橋梁纜索金屬損傷無(wú)損檢測(cè)方法

武新軍，賁安然，徐 江

（華中科技大學(xué) 制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程研究中心，武漢 430074）

近年來(lái)，纜索在斜拉橋、懸索橋和拱形橋等大跨度橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。作為上述結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承力部分，其有效金屬承載面積直接關(guān)系到橋梁的安全和使用壽命。如最近新疆庫(kù)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(fā)的，造成了極大的社會(huì)影響。目前對(duì)橋梁纜索的常規(guī)檢測(cè)方法主要有視覺(jué)檢測(cè)、索力測(cè)量和模態(tài)法等。視覺(jué)檢測(cè)是通過(guò)人工視覺(jué)觀察纜索護(hù)套情況進(jìn)而判斷其內(nèi)部損傷狀況，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、人為因素影響大等問(wèn)題［1］；索力測(cè)量法［2－3］（包括液壓表讀數(shù)法、壓力傳感器法、頻率振動(dòng)法、磁通量法等）主要是測(cè)量各索受力情況，從整體上判斷橋梁應(yīng)力分布，保持各索受力平均，防止因受力不均而引發(fā)纜索逐根斷裂，但上述諸方法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)在役纜索的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；模態(tài)法［4］采用系統(tǒng)響應(yīng)的方式，通過(guò)在橋梁上布置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，獲取檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)分析獲取橋梁的模態(tài)參數(shù)，如剛度、阻尼、振型、模態(tài)等，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)橋梁的目的，但該方法主要是從整體結(jié)構(gòu)上對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)橋梁?jiǎn)卧考缋|索的損傷檢測(cè)，同時(shí)存在易受環(huán)境影響等問(wèn)題［3］。綜上所述，對(duì)于橋梁纜索金屬損傷，目前仍缺乏合適的檢測(cè)方法。因此，有必要開(kāi)展針對(duì)橋梁纜索金屬損傷的無(wú)損檢測(cè)方法研究。

1 纜索檢測(cè)難點(diǎn)分析

大跨度橋梁中，纜索直徑最大可達(dá)數(shù)百毫米，增加了檢測(cè)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(jié)構(gòu)型式［5］，鋼絲或鋼筋相互之間有較大空氣隙。同時(shí)，由于防腐的需要，早期采用在套管內(nèi)灌注水泥漿，或在索體外纏繞聚酯卷帶的方式，導(dǎo)致纜索內(nèi)部材料屬性差異大，電磁介質(zhì)復(fù)雜，缺陷分辨難度增大。近期的纜索外部均有聚乙烯橡膠護(hù)套（PE），護(hù)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(cè)靈敏度。因此，從纜索結(jié)構(gòu)方面講，直徑大、內(nèi)部介質(zhì)復(fù)雜以及PE護(hù)套等是纜索無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)。

圖1 橋梁纜索結(jié)構(gòu)型式

另一方面，在橋梁纜索使用過(guò)程中，作為連接部件，纜索是通過(guò)錨頭與橋面連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)力傳遞，如圖2所示，其中必然有一段纜索安裝在保護(hù)管內(nèi)，對(duì)檢測(cè)傳感器的可達(dá)性和檢測(cè)方法提出了難題。

圖2 纜索錨固區(qū)安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 無(wú)損檢測(cè)方法

根據(jù)上述分析，從檢測(cè)工程應(yīng)用的角度出發(fā)，可用于纜索金屬損傷的檢測(cè)方法有聲發(fā)射法、射線檢測(cè)法、磁性檢測(cè)法和導(dǎo)波法等。

2.1 聲發(fā)射檢測(cè)法

聲發(fā)射技術(shù)（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱(chēng)AE）利用材料在受力條件下產(chǎn)生缺陷時(shí)以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)構(gòu)件缺陷檢測(cè)。在纜索上布置檢測(cè)傳感器，當(dāng)纜索內(nèi)部有應(yīng)力腐蝕或疲勞裂紋產(chǎn)生時(shí)，以瞬時(shí)彈性波的方式向外釋放能量，聲發(fā)射波沿固體介質(zhì)傳播，在介質(zhì)表面處產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；傳感器將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大、濾波后，由信號(hào)處理器分析，在顯示記錄裝置上顯示測(cè)量結(jié)果。1971年，Pollock和Smith［6］教授利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)一座橋梁進(jìn)行了測(cè)試，并確定了缺陷的具體位置。1996年，Mohammad R［7］在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)模擬實(shí)際工況，進(jìn)行吊桿和纜索的鋼絲斷裂試驗(yàn)，有效地捕捉到了索中鋼絲斷裂，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鋼絲的變化。丁幼亮［8］等利用聲發(fā)射儀器對(duì)四川峨邊大渡河拱橋的吊桿進(jìn)行了全面的在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)聲發(fā)射參數(shù)分析方法比較了吊桿的損傷程度，獲得了良好的檢測(cè)效果。

與其他損傷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，AE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且可以對(duì)損傷發(fā)生發(fā)展過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用到纜索檢測(cè)，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(hào)造成的信號(hào)信噪比低、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中的能源供給、僅能給出相對(duì)檢測(cè)結(jié)果等難題。

2.2 射線檢測(cè)法

射線檢測(cè)法利用X、γ等射線在穿透物體過(guò)程中，因材質(zhì)不同而衰減不同的現(xiàn)象檢測(cè)構(gòu)件內(nèi)部缺陷。當(dāng)待檢物內(nèi)部存在缺陷時(shí)，該局部區(qū)域的透過(guò)射線強(qiáng)度就會(huì)與周?chē)兴町?，把膠片或其它成像器件放在適當(dāng)位置使其在透過(guò)射線的作用下成像，成像器件上相應(yīng)部位就會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度不同的影像，即可以檢測(cè)出缺陷。1988年，射線檢測(cè)即被應(yīng)用于纜索的錨固區(qū)檢測(cè)，但由于存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)高的問(wèn)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(duì)實(shí)驗(yàn)室纜索進(jìn)行了檢測(cè)，能檢測(cè)纜索中所有的缺陷，但是由于纜索內(nèi)部材質(zhì)復(fù)雜，圖像的解釋困難。

射線檢測(cè)法應(yīng)用于纜索檢測(cè)時(shí)，能夠檢測(cè)纜索索體和錨固區(qū)的內(nèi)部缺陷，但一方面由于檢測(cè)效率低、圖像解釋困難、造價(jià)高、尤其是存在輻射污染的問(wèn)題；另一方面，需要輔助移動(dòng)裝置將檢測(cè)設(shè)備帶到檢測(cè)部位。因此，大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁纜索檢測(cè)存在一定困難。

2.3 磁性檢測(cè)法

磁性檢測(cè)法主要包括漏磁檢測(cè)法和磁通量檢測(cè)法等，檢測(cè)原理如圖3所示。銜鐵、永磁體、空氣隙、被測(cè)纜索構(gòu)成磁化回路，銜鐵和永磁體構(gòu)成的磁化器將纜索磁化到飽和狀態(tài)，并相對(duì)于纜索軸向掃查。當(dāng)纜索存在斷絲、腐蝕等局部缺陷時(shí)，會(huì)引起纜索內(nèi)部磁場(chǎng)變化，部分磁場(chǎng)“泄露”到空氣中，兩磁極之間的檢測(cè)元件即可檢測(cè)到相應(yīng)的漏磁信號(hào)；當(dāng)纜索存在大面積腐蝕時(shí)，磁路的磁通量發(fā)生變化，兩磁極下方的檢測(cè)元件即可得到相應(yīng)的磁通量信號(hào)。

圖3 磁性檢測(cè)原理示意圖

Christen和 Andrea Bergamini等［11－12］研究的檢測(cè)裝置采用線圈磁化纜索，檢測(cè)纜索內(nèi)部缺陷。整個(gè)裝置由絞盤(pán)拖動(dòng)沿纜索上下運(yùn)動(dòng)，具有檢測(cè)靈敏度高、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。但由于沒(méi)有相應(yīng)爬升裝置，檢測(cè)時(shí)需檢測(cè)人員在橋梁塔頂安裝滑輪，增加了檢測(cè)人員的危險(xiǎn)性，降低了檢測(cè)效率。因此，有必要研究一種能夠沿纜索自主爬升并檢測(cè)纜索內(nèi)部缺陷的磁性檢測(cè)裝置。

華中科技大學(xué)［13－14］的研究人員基于磁性檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一種在役纜索內(nèi)部缺陷檢測(cè)裝置，如圖4所示。檢測(cè)裝置包含沿纜索對(duì)稱(chēng)分布的三個(gè)檢測(cè)模塊和分別位于檢測(cè)模塊上下兩端的外部框架。檢測(cè)模塊分別安裝在外部框架的卡槽內(nèi)，以保證三個(gè)檢測(cè)模塊同步地沿纜索爬升。檢測(cè)模塊為模塊化設(shè)計(jì)，由主動(dòng)單元、檢測(cè)探頭、磁化單元和從動(dòng)單元組成。磁化單元為檢測(cè)模塊的主體部分，用于磁化纜索，同時(shí)保證檢測(cè)模塊吸附于纜索表面；主動(dòng)單元和從動(dòng)單元分別安裝于磁化單元兩端，用來(lái)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊沿纜索上下運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)探頭安裝于磁化吸附單元中間位置，用于檢測(cè)缺陷產(chǎn)生的信號(hào)。當(dāng)被檢纜索直徑較大時(shí)，可通過(guò)在檢測(cè)模塊之間安裝輔助檢測(cè)探頭的方法防止漏檢；輔助檢測(cè)探頭可快速安裝拆卸，增加了檢測(cè)裝置的靈活性。

圖4 纜索漏磁檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置利用磁化纜索的磁化力作為爬升運(yùn)動(dòng)的壓緊力，同時(shí)只有三個(gè)檢測(cè)模塊，使整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，且對(duì)纜索表面護(hù)套無(wú)損傷。同時(shí)，檢測(cè)裝置為模塊化設(shè)計(jì)，易于拼裝重組，安裝方便；磁化吸附單元可根據(jù)纜索直徑不同相應(yīng)替換，適用于不同直徑的纜索檢測(cè)。

圖5為檢測(cè)裝置在已制作內(nèi)部斷絲缺陷的纜索上進(jìn)行檢測(cè)得到的信號(hào)。位于通道1所對(duì)應(yīng)探頭的正下方，當(dāng)檢測(cè)探頭掃描經(jīng)過(guò)斷絲位置時(shí)能夠獲得明顯的漏磁信號(hào)。

圖5 纜索缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)

2.4 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)法

磁致伸縮導(dǎo)波方法檢測(cè)纜索的原理如圖6所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈在纜索中產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng)。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，該瞬態(tài)磁場(chǎng)在線圈包圍的纜索中產(chǎn)生彈性形變，成為超聲波的振源，在構(gòu)件中產(chǎn)生彈性波。當(dāng)遇到缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射回波。反射回波通過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)，受逆磁致伸縮效應(yīng)的影響，在檢測(cè)線圈中會(huì)感應(yīng)到應(yīng)變引起的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)預(yù)處理、A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，即可獲取缺陷信息。另外，為提高磁致伸縮的能量轉(zhuǎn)換效率，須在磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生區(qū)域通過(guò)磁化器施加偏置磁場(chǎng)。

圖6 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)原理示意圖

1990年，美國(guó)西南研究院無(wú)損評(píng)估組Kwun［15－16］等首次利用磁致伸縮效應(yīng)成功激勵(lì)出了導(dǎo)波，用于斜拉橋纜索的缺陷檢測(cè)，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的導(dǎo)波檢測(cè)儀。Rizzo等［17］與美國(guó)聯(lián)邦公路管理局無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)證中心合作開(kāi)發(fā)了磁致伸縮導(dǎo)波傳感器，并較為細(xì)致地研究了纜索中的應(yīng)力測(cè)量、缺陷檢測(cè)及導(dǎo)波的傳播特性。華中科技大學(xué)［18－19］的研究人員利用自主研制的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)室對(duì)纜索進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。圖7為該系統(tǒng)在檢測(cè)具有內(nèi)部斷絲缺陷的纜索時(shí)獲得的缺陷信號(hào)。

圖7 纜索斷絲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)

圖8為該系統(tǒng)在江蘇省潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋的吊桿檢測(cè)照片及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)波形，能夠準(zhǔn)確獲得兩吊桿之間用于固定的卡箍的回波信號(hào)。

圖8 磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，聲發(fā)射技術(shù)已成功應(yīng)用于在役纜索損傷監(jiān)測(cè)，但長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)耗費(fèi)昂貴，并不適合大部分橋梁；射線檢測(cè)對(duì)環(huán)境污染，檢測(cè)時(shí)有可能需要對(duì)橋梁封閉，影響正常交通，并不適合于橋梁纜索檢測(cè)的大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。從檢測(cè)原理上講，磁性檢測(cè)法和磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)方法是纜索損傷檢測(cè)比較有前途的方法，特別是將兩種方法結(jié)合起來(lái)，一方面利用磁致伸縮低頻導(dǎo)波對(duì)索體進(jìn)行快速掃查，發(fā)現(xiàn)可疑部位后，再用磁性法進(jìn)行精細(xì)掃查，可提高纜索檢測(cè)效率；另一方面，也可直接用磁致伸縮高頻導(dǎo)波對(duì)纜索錨固區(qū)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)纜索的無(wú)盲區(qū)檢測(cè)。該研究將促進(jìn)橋梁纜索無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的深入發(fā)展。

［1］Henriksen C F，Knudsen A，Braestrup M W.Cable corrosion：undetected［J］.Concrete International，1998，20（10）：69－72.

［2］郝超，裴岷山，強(qiáng)士中.斜拉橋索力測(cè)試新方法——磁通量法［J］.公路，2000（11）：30－31.

［3］吳海軍，陳思甜，龔尚龍，等.斜拉橋索力測(cè)試方法研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20（4）：19－25.

［4］施洲，蒲黔輝，佘川.鋼管混凝土拱橋自振特性分析及其檢測(cè)應(yīng)用［J］.公路交通科技，2005（1）：62－65.

［5］嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.

［6］Pollock A A，Smith B.Stress－wave emission monitoring of a military bridge［J］.Non－Destructive Testing，1972，5（6）：348－353.

［7］Mo hammed R.An insight into the NDT of steel cables by acoustic emission［C］.Proceedings of the 14th World Conference on Non－Destructive Testing，New Delhi，1996：201－210.

［8］李冬生，歐進(jìn)萍.聲發(fā)射技術(shù)在拱橋吊桿損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，23（1）：6－10.

［9］Suzuki N，Takamatsu H，Kawashima S，et al.Ultrasonic detection method for wire breakage［J］.Kobelco Technology Review，1988（4）：23－26.

［10］Tabatabai H.Inspection and maintenance of bridge stay cable systems［R］.NCHRP Synthesis 353，Transportation Research Bord， Washington DC：2005.

［11］Christen R，Bergamini A，Motavalli M.Three－dimensional localization of defects in stay cables using magnetic flux leakage methods［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2003，22（3）：93－101.

［12］Rocio Maldonado－Lopez，Rouven Christen.Positioncontrolled data acquisition embedded system for magnetic NDE of bridge stay cables［J］.Sensors，2011（11）：162－179.

［13］武新軍，康宜華，楊叔子.斜拉橋纜索缺陷檢測(cè)機(jī)器人的研制［J］.機(jī)械與電子，2001（1）：47－48。

［14］袁建明，武新軍，康宜華，等.可重構(gòu)斜纜索磁性無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（3）：442－445.

［15］Kwun H，Teller C M.Detection of fractured wires in steel cables using magnetostrictive sensors［J］.Materials Evaluation，1994（52）：503－507.

［16］Elliott J，Kwun H，Sluszka P.Recent developments in inspection and monitoring of cable－supported bridges［C］.Conference on Operation，Maintenance and Rehabilitation of Large Infrastructure Projects，Bridges and Tunnels，Copenhagen，Denmark，Zurich，Switzerland：ETH Honggerberg，2006.

［17］Rizzo P，Lanza di Scalea.Load measurement and health monitoring in cable stays via guided wave magnetostrictive ultrasonics［J］.Materials Evaluation，2004，62（10）：1057－1065.

［18］徐江，湯歡，武新軍.橋梁纜索斷絲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研制［J］.無(wú)損探傷，2010，34（3）：19－21.

［19］林陽(yáng)子，武新軍，張宇峰，等.基于磁致伸縮技術(shù)的橋梁纜索損傷定位研究［J］.公路交通科技，2011，28（6）：109－112.