多齡期橋梁斜拉索疲勞損傷演化聲發射監測技術研究

李冬生，胡 倩，李 惠，蘭成明

(1.大連理工大學 土木工程學院，大連 116024;2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150090)

目前，大部分橋梁斜拉索是采用高強平行鋼絲制作而成，它暴露在環境大氣中，遭受環境腐蝕和交變荷載作用，易發生累積疲勞損傷，嚴重威脅橋梁結構的安全性。斜拉索隨著服役時間的增加，其抗力發生衰減、力學性能降低。因此，研究多齡期斜拉索的疲勞損傷演化可為在役拉索的安全評定提供理論基礎。

目前，對斜拉索的疲勞研究都是基于嶄新未腐蝕的平行鋼絲來進行的，大多數都是對平行鋼絲進行常規的力學性能研究。邵永波等［1］通過聲發射技術對制繩鋼絲進行高周疲勞研究，表明疲勞裂紋的孕育及成核期約占整個疲勞壽命的70%，而裂紋擴展占30%;Petit等［2］通過對直徑為1mm的高強度細鋼絲進行疲勞試驗，研究了其疲勞裂紋的演化;Navaei等［3］研究了在可變荷載作用下鋼絲的疲勞損傷累積過程。Casey等［4］利用聲發射的幅值和頻率分布研究了鋼絲繩的疲勞損傷過程，發現高幅值撞擊數與斷絲存在一對一的關系;Martin和Berger［5］進一步研究表明鋼絲斷裂聲發射傳播非常復雜，它存在多個模態，但隨著信號處理技術的發展，這個問題能夠得到解決。從目前相關文獻檢索來看，對多齡期斜拉索疲勞損傷演化監測還缺乏有效的研究手段。

傳統的無損檢測手段能檢測出斜拉索損傷的存在，并不能反映其疲勞損傷發展的歷程，而聲發射技術作為一種動態的無損檢測方法，能被動地接收來自聲發射源的信息，動態地反映構件內部的變化，是研究疲勞損傷內部動態演化的有效手段［6-7］。

因此本文擬采用聲發射監測技術來研究國內某大橋多齡期斜拉索疲勞損傷的演化過程。

1 腐蝕鋼絲力學性能及其試驗分析

本次試驗通過對國內某大橋斜拉橋換下的斜拉索進行疲勞試驗，獲得拉索內腐蝕鋼絲和未腐蝕鋼絲的應力-應變曲線，如圖1所示，試驗所用鋼絲均來自于一根拉索，樣本長度500 mm，試驗加載速率3 mm/min，斜拉索包含腐蝕鋼絲和未腐蝕鋼絲。

圖1 試驗鋼絲應力應變曲線Fig.1 Relationship between stress and strain of wires

圖1試驗結果表明腐蝕鋼絲屈服強度有一定的下降，極限應變變小、延性也變小，而且屈服強度和極限應變具有離散性，可以推知腐蝕斜拉索的疲勞損傷特性也與未腐蝕的斜拉索有區別，因此，研究多齡期斜拉索的疲勞損傷演化，對橋梁斜拉索安全評定、服役壽命預測和全壽命設計方法有著重要的意義，也為斜拉橋拉索的安全評定提供理論基礎。

2 多齡期斜拉索疲勞損傷聲發射特征及其損傷演化分析

本文試驗所用的斜拉索是從國內某大橋上卸下的多齡期斜拉索(服役18年)。斜拉索采用69根公稱直徑為5 mm的平行鋼絲，鋼絲強度級別為1 570 MPa，拉索長度為1 750 mm、自由段長度為1 190 mm，錨頭按照實際拉索錨頭構造制做的冷鑄鐓頭錨，由柳州歐維姆機械股份有限公司生產制造，試驗用拉索尺寸及構造示意圖見圖2(a)。疲勞性能試驗采用力控制，拉索疲勞性能試驗初始應力幅為360 MPa，應力比為0.5，斷絲后仍保持荷載幅不變。

在進行疲勞試驗時，將斜拉索固定于MTS疲勞試驗機上，對其進行疲勞試驗，進行聲發射全過程監測。測試儀器采用美國PAC公司8通道聲發射系統，用AEwin軟件進行數據采集。具體的聲發射參數設置為:前置放大器增益為40 dB、主放大器增益為20 dB、采樣頻率為5 MHz。由于整個試驗是在室內進行的，經測定，環境噪聲水平較低，處于45 dB以下，故采用固定閾值，設為45 dB。整個試驗示意圖如圖2所示。

圖2 整個試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experiment

2.1 多齡期斜拉索疲勞損傷整體演化過程分析

聲發射技術的一個最本質、最重要的問題就是根據聲發射信號來獲得有關聲發射源或材料損傷的信息。聲發射參數分析方法是指利用聲發射信號波形的各項特征參數來分析和解釋聲發射信號。

Baram和Rosen等人在應用聲發射技術對材料疲勞損傷及斷裂過程進行長期的研究后，發現聲發射能量參數是最能夠反映材料性能變化的特征參量，因為它們與材料中位錯的運動、夾雜物的斷裂以及裂紋擴展所釋放的應變能成比例。因此，本文選用聲發射能量參數來描述材料在疲勞過程中各個不同階段性能的變化情況。

由于這次試驗所用斜拉索是服役十多年且有腐蝕的鋼拉索，從圖3中可以看出，在整個疲勞損傷試驗過程中聲發射信號都很豐富，但是根據原始信號能量累積圖，其整個階段的信號特征表現得并不明顯，因此考慮過濾掉整個聲發射過程低能量信號，以顯示整個疲勞過程演化過程。采用這樣的濾波方法:將均值以下的信號置0，保留能量較高的聲發射信號，然后再繪制聲發射參數能量累積圖，如圖4所示。

從圖4中可以清楚地了解多齡期斜拉索整個疲勞損傷的演化過程大致由三個階段組成:OA階段(節點0～節點 16 844)、AB階段(節點 16 845～節點56 824)、BC階段(節點56 825～節點93 846)，而這三個階段在圖3中并不能被清楚地表示，因此濾波后能從大量的信息中提取出有用的AE信號，清晰地顯示整個疲勞損傷的發展過程。

3 各階段多齡期拉索疲勞損傷聲發射信號分析

小波分析方法是一種信號的時頻分析方法，能自動調整時頻窗，而且有很好的表征信號局部特征的能力，運用小波分析來構造故障診斷所需的特征因子，尋找到斜拉索破壞過程聲發射參數的變化特性。

如果構件存在損傷，將會導致相應的小波系數發生變化，分析小波系數的奇異性以及奇異點出現的位置和大小來確定構件的損傷位置是比較快速有效的。

3.1 信號奇異性檢測原理

一般地，信號的奇異性大小可用李普西茲(Lipschitz)指數來描述，簡稱Lip指數，也稱奇異性指數［8-9］。設有非負整數n，n≤α≤n+1，如果存在常數A＞0，以及n次多項式pn(t)，對于t∈(t0-δ，t0+δ)使得，則稱f(t)在t0是Lipα的，如果f(t)在t0的Lip指數α小于1，則t0稱為f(t)的奇異點。對于小波分析而言，在小波變換中，局部奇異性可定義為:

定義 1:設f(x)∈L2(R)，若f(x)對?x∈δx0，小波φ(x)滿足且連續可微，并且具有n階消失矩(n為正整數)，有:，(K為常數)則稱:

α為x0點的奇異性指數(也稱Lipschitz指數)。

本文將待分析信號進行小波分析，從細節信號的分解圖中可以看出信號突變的變化情況，并結合能量的幅度范圍分布特點，便可清晰地了解多齡期拉索疲勞損傷演化幾個階段中信號突變的情況。

將聲發射時間和能量參數進行小波奇異性分析，應用Db3小波對其進行5級分解，得到不同尺度下的分解圖。

圖5 聲發射能量與時間細節圖(d5)Fig.5 Detail of AE energy and time at level 5

由于在疲勞試驗聲發射監測中不可避免地夾雜一些噪聲信號，如不過濾掉這些信號，它將會把有效的聲發射信號進行掩蓋，從而影響結果分析。而小波分析技術具有良好的降噪功能，采用小波降噪后聲發射能量與時間細節分解如圖5所示，濾波后的小波分解結果更能表征多齡期拉索損傷整個演化過程。每個階段信號出現諸多信號突變點，即各階段都有損傷產生且區域大小不盡相同。從分解結果來看，多齡期斜拉索疲勞損傷明顯分為三個過程，其結果與采用聲發射累計能量參數描述多齡期斜拉索損傷演化較一致。

此外還根據每個階段突變點產生的位置來確定損傷發生的時刻，提取各損傷時刻的波形，用FFT將其表示在頻域上，綜合分析各損傷時刻的波形特征和頻率分布范圍。

3.2 不同損傷階段聲發射波形及其聲源類型分析

(1)OA階段

分析OA階段中的奇異信號，將這個階段主要的特征波形和其頻率分布范圍提取出來，如圖6所示。

從圖6中可知，OA階段的聲發射波形以低幅度寬脈沖為主，頻率分布在0～500 kHz的范圍內，主要頻率集中100～200 kHz，這個階段聲發射源主要是由于鋼絲表面腐蝕損傷裂紋在疲勞荷載作用下進一步擴展，表面局部應力集中引起局部塑性變形。這個階段多齡期斜拉索以塑性變形為主。

(2)AB階段

分析AB階段中的奇異信號，提取這個階段主要的特征波形和其頻率分布范圍，如圖7所示。隨著疲勞損傷的發展，一方面損傷區域有所增加，即不斷有新的損傷區域出現，鋼絲為加工硬化材料，在新疲勞裂紋產生初期出現循環軟化現象，并與位錯運動相互作用，使得AE活動頻繁，由此引起的波形以低幅度寬脈沖為主，如圖7(a)，頻率主要集中100～200 kHz。

另一方面原裂紋持續擴展，出現屈服現象，塑性變形加劇，位錯運動的自由度大大減少，由此產生的波形頻率范圍變寬，如圖7(b)，與OA階段相比，其頻率范圍變寬，分布在0～1 000 kHz的范圍內，主要頻率集中在120～200 kHz。因此AB階段中既有新損傷的萌生又有舊裂紋的持續擴展，且以舊裂紋的持續擴展為主。

除了上述兩種波形外，在AB階段中還能觀測到少量的高幅度窄帶信號波形，如圖8所示，說明在疲勞荷載持續作用下產生少量的斷絲。斷絲信號的端前相對較平穩且衰減較快，頻率成分豐富，范圍較寬，具有高頻分量。

(3)BC階段

分析BC階段中的奇異信號，這個階段主要的特征波形和其頻率分布范圍如圖9所示。

在循環荷載作用下，鋼絲表面最大切應力處，擇優滑移系經過前兩個階段的應變積累后逐漸演變成為主導裂紋，使得鋼絲進入裂紋快速擴展階段。從圖9中可以看出，這階段聲發射高能量范圍所占比重明顯增高并一直持續到鋼絲完全失效，但也有較低的聲發射能量信號的產生。在裂紋快速擴展階段，鋼絲由于主導裂紋的存在而產生橫向分力，這使其有一往復的彎折運動，從而導致二次裂紋的出現并不斷變寬變大，這是BC階段中較低范圍的聲發射信號產生的主要原因，由此產生的特征波形以圖9(a)為主，其特征波形為寬脈沖，頻率范圍較寬，分布在100～400 kHz的范圍內。

但BC階段中聲發射信號以斷絲信號為主，如圖9(b)所示，波形表現為高幅度窄脈沖，波形衰減較快，頻率分布在0～1 000 kHz的范圍內，主要頻率集中100～500 kHz。

4 結論

本文采用聲發射技術對多齡期斜拉索疲勞損傷演化進行了全過程監測，分析了損傷的形成原因，實現了對多齡期斜拉索損傷聲發射源類型的確定，其主要結論如下:

(1)腐蝕鋼絲的屈服強度有一定的下降、極限應變變小、延性變小，而且屈服強度和極限應變具有離散性。

(2)運用聲發射監測技術得到了整個試驗過程的特征參數，從聲發射能量累積圖中可以看出其疲勞損傷演化大致經歷了三個階段。

(3)采用小波奇異性檢測確定每個階段損傷的產生，并對損傷波形進行波形和頻譜分析，不同損傷模式的信號頻率分布范圍和波形特點都存在明顯的差異，疲勞過程中破壞機制對聲發射信號的特征有顯著的影響。

從以上的試驗及其分析結果可以看出，聲發射疲勞試驗過程中由于夾雜大量的噪聲信號，如何從強噪聲環境中得到有效聲發射信號對試驗結果影響比較大。此外本文分析結果都是基于一個通道傳感器所接收的信息來進行分析研究的，沒有充分利用其它通道的聲發射信號，應該尋求一種有效的信息融合方法將多通道傳感器信息進行有機的組合，從而更加突出主成分信號，使最后的分析結果更加準確，這也是以后研究的主要方向。

［1］邵永波，裴 珍.制繩鋼絲疲勞損傷過程聲發射研究［J］.材料研究學報，2000，14(2):163-167.

［2］ Petit J，Sarrazin-Baudoux C.Fatigue crack propagation in thin wire of ultra high strength steels［J］.Procedia Engineering，2010，2(1):17-2326.

［3］ Navaei Alvar E，Aghazadeh Mohandesi J.Fatigue damage accumulation in cold-drawn patented steel wire under variable loading［J］.Materials and Design，2010，31:2018-2024.

［4］Casey N F，Laura P A A.A review of the acoustic emission monitoring of wire rope ［J］.Ocean Eng，1997，24(10):935 47.

［5］ Martin P A，Berger J R.On mechanical waves along aluminum conductor steel reinforced(ACSR)power lines［J］.ASME J Appl Mech 2002，69(6):740-748.

［6］Drummonda G，Watsonb JF，Acarnley PP.Acoustic emission from wire ropes during proof load and fatigue testing［J］.NDT＆E International，2007，40:94-101.

［7］ Runar U，Thomas P.Acoustic emission based fatigue failure criterion for CFRP［J］.Int.J.Fatigue，2008，30:11-20.

［8］ Ma X，Peyton A J.Feature detection and monitoring of eddy current imaging data by means of wavelet based singularity analysis［J］.NDT＆E International，2010，43:687-694.

［9］向 陽，蔡悅斌.小波分析在信號奇異探測及瞬態信號檢測中的應用［J］.振動與沖擊，1997，16(4):23-30.