高強鋼絲斷裂聲發射試驗研究

錢 驥， 孫利民， 蔣 永

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

拉索是索承結構體系橋梁最重要的受力構件之一，在受外界復雜環境條件及橋梁自身的動力荷載作用下，索體的安全性和耐久性越來越受到重視。由于實橋索體受PE層保護，很難直接觀測到鋼絲的破壞狀態，而采用聲發射等間接手段進行索體健康監測是一種有效的方法。聲發射作為一種實時動態的被動無損監測方法，其所監測的信號直接來自于損傷源，通過對傳感器實測信號的數據分析，可以實時判斷結構損傷源的類別和嚴重程度[1]。

目前，聲發射技術已經廣泛應用于航空航天、機械制造、化工和土木工程等諸多領域。在橋梁工程中，主要用于混凝土裂紋[2]、預應力鋼筋缺陷[3]及拉索狀態的監測[4]。早期對聲發射的研究主要采用參數分析，是在全波形中提取部分特征信息，其對于連續的損傷發生過程做趨勢性分析比較適用，但對于一些突發性損傷的識別不夠精確。Casey等[5-6]曾詳細討論了鋼索構造、尺寸及斷絲數量等對聲發射監測結果的影響。Drummond等[7]采用聲發射監測拉索的疲勞過程，建立了特征參數分布與疲勞過程的關系。Nair等[8]采用聲發射進行損傷預警時，也是基于聲發射參數的統計分析結果。李冬生等[9-10]在進行橋梁吊桿鋼絞線的損傷研究時，運用聲發射特征參數相關圖，識別斷絲與非斷絲信號，將聲發射特征參數的分形維數變化作為鋼絞線的失效判別依據，并建立了基于聲發射累積能量的拉索疲勞損傷演化規律。聲發射分析的另一張方法是基于全波形采集，根據聲發射過程中采集到的全波形數據進行損傷識別，其不同于參數分析的特點是信息完整，能給出更為精確的損傷特征，但是數據分析量大，過程復雜。Jin等[11-12]對拉索中鋼絲的破壞做過一些試驗，并用有限元模擬了鋼絲中彈性波的傳播過程，結果與理論時頻分布有諸多相似性。 Rizzo等[13-14]等采用波形的時頻特性分析了7根鋼絲中縱波和彎曲波傳播時的幅值衰減和頻散效應，提出了鋼絲束中易于進行遠距離損傷識別的波形模式。

索內鋼絲的破壞，基本都是有損傷條件下的單根鋼絲失效，對單根鋼絲斷裂過程及在索內傳播后的波形特征分析，是拉索斷絲損傷源識別的基礎。該文通過高強鋼絲及拉索的拉伸破壞試驗，獲得鋼絲裂紋擴展及斷裂瞬間的聲發射波形，以及聲源波在索中傳播一段距離后的波形特征。

1 試驗方法

試驗分兩部分進行，第一部分為單根鋼絲張拉試驗，第二部分為拉索張拉試驗。AE采集設備為美國PAC生產的PCI-2聲發射采集系統，信號采樣率均為1MHz，傳感器采用R15，門檻值為60dB，前置增益20dB，傳感器直接黏貼于鋼絲及拉索表面，采用專用耦合劑耦合。

單根鋼絲張拉試驗設備如圖1所示。試驗鋼絲為橋梁索中常用的直徑5 mm鍍鋅高強鋼絲，強度為1 860 MPa，鋼絲長度50 cm，中間位置預制環向0.6 mm深刻痕，兩傳感器對稱布置在離中間刻痕點10 cm位置處采集AE信號。

拉索張拉設備如圖2所示。拉索采用工廠定制，總長度為14 m，截面包含91根5 mm直徑平行鋼絲(圖3)，PE層為工程常用厚度，索內有5根鋼絲預制刻痕，刻痕位置如圖4所示，刻痕深度為環向0.6 mm。鋼絲與拉索的張拉設備均采用液壓千斤頂，逐級張拉，直至刻痕鋼絲破壞。

2 試驗結果分析

圖3 索截面圖

圖4 刻痕點布置圖 (單位：cm)

鋼絲在張拉起始階段，裂紋處于萌生狀態，位錯塞積所產生的AE能量很小，其信號通常泯沒于環境噪音之中，難于被接受到，隨著張力的增大，微裂紋緩慢擴展，能被系統識別到的AE信號也增多，當更多的裂紋產生并相互貫通之后，裂紋處于失穩擴展狀態，大量高能量的AE信號被采集，由于裂紋貫通造成有效截面減小，最終鋼絲會出現半脆性斷裂。破斷所產生的AE信號明顯有別于前期的裂紋擴展信號，提取鋼絲破斷前的一段AE波形如圖5所示。

圖5 斷絲信號全波形圖

2.1 單根鋼絲裂紋擴展信號

單根鋼絲張拉試驗，信號來自于離刻痕點等距離的兩個傳感器，從兩個傳感器接受到信號的時間來看，小波包到達傳感器的時間完全相同，可以認定這些應力波均來自于中間刻痕點，屬于裂紋擴展及斷絲信號，而不是兩端錨具的滑移及其它噪音。從圖5中可以看到，在一個非常短的時間內，斷絲前沿就出現了多個裂紋擴展所釋放的波包，隨機選取其中能量相差較大的兩個波包分析比較，高能量波包波形、頻譜及時頻圖如圖6～8圖所示，低能量波包波形、頻譜及時頻圖如圖9～圖11所示。

圖6 高能量裂紋擴展波形

圖9 低能量裂紋擴展波形

從波形圖6及圖9中可以看到，裂紋擴展所產生的AE信號，其幅值衰減較快，不同裂紋所釋放的應力波幅值和能量相差非常大。

裂紋擴展頻率分布在四個頻帶內(圖7,圖10)，主頻帶在50-60 kHz，包含了絕大部分的能量，次頻帶在80 kHz左右，160 kHz和25 kHz左右也包含少部分能量，沒有出現200 kHz以上的頻率成分，總的來說，裂紋擴展信號所包含的頻率成分非常豐富。

從時頻圖(圖8,圖11)中可以看到明顯的時域周期性，第二條能量帶應該是第一條能量帶的端部反射波，兩條能量帶在高頻位置時間間距短，低頻位置時間間距長，表現出明顯的頻散特性。該波在200 kHz的頻率范圍內，隨頻率增高，波速會增大，結合圓桿的頻率方程，認為第一條能量帶中包含的主要能量為一階彎曲波。經過多次反射，高頻部分能量會逐漸耗散，頻率越高，耗散越快，最后只余下50 kHz左右的主頻部分。從時頻圖中可以看到，這兩個能量相差較大的裂紋擴展信號，具有相似的頻帶分布及時頻特征。

總共進行了15根鋼絲的拉伸破壞試驗，每次試驗取8個幅值不同的裂紋擴展波包進行分析，綜合各次試驗結果中兩個傳感器接受到的不同裂紋擴展信號，結果發現，不同次試驗的信號特征非常相似，試驗具有可重復性；不同幅值的裂紋擴展信號之間能量可能相差有30倍以上，但是其頻帶分布和時頻圖的主要特征卻相似，說明裂紋擴展信號的時頻特征受其裂紋位置，開裂時間及裂紋大小等因素的影響較小。

2.2 單根鋼絲斷絲信號特征

大量裂紋相互貫通之后，鋼絲發生破斷，鋼絲破斷時產生的AE波形，其能量比裂紋擴展波形高許多，圖5斷絲部分包含有一系列高幅值的波包，文中只分析第一個和第二個波包，后續波包均是夾持端的反射波，不予分析。

圖12 波包1全波形

圖15 波包2全波形

比較圖14與圖8，可以看到二者具有一定的相似性，頻域均包含4頻帶，位置相同，時域內的周期性也很明顯，而比較圖14與圖17，二者則具有明顯的差異，考慮波包1為斷絲之前的一次裂紋失穩擴展波形，是鋼絲發生破斷的前兆，其幅值接近斷絲波形，而能量則遠小于斷絲信號。

波包2為斷絲波形，從圖15～圖17中可以看到，斷絲信號波形具有高幅值，高能量，長持續時間，等幅值延續等特征，其頻譜能量比較集中，峰值頻率非常突出，主峰值出現在43 kHz左右。整個持續時間范圍內，能量基本都分布在43 kHz的水平線上，其它頻帶所包含的能量非常小，在波形的起始階段，包含有少量的高頻成分。

15根鋼絲張拉破斷試驗結果表明，時頻圖呈水平線分布這一規律具有一致性，而其它頻帶的小能量頻率分布，不同試驗有一些差異。

2.3 索中斷絲信號特征

拉索張拉試驗在上海浦江纜索廠液壓千斤頂試驗臺座上進行(圖2)，逐級加載持續張拉過程中，索內帶有刻痕的鋼絲會提前破斷，斷絲信號經相鄰鋼絲傳到PE上，再被PE外側的傳感器接受，整個傳播路徑非常復雜，理論上很難建立應力波在這一傳播過程中的物理模型，通過試驗的方法獲得離聲源不同距離處的波形特征。

離斷絲點較近的傳感器接受到的波形，類似于單根鋼絲張拉破斷波形，離斷絲點較遠的傳感器上，波形發生了變化。圖18～圖20為離斷絲點1 m距離處傳感器接受信號，圖21～圖23是離斷絲點7 m距離處傳感器接受信號。

從圖18～圖23中可以看到，離聲源較近傳感器接受到的聲源波形，類似于單根鋼絲張拉破斷聲源，其頻譜峰值非常突出，主頻率在43 kHz，時頻圖的絕大部分能量分布在一條水平的等頻率能量帶內，與單根鋼絲破斷聲源的不同之處在于，其頻譜峰值更突出，其它頻段的頻率能量更少了，這應該是應力波穿過PE層時，一些小能量頻率成分因PE層的強塑性而被耗散。

斷絲應力波在索中經過一段距離的傳播，幅值出現衰減，所包含的能量也大幅減小，但其剩余部分的能量仍遠高于儀器所能識別的精度。聲源波在索內傳播14 m后，頻譜中主頻的位置沒有變，但是出現了22 kHz和9 kHz的頻率成分，并且9 kHz的低頻成分在高頻消失之后仍然持續了一段時間，說明斷絲聲源應力波隨傳播距離的增加，全波形中的低頻能量會相對增加。

圖18 距離斷絲點1 m處波形

圖21 距離斷絲點7 m處波形

2.4 不同聲源波形特征的異同點

通過試驗獲得了單根鋼絲裂紋擴展、斷絲及拉索斷絲信號，其AE波形分別具有不同的特征。

裂紋擴展波形相互之間幅值和能量相差較大，最大幅值接近斷絲信號，頻率成分豐富，包含有4個頻帶，主峰值出現在50-60 kHz，時頻圖呈現明顯的周期性，大部分能量包含在一階彎曲波內，不同的裂紋擴展波形具有相似的時頻特征，不受裂紋大小及位置影響。

斷絲波形具有高幅值、高能量、長持續時間等特征，頻譜中的能量分布非常集中，峰值頻率出現在43 kHz，時頻圖呈現一條等頻率的時間帶。

索內斷絲聲源傳播到PE外側時，離聲源較近的AE波形特征類似于單絲斷絲波形，遠距離處則出現明顯的幅值衰減，低頻部分所包含的能量相對增加，高頻衰減較快。

3 結 論

通過對單根鋼絲和拉索的張拉破壞試驗，分別獲取了單根鋼絲中裂紋擴展、鋼絲破斷及索中斷絲點附近和遠距離處的AE全波形，比較不同聲源的波形、頻譜及時頻圖特征如下。

(1)斷絲波形具有高幅值，高能量，長持續時間，等幅值延續等特征；裂紋擴展波形能量較小，衰減迅速；索體斷絲點附近測得波形類似于單絲破斷，較遠處幅值和能量均出現大幅衰減。

(2)斷絲信號的頻譜能量分布比較單一，出現在43 kHz左右；裂紋的頻譜包含幾個頻帶，主峰值在50-60 kHz，并伴有160 kHz的高頻成分；索中斷絲點附近波形的頻譜峰值也非常單一，傳播一段距離之后，會分離成幾個頻帶，主峰值頻率不變。

(3)斷絲信號的時頻特征呈現為一條等頻率的水平帶，裂紋擴展的時頻分布中，高頻部分出現在波形的初至段，隨時間增長，高頻能量快速衰減，整體能量包含在一階彎曲波中，不同裂紋具有相近的時頻特征。

(4)斷絲聲源與裂紋擴展聲源在波形，頻譜及時頻分布上均有明顯的區別，采用反演聲源處的波形特征可以區分不同聲源類別。

致謝感謝土木工程防災國家重點實驗室對該研究項目的資助，同時也感謝上海浦江纜索廠在試驗過程中提供的幫助。

參 考 文 獻

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