變能就很快釋放。釋放的能量使得該鋼絲束的聲學特性發生變化。安裝在拉索上的傳感器將測到的聲學響應傳遞到附近的數據采集單元保存,然后再通過局域網或撥號網絡傳輸到中央處理設備上,可用來監測高拉力的鋼絲、鋼絲束和拉索的斷裂。但其傳感器必須在斷絲發生前已經安裝,因此對已經發生斷絲的纜索系統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表面刻出一個光柵,當該光柵在的區域發生應變時,就會引起光柵發生變形。通過該光柵反射的光的波長就會發生變化,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域內的應變值。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測的優點在于:光柵傳感器性能穩定,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力的影響較小,并且實際橋梁中拉索的應力受自然情況的影響經常發生改變,很難區分到底是什么原因引起的拉索應力的變化。

3 結語

從目前的研究現狀可以看出,聲發射技術相對在纜索斷絲監測領域已經取得了一定的成功的應用,但其要求進行長期在線監測,不僅造價高昂,而且不具備對已經發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域中對鋼索的檢測都有較成功的應用。但這些方法在橋梁纜索檢測方面應用時仍需進一步結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用較有前景,具有非常重要的科研和工程價值。

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