基于磁致伸縮技術(shù)的吊桿檢測應(yīng)用研究

段鴻杰，林 鳴，李文波

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南長沙 410008)

0 前言

對于系桿拱橋而言，吊桿是橋梁上部結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，目前，對于系桿拱橋的吊桿檢測主要以人工目視檢查和索力檢測為主，目視檢查主要檢查吊桿表面PE護套是否存在破損和剝落，各緊固件是否松動;索力檢測則多采用振動法進行索力測試，了解吊桿的受力情況;而對于吊桿桿體本身是否存在斷絲以及吊桿上、下錨頭是否存在損傷，目前仍處于探索階段，國內(nèi)已進行相關(guān)研究，但尚無成熟有效的檢測方法。

本文以一吊桿被車輛撞擦的系桿拱橋為工程背景，通過采用人工目視檢查、索力檢測以及基于磁致伸縮技術(shù)的無損檢測方法相結(jié)合，綜合評定被撞吊桿的技術(shù)狀況，為橋梁后續(xù)安全運營決策提供依據(jù)。

1 工程概況

西湖大橋(圖1)處于邵陽市內(nèi)江北大道的南端，主橋為跨徑組成 (88m+88m+88m)的三跨連續(xù)鋼管混凝土系桿拱橋，拱矢度為1/4，單跨上、下游側(cè)各有16根吊桿，設(shè)計荷載為汽車－20級，掛－100，人群荷載4.0kN/m2。車道數(shù):機動車行車道設(shè)計為凈寬14.0m，按4車道布置，非機動車道寬度 7.0m。

2012年4月5日，該橋主橋北側(cè)邊跨西側(cè)由北向南第7根吊桿受到工程鏟車肇事撞擦，肇事過程中該鏟車車斗自下而上對吊桿進行撞擦，造成該吊桿PE護套約10cm寬，80cm高的嚴重破損區(qū)域，且PE內(nèi)的高強鋼絲存在較為明顯刮擦痕跡。

圖1 西湖大橋?qū)嵕罢掌?/p>

2 評估方法及結(jié)果

為準確評估車輛撞擦對橋梁吊桿的影響程度，本次檢測在常規(guī)外觀目視檢查和索力檢測的基礎(chǔ)上，補充采用了基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波檢測方法，通過該方法的采用檢測吊桿桿體斷絲和錨頭損傷情況，通過3種方法的檢測結(jié)果綜合評定吊桿的技術(shù)狀況。

2.1 外觀檢測結(jié)果

外觀檢查結(jié)果表明:

1)車輛撞擦導(dǎo)致吊桿護筒嚴重變形，吊桿PE護套存在約10cm寬，80cm高的破損區(qū)域，吊桿內(nèi)部高強鋼絲存在較為明顯的刮傷痕跡，見圖2。

2)被撞擦吊桿護筒與系梁結(jié)合處，系梁頂部混凝土存在破損，見圖3。

圖2 吊桿桿體PE破損，高強鋼絲刮擦

圖3 吊桿護筒與系梁結(jié)合處混凝土破損

2.2 索力測試結(jié)果

通過對被撞吊桿所在橋跨的上、下游側(cè)吊桿進行索力測試與分析得出，被撞的上游側(cè)7#吊桿索力相比橫橋向?qū)ΨQ的下游側(cè)7#吊桿以及順橋向?qū)ΨQ位置的10#吊桿，索力均存在10%以上明顯下降趨勢，表明車輛撞擦給吊桿帶來一定損傷(上、下游側(cè)索力的實測值對比如圖4所示)。

圖4 上下游測索力測試對比表

2.3 吊桿斷絲檢測

2.3.1 磁致伸縮檢測原理介紹［1－8］

基于磁致伸縮效應(yīng)的非接觸磁致伸縮導(dǎo)波檢測原理如圖5所示。偏置磁場將索體磁化到磁致伸縮效應(yīng)合適的工作點，將瞬態(tài)電流輸入到檢測線圈中，產(chǎn)生交變磁場，由于磁致伸縮效應(yīng)，索體中被磁化區(qū)域產(chǎn)生交變應(yīng)變，成為導(dǎo)波的震源，在索體中激勵出導(dǎo)波;當(dāng)索體中存在缺陷時，導(dǎo)波將在缺陷處被反射返回;當(dāng)反射回來的應(yīng)力波通過檢測線圈時，由于逆磁致伸縮效應(yīng)會引起通過檢測線圈的磁通量發(fā)生變化，檢測線圈將磁通量變化轉(zhuǎn)換為電信號;通過分析該信號波形，可以獲取吊桿缺陷信息。

圖5 非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波檢測原理圖

2.3.2 檢測設(shè)備及方法介紹

根據(jù)磁致伸縮導(dǎo)波檢測原理進行吊桿斷絲檢測的檢測系統(tǒng)由主機、激勵傳感器、接收傳感器和前置放大器組成，通過彈性波激勵和接收，實現(xiàn)構(gòu)件的檢測，系統(tǒng)樣機如圖6所示，利用系統(tǒng)實現(xiàn)檢測的過程是:首先將激勵傳感器和接收傳感器安裝在待測構(gòu)件上，待測構(gòu)件可有包覆層且表面無需處理，再利用便攜計算機控制信號發(fā)生單元產(chǎn)生特定頻率正弦波信號。正弦波信號輸入到門控電路，在計算機的控制下產(chǎn)生特定寬度和間隔的門控信號。正弦波信號在門控信號的控制下經(jīng)功率放大器放大后傳輸?shù)郊顐鞲衅?，通過磁致伸縮效應(yīng)在待測構(gòu)件中產(chǎn)生彈性波，接收傳感器利用逆磁致伸縮效應(yīng)將彈性波信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號經(jīng)前置放大器后進入放大濾波單元處理后通過信號采集端口進入數(shù)據(jù)采集單元，經(jīng)其中的A/D轉(zhuǎn)換器后進入計算機，經(jīng)計算機處理后得到構(gòu)件的檢測結(jié)果。

圖6 磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)樣機

2.3.3 檢測結(jié)果及分析

通過對全橋吊桿進行檢測并對檢測信號進行分析比對，檢測結(jié)果表明:①被撞的吊桿桿體未發(fā)現(xiàn)超過預(yù)設(shè)判廢紅線的斷絲異常信號，表明被撞吊桿的桿體并無斷絲或嚴重損傷現(xiàn)象;②從被撞吊桿的錨頭回波信號分析，其他吊桿上、下錨固端均存在前后兩個回波信號，被撞的7#吊桿下錨固端僅包含一個回波信號，且回波幅值較其他吊桿存在明顯偏大的異常現(xiàn)象(吊桿檢測信號波形如圖7至圖10所示)。檢測結(jié)果表明被撞吊桿下錨頭存在一定損傷。

圖7 被撞吊桿的信號波形

圖8 對稱下游側(cè)7#吊桿的信號波形

圖9 上游側(cè)10#吊桿的信號波形

圖10 下游側(cè)10#吊桿的信號波形

3 結(jié)語

本文以一座吊桿被車輛撞擦的系桿拱橋為工程背景，綜合常規(guī)檢測技術(shù)和基于磁致伸縮效應(yīng)的無損檢測技術(shù)對橋梁吊桿進行檢測，得出以下結(jié)論:

1)基于磁致伸縮效應(yīng)的無損檢測技術(shù)能較為快捷有效的檢測吊桿桿體和錨頭位置的損傷，在一定程度上彌補了常規(guī)檢測技術(shù)帶來的局限性，具有較大推廣應(yīng)用前景。

2)采用人工目視檢查、索力檢測和基于磁致伸縮效應(yīng)的非接觸檢測綜合評定吊桿的損傷情況，提高了評估的全面性和準確性，為以后類似項目提供了借鑒。

3)目前該方法對于吊桿錨頭的較大損傷能有效進行識別，但是對于錨頭鋼絞線的銹蝕仍不敏感，后續(xù)可在錨頭的銹蝕情況檢測上開展相關(guān)研究。

［1］徐 江，湯 歡，武新軍.橋梁纜索斷絲導(dǎo)波無損檢測系統(tǒng)研制［J］.無損探傷，2010(3).

［2］王良云.磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)實驗研究［M］.武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

［3］王悅民，謝俊麗，劉 東，等.基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波無損檢測技術(shù)研究進展［J］.無損檢測，2007(5).

［4］王悅民，康宜華，武新軍.磁致伸縮效應(yīng)在圓管中激勵縱向?qū)Рǖ睦碚摵驮囼炑芯浚跩］.機械工程學(xué)報，2005，41(10):174－179.

［5］林陽子，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(6).

［6］王悅民，康宜華，武新軍.磁致伸縮效應(yīng)及其在無損檢測中的應(yīng)用研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報，2005，33(1):75－ 77.

［7］ZHENG G，KO J M，NI Y Q． Multimode-based Evaluation of Cable Tension Force in Cable-supported Bridges［J］． Proceedings of SPIE， 2001， 4330: 511 － 522．

［8］王社良，王 威，蘇三慶，等.鐵磁材料相對磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力關(guān)系的磁力學(xué)模型［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2005，25(3):288－291.