橋梁纜索金屬損傷無損檢測方法

武新軍，賁安然，徐 江

（華中科技大學 制造裝備數字化國家工程研究中心，武漢 430074）

近年來，纜索在斜拉橋、懸索橋和拱形橋等大跨度橋梁建設中得到廣泛應用。作為上述結構的關鍵承力部分，其有效金屬承載面積直接關系到橋梁的安全和使用壽命。如最近新疆庫爾勒孔雀河大橋部分垮塌、福建武夷山橋梁坍塌等橋梁事件均是由于纜索斷裂引發的，造成了極大的社會影響。目前對橋梁纜索的常規檢測方法主要有視覺檢測、索力測量和模態法等。視覺檢測是通過人工視覺觀察纜索護套情況進而判斷其內部損傷狀況，存在勞動強度大、效率低、人為因素影響大等問題［1］；索力測量法［2－3］（包括液壓表讀數法、壓力傳感器法、頻率振動法、磁通量法等）主要是測量各索受力情況，從整體上判斷橋梁應力分布，保持各索受力平均，防止因受力不均而引發纜索逐根斷裂，但上述諸方法很難實現對在役纜索的實時監測；模態法［4］采用系統響應的方式，通過在橋梁上布置多個測量點，獲取檢測信號，通過信號分析獲取橋梁的模態參數，如剛度、阻尼、振型、模態等，進而達到檢測橋梁的目的，但該方法主要是從整體結構上對橋梁進行評價，無法實現橋梁單元部件，如纜索的損傷檢測，同時存在易受環境影響等問題［3］。綜上所述，對于橋梁纜索金屬損傷，目前仍缺乏合適的檢測方法。因此，有必要開展針對橋梁纜索金屬損傷的無損檢測方法研究。

1 纜索檢測難點分析

大跨度橋梁中，纜索直徑最大可達數百毫米，增加了檢測纜索金屬損傷的難度。如圖1所示，橋梁纜索主要有鋼絲索、鋼絞線索和鋼筋索等結構型式［5］，鋼絲或鋼筋相互之間有較大空氣隙。同時，由于防腐的需要，早期采用在套管內灌注水泥漿，或在索體外纏繞聚酯卷帶的方式，導致纜索內部材料屬性差異大，電磁介質復雜，缺陷分辨難度增大。近期的纜索外部均有聚乙烯橡膠護套（PE），護套厚度從幾毫米到幾十毫米不等，提離距離增加，降低了傳感器的檢測靈敏度。因此，從纜索結構方面講，直徑大、內部介質復雜以及PE護套等是纜索無損檢測的難點。

圖1 橋梁纜索結構型式

另一方面，在橋梁纜索使用過程中，作為連接部件，纜索是通過錨頭與橋面連接進而實現力傳遞，如圖2所示，其中必然有一段纜索安裝在保護管內，對檢測傳感器的可達性和檢測方法提出了難題。

圖2 纜索錨固區安裝結構示意圖

2 無損檢測方法

根據上述分析，從檢測工程應用的角度出發，可用于纜索金屬損傷的檢測方法有聲發射法、射線檢測法、磁性檢測法和導波法等。

2.1 聲發射檢測法

聲發射技術（Acoustic Emission，簡稱AE）利用材料在受力條件下產生缺陷時以彈性波形式釋放出應變能的現象實現構件缺陷檢測。在纜索上布置檢測傳感器，當纜索內部有應力腐蝕或疲勞裂紋產生時，以瞬時彈性波的方式向外釋放能量，聲發射波沿固體介質傳播，在介質表面處產生機械振動；傳感器將機械振動轉化為電信號，經放大器放大、濾波后，由信號處理器分析，在顯示記錄裝置上顯示測量結果。1971年，Pollock和Smith［6］教授利用聲發射技術對一座橋梁進行了測試，并確定了缺陷的具體位置。1996年，Mohammad R［7］在實驗室通過模擬實際工況，進行吊桿和纜索的鋼絲斷裂試驗，有效地捕捉到了索中鋼絲斷裂，同時可以動態監測鋼絲的變化。丁幼亮［8］等利用聲發射儀器對四川峨邊大渡河拱橋的吊桿進行了全面的在線監測，并通過聲發射參數分析方法比較了吊桿的損傷程度，獲得了良好的檢測效果。

與其他損傷檢測和監測技術相比，AE技術可以實現動態實時檢測，并且可以對損傷發生發展過程動態監測。應用到纜索檢測，需要研究傳感器的固定安裝、纜索鋼絲之間的摩擦引起的聲信號造成的信號信噪比低、長期監測過程中的能源供給、僅能給出相對檢測結果等難題。

2.2 射線檢測法

射線檢測法利用X、γ等射線在穿透物體過程中，因材質不同而衰減不同的現象檢測構件內部缺陷。當待檢物內部存在缺陷時，該局部區域的透過射線強度就會與周圍有所差異，把膠片或其它成像器件放在適當位置使其在透過射線的作用下成像，成像器件上相應部位就會出現對比度不同的影像，即可以檢測出缺陷。1988年，射線檢測即被應用于纜索的錨固區檢測，但由于存在檢測時間長、耗費高的問題而未被廣泛采用［9］。2004年，Telang等［10］采用低能量的X射線法對實驗室纜索進行了檢測，能檢測纜索中所有的缺陷，但是由于纜索內部材質復雜，圖像的解釋困難。

射線檢測法應用于纜索檢測時，能夠檢測纜索索體和錨固區的內部缺陷，但一方面由于檢測效率低、圖像解釋困難、造價高、尤其是存在輻射污染的問題；另一方面，需要輔助移動裝置將檢測設備帶到檢測部位。因此，大規模應用于現代橋梁纜索檢測存在一定困難。

2.3 磁性檢測法

磁性檢測法主要包括漏磁檢測法和磁通量檢測法等，檢測原理如圖3所示。銜鐵、永磁體、空氣隙、被測纜索構成磁化回路，銜鐵和永磁體構成的磁化器將纜索磁化到飽和狀態，并相對于纜索軸向掃查。當纜索存在斷絲、腐蝕等局部缺陷時，會引起纜索內部磁場變化，部分磁場“泄露”到空氣中，兩磁極之間的檢測元件即可檢測到相應的漏磁信號；當纜索存在大面積腐蝕時，磁路的磁通量發生變化，兩磁極下方的檢測元件即可得到相應的磁通量信號。

圖3 磁性檢測原理示意圖

Christen和 Andrea Bergamini等［11－12］研究的檢測裝置采用線圈磁化纜索，檢測纜索內部缺陷。整個裝置由絞盤拖動沿纜索上下運動，具有檢測靈敏度高、定位準確等優點。但由于沒有相應爬升裝置，檢測時需檢測人員在橋梁塔頂安裝滑輪，增加了檢測人員的危險性，降低了檢測效率。因此，有必要研究一種能夠沿纜索自主爬升并檢測纜索內部缺陷的磁性檢測裝置。

華中科技大學［13－14］的研究人員基于磁性檢測原理，設計了一種在役纜索內部缺陷檢測裝置，如圖4所示。檢測裝置包含沿纜索對稱分布的三個檢測模塊和分別位于檢測模塊上下兩端的外部框架。檢測模塊分別安裝在外部框架的卡槽內，以保證三個檢測模塊同步地沿纜索爬升。檢測模塊為模塊化設計，由主動單元、檢測探頭、磁化單元和從動單元組成。磁化單元為檢測模塊的主體部分，用于磁化纜索，同時保證檢測模塊吸附于纜索表面；主動單元和從動單元分別安裝于磁化單元兩端，用來驅動檢測模塊沿纜索上下運動；檢測探頭安裝于磁化吸附單元中間位置，用于檢測缺陷產生的信號。當被檢纜索直徑較大時，可通過在檢測模塊之間安裝輔助檢測探頭的方法防止漏檢；輔助檢測探頭可快速安裝拆卸，增加了檢測裝置的靈活性。

圖4 纜索漏磁檢測裝置

檢測裝置利用磁化纜索的磁化力作為爬升運動的壓緊力，同時只有三個檢測模塊，使整個裝置結構緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，且對纜索表面護套無損傷。同時，檢測裝置為模塊化設計，易于拼裝重組，安裝方便；磁化吸附單元可根據纜索直徑不同相應替換，適用于不同直徑的纜索檢測。

圖5為檢測裝置在已制作內部斷絲缺陷的纜索上進行檢測得到的信號。位于通道1所對應探頭的正下方，當檢測探頭掃描經過斷絲位置時能夠獲得明顯的漏磁信號。

圖5 纜索缺陷漏磁檢測信號

2.4 磁致伸縮導波檢測法

磁致伸縮導波方法檢測纜索的原理如圖6所示。信號發生器產生的脈沖信號經放大器放大后，驅動激勵線圈在纜索中產生瞬態磁場。根據磁致伸縮效應，該瞬態磁場在線圈包圍的纜索中產生彈性形變，成為超聲波的振源，在構件中產生彈性波。當遇到缺陷時，會產生反射回波。反射回波通過檢測線圈時，受逆磁致伸縮效應的影響，在檢測線圈中會感應到應變引起的電信號。該信號經預處理、A／D轉換后進入計算機，通過對該信號進行分析，即可獲取缺陷信息。另外，為提高磁致伸縮的能量轉換效率，須在磁致伸縮效應產生區域通過磁化器施加偏置磁場。

圖6 磁致伸縮導波檢測原理示意圖

1990年，美國西南研究院無損評估組Kwun［15－16］等首次利用磁致伸縮效應成功激勵出了導波，用于斜拉橋纜索的缺陷檢測，并開發出了相應的導波檢測儀。Rizzo等［17］與美國聯邦公路管理局無損檢測驗證中心合作開發了磁致伸縮導波傳感器，并較為細致地研究了纜索中的應力測量、缺陷檢測及導波的傳播特性。華中科技大學［18－19］的研究人員利用自主研制的磁致伸縮導波檢測系統在試驗室對纜索進行了大量的試驗。圖7為該系統在檢測具有內部斷絲缺陷的纜索時獲得的缺陷信號。

圖7 纜索斷絲導波檢測信號

圖8為該系統在江蘇省潤揚長江大橋的吊桿檢測照片及現場檢測信號波形，能夠準確獲得兩吊桿之間用于固定的卡箍的回波信號。

圖8 磁致伸縮導波纜索檢測系統現場照片

3 結語

綜上所述，聲發射技術已成功應用于在役纜索損傷監測，但長期在線監測耗費昂貴，并不適合大部分橋梁；射線檢測對環境污染，檢測時有可能需要對橋梁封閉，影響正常交通，并不適合于橋梁纜索檢測的大規?，F場應用。從檢測原理上講，磁性檢測法和磁致伸縮導波檢測方法是纜索損傷檢測比較有前途的方法，特別是將兩種方法結合起來，一方面利用磁致伸縮低頻導波對索體進行快速掃查，發現可疑部位后，再用磁性法進行精細掃查，可提高纜索檢測效率；另一方面，也可直接用磁致伸縮高頻導波對纜索錨固區檢測，實現纜索的無盲區檢測。該研究將促進橋梁纜索無損檢測技術的深入發展。

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