拉索斷絲磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性實(shí)驗(yàn)研究

鄒易清 武新軍 蔣立軍 龍躍 黃永玖 植磊

摘 要：在鋼絲缺陷檢測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)拉索斷絲磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)平行鋼絲拉索制作斷絲缺陷，詳細(xì)分析研究不同斷絲數(shù)量下導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)的特性，得到缺陷回波反射系數(shù)與拉索缺陷截面損失率（即斷絲根數(shù)）的關(guān)系，即斷絲根數(shù)越多缺陷回波信號(hào)幅值越大，可對(duì)拉索金屬承載面積進(jìn)行檢測(cè)，避免出現(xiàn)重大損失，為鋼絲拉索的損傷磁致伸縮導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)的工程實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：信號(hào)特性；拉索斷絲；磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)；纜索體系；有效金屬承載面積

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

纜索體系廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，包括懸索橋主纜、吊索，斜拉橋拉索，拱橋吊桿和系桿，大型場(chǎng)館、展廳懸索及拉索等[1]；其失效的最主要原因是鋼絲的銹蝕、疲勞及其耦合效應(yīng)在外部風(fēng)雨激振等產(chǎn)生的振動(dòng)影響下引起的纜索內(nèi)鋼絲的斷裂[2-4]；其有效金屬承載面積直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命，一旦出現(xiàn)有效金屬承載面積損失，將會(huì)嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，并且可能造成橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性的突發(fā)破壞事故，如2011年新疆庫(kù)爾勒孔雀河大橋垮塌、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，造成極大的社會(huì)影響[5].因此對(duì)纜索體系的金屬承載面積進(jìn)行有效性檢測(cè)非常必要.

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)方法是利用鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)實(shí)施檢測(cè)的一種方法.近年來(lái)，磁致伸縮導(dǎo)波由于具有單點(diǎn)激勵(lì)即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛而深入的研究，其在纜索損傷檢測(cè)方面，具有檢測(cè)效率高、非接觸式、可以檢測(cè)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以到達(dá)的區(qū)域、安裝方便等優(yōu)勢(shì)[6]，逐漸成為應(yīng)用廣泛的纜索新型無(wú)損檢測(cè)方法.

本文在鋼絲缺陷檢測(cè)研究的基礎(chǔ)上[6]對(duì)拉索斷絲磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性進(jìn)行研究.通過(guò)對(duì)由鋼絲緊密排布成束、外層包裹HDPE層的型號(hào)為PES7-61鋼絲拉索制作人工斷絲缺陷，利用磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀器采集1根～24根不同斷絲根數(shù)的導(dǎo)波信號(hào)，并詳細(xì)分析其特性，研究缺陷回波反射系數(shù)與拉索缺陷截面損失率（即斷絲根數(shù)）的關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)拉索金屬承載面積損失進(jìn)行檢測(cè)的目的，避免出現(xiàn)由于拉索斷裂引發(fā)的重大損失，為鋼絲拉索的損傷磁致伸縮導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)的工程實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

1 拉索斷絲磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

纜索體系主要包括主纜、拉索、斜拉索、吊桿、系桿等種類(lèi)，鋼絲作為基本構(gòu)件在國(guó)內(nèi)各種類(lèi)纜索都得到普遍使用；本研究為了使實(shí)驗(yàn)樣本可涵蓋更多種類(lèi)纜索并具普遍性，以及能在鋼絲缺陷磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開(kāi)研究，選擇了PES7-61平行鋼絲拉索作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和試樣

拉索斷絲試樣、實(shí)驗(yàn)裝置及安裝示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置是磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀器，其工作原理是計(jì)算機(jī)控制磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀器使激勵(lì)線圈產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng)，根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，在線圈包圍的拉索中產(chǎn)生雙向彈性波；當(dāng)遇到缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射回波，反射回波通過(guò)接受線圈時(shí)，基于逆磁致伸縮效應(yīng)，在接受線圈中會(huì)感應(yīng)到應(yīng)變引起的電信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)磁致伸縮導(dǎo)波儀器處理在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，即可得到拉索狀態(tài)信息；磁化器是為提高磁致伸縮換能效率[7].

實(shí)驗(yàn)試樣為61絲平行鋼絲拉索，其總長(zhǎng)度為4 950 mm，兩個(gè)線圈之間距離為1 000 mm，激勵(lì)線圈距離拉索右端2 500 mm，缺陷距離激勵(lì)線圈1 000 mm.利用切割機(jī)制作了環(huán)形表層鋼絲，1根～24根不同數(shù)量的斷絲缺陷如圖2所示.所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均在此布置條件下采集.

2 磁致伸縮導(dǎo)波拉索斷絲檢測(cè)信號(hào)分析

2.1 拉索斷絲磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)圖（激勵(lì)頻率：50 kHz）

當(dāng)拉索斷絲7根，每根占61絲鋼絲拉索截面積的1/61，換算橫截面面積損失率AL=11.48%時(shí)，拉索斷絲缺陷的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)信號(hào)如圖3～圖4所示.可見(jiàn)磁致伸縮導(dǎo)波儀器能夠?qū)嘟z缺陷進(jìn)行很好地反饋和展示，對(duì)信號(hào)濾波處理后可以進(jìn)一步消除噪聲的干擾.

2.2 斷絲缺陷回波反射系數(shù)和缺陷橫截面面積損失率的關(guān)系

使用如下方法計(jì)算導(dǎo)波反射系數(shù)R[1]：

R=■ （1）

其中Vf為缺陷回波波包的峰峰值，Vp為通過(guò)信號(hào)波包的峰峰值.通過(guò)反射系數(shù)來(lái)研究缺陷面積對(duì)導(dǎo)波反射規(guī)律的影響.激勵(lì)頻率 30 kHz，40 kHz 和 50 kHz 濾波后反射系數(shù)與拉索斷絲缺陷橫截面面積損失率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5～圖6所示.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)面積損失率為6.56%（即斷絲根數(shù)為4根）時(shí)，信號(hào)對(duì)缺陷已經(jīng)有明顯反饋；當(dāng)面積損失率為11.48%（即斷絲根數(shù)為7根）時(shí)，缺陷回波信號(hào)幅值較大；隨著面積損失率的增加，即斷絲根數(shù)的增加，缺陷回波反射系數(shù)隨之增加，這為工程中對(duì)纜索斷絲根數(shù)的檢測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).不同激勵(lì)頻率下的缺陷回波反射系數(shù)與缺陷面積損失率存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：不同激勵(lì)頻率下，完好拉索（無(wú)斷絲）本底噪聲信號(hào)不同，從而反射系數(shù)起始值不同；激勵(lì)頻率越大，反射系數(shù)增速越快.

3 結(jié)論

纜索體系作為主要承載部件被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代土木建設(shè)，其在役使用狀態(tài)定期檢測(cè)、維護(hù)及更換能十分有效地防止整體結(jié)構(gòu)的破壞和使用壽命的縮短.本文在鋼絲缺陷檢測(cè)研究的基礎(chǔ)上對(duì)拉索斷絲磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)由鋼絲緊密排布成束、外層包裹HDPE層的鋼絲拉索制作斷絲缺陷，詳細(xì)分析研究不同數(shù)量斷絲下導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)的特性，得到缺陷回波反射系數(shù)與拉索缺陷截面面積損失率（即斷絲根數(shù)）的關(guān)系，即斷絲根數(shù)越多缺陷回波信號(hào)幅值越大，達(dá)到了對(duì)拉索金屬承載面積損失檢測(cè)的目的，避免出現(xiàn)由于拉索斷裂引發(fā)的重大損失.

參考文獻(xiàn)

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Abstract：An experimental study of magnetostrictive guided wave detection signal characteristics based on cable broken wires is conducted. Through making the broken wire indication at parallel wires cable， we analyze the guided wave testing signal characteristics under different number of broken wires to get the relationship between the defect echo reflection coefficient and the loss rate of the sectional area （the number of broken wires）. The more the number of broken wires， the larger the defect echo signal amplitude is. The method can be used to test the metal loaded area and provides data basis for engineering application of the steel wires cable damage based on magnetostrictive guided wave nondestructive testing.

Key words： signal characteristics； cable broken wires； magnetostrictive guided wave detection； cable system； effective bearing area of the metal

（學(xué)科編輯：黎 婭）