拉索斷絲磁致伸縮導波檢測信號特性實驗研究

鄒易清 武新軍 蔣立軍 龍躍 黃永玖 植磊

摘 要：在鋼絲缺陷檢測的基礎上對拉索斷絲磁致伸縮導波檢測信號特性進行研究，通過對平行鋼絲拉索制作斷絲缺陷，詳細分析研究不同斷絲數量下導波檢測信號的特性，得到缺陷回波反射系數與拉索缺陷截面損失率（即斷絲根數）的關系，即斷絲根數越多缺陷回波信號幅值越大，可對拉索金屬承載面積進行檢測，避免出現重大損失，為鋼絲拉索的損傷磁致伸縮導波無損檢測的工程實際應用提供了數據基礎.

關鍵詞：信號特性；拉索斷絲；磁致伸縮導波檢測；纜索體系；有效金屬承載面積

中圖分類號：U443.38 文獻標志碼：A

0 引言

纜索體系廣泛應用于現代土木工程結構領域，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、疲勞及其耦合效應在外部風雨激振等產生的振動影響下引起的纜索內鋼絲的斷裂[2-4]；其有效金屬承載面積直接關系到整體結構的安全和使用壽命，一旦出現有效金屬承載面積損失，將會嚴重降低結構的安全性和耐久性，并且可能造成橋梁結構發生災難性的突發破壞事故，如2011年新疆庫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的，造成極大的社會影響[5].因此對纜索體系的金屬承載面積進行有效性檢測非常必要.

磁致伸縮導波檢測方法是利用鐵磁性材料的磁致伸縮效應及其逆效應實施檢測的一種方法.近年來，磁致伸縮導波由于具有單點激勵即可實現長距離檢測的優點得到了廣泛而深入的研究，其在纜索損傷檢測方面，具有檢測效率高、非接觸式、可以檢測傳統檢測技術難以到達的區域、安裝方便等優勢[6]，逐漸成為應用廣泛的纜索新型無損檢測方法.

本文在鋼絲缺陷檢測研究的基礎上[6]對拉索斷絲磁致伸縮導波檢測信號特性進行研究.通過對由鋼絲緊密排布成束、外層包裹HDPE層的型號為PES7-61鋼絲拉索制作人工斷絲缺陷，利用磁致伸縮導波檢測儀器采集1根～24根不同斷絲根數的導波信號，并詳細分析其特性，研究缺陷回波反射系數與拉索缺陷截面損失率（即斷絲根數）的關系，從而達到對拉索金屬承載面積損失進行檢測的目的，避免出現由于拉索斷裂引發的重大損失，為鋼絲拉索的損傷磁致伸縮導波無損檢測的工程實際應用提供數據基礎.

1 拉索斷絲磁致伸縮導波檢測信號特性實驗

1.1 實驗對象

纜索體系主要包括主纜、拉索、斜拉索、吊桿、系桿等種類，鋼絲作為基本構件在國內各種類纜索都得到普遍使用；本研究為了使實驗樣本可涵蓋更多種類纜索并具普遍性，以及能在鋼絲缺陷磁致伸縮導波檢測信號特性研究的基礎上進一步展開研究，選擇了PES7-61平行鋼絲拉索作為實驗對象.

1.2 實驗裝置和試樣

拉索斷絲試樣、實驗裝置及安裝示意圖如圖1所示，實驗裝置是磁致伸縮導波檢測儀器，其工作原理是計算機控制磁致伸縮導波檢測儀器使激勵線圈產生瞬態磁場，根據磁致伸縮效應，在線圈包圍的拉索中產生雙向彈性波；當遇到缺陷時，會產生反射回波，反射回波通過接受線圈時，基于逆磁致伸縮效應，在接受線圈中會感應到應變引起的電信號，該信號通過磁致伸縮導波儀器處理在計算機中呈現，通過對該信號進行分析，即可得到拉索狀態信息；磁化器是為提高磁致伸縮換能效率[7].

實驗試樣為61絲平行鋼絲拉索，其總長度為4 950 mm，兩個線圈之間距離為1 000 mm，激勵線圈距離拉索右端2 500 mm，缺陷距離激勵線圈1 000 mm.利用切割機制作了環形表層鋼絲，1根～24根不同數量的斷絲缺陷如圖2所示.所有實驗數據均在此布置條件下采集.

2 磁致伸縮導波拉索斷絲檢測信號分析

2.1 拉索斷絲磁致伸縮導波檢測信號圖（激勵頻率：50 kHz）

當拉索斷絲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，拉索斷絲缺陷的磁致伸縮導波檢測實驗信號如圖3～圖4所示.可見磁致伸縮導波儀器能夠對斷絲缺陷進行很好地反饋和展示，對信號濾波處理后可以進一步消除噪聲的干擾.

2.2 斷絲缺陷回波反射系數和缺陷橫截面面積損失率的關系

使用如下方法計算導波反射系數R[1]：

R=■ （1）

其中Vf為缺陷回波波包的峰峰值，Vp為通過信號波包的峰峰值.通過反射系數來研究缺陷面積對導波反射規律的影響.激勵頻率 30 kHz，40 kHz 和 50 kHz 濾波后反射系數與拉索斷絲缺陷橫截面面積損失率關系的實驗數據如圖5～圖6所示.從實驗結果可以看出：當面積損失率為6.56%（即斷絲根數為4根）時，信號對缺陷已經有明顯反饋；當面積損失率為11.48%（即斷絲根數為7根）時，缺陷回波信號幅值較大；隨著面積損失率的增加，即斷絲根數的增加，缺陷回波反射系數隨之增加，這為工程中對纜索斷絲根數的檢測提供數據基礎.不同激勵頻率下的缺陷回波反射系數與缺陷面積損失率存在一定的對應關系：不同激勵頻率下，完好拉索（無斷絲）本底噪聲信號不同，從而反射系數起始值不同；激勵頻率越大，反射系數增速越快.

3 結論

纜索體系作為主要承載部件被廣泛應用于現代土木建設，其在役使用狀態定期檢測、維護及更換能十分有效地防止整體結構的破壞和使用壽命的縮短.本文在鋼絲缺陷檢測研究的基礎上對拉索斷絲磁致伸縮導波檢測信號特性進行研究，通過對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，詳細分析研究不同數量斷絲下導波檢測信號的特性，得到缺陷回波反射系數與拉索缺陷截面面積損失率（即斷絲根數）的關系，即斷絲根數越多缺陷回波信號幅值越大，達到了對拉索金屬承載面積損失檢測的目的，避免出現由于拉索斷裂引發的重大損失.

參考文獻

[1] 李平杰.多支承索桿振動參數識別研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2] 林陽子，游棉州，李春早，等.橋梁索桿內部銹蝕斷絲無損檢測技術運用[J].公路交通科技（應用技術版），2013（9）：98-100.

[3] 陳維雄，汪正興，王波，等.滬通長江大橋主航道橋超長斜拉索阻尼減振方案比選[J].橋梁建設，2015，45（6）：7-11.

[4] 李暾，嚴寧.斜拉索風雨激振非線性分析[J].廣西科技大學學報，2017，28（1）：1-5.

[5] 武新軍，賁安然，徐江.橋梁纜索金屬損傷無損檢測方法[J].無損檢測，2012，34（4）：12-16.

[6] 鄒易清，武新軍，龍躍，等.鋼絲缺陷磁致伸縮導波檢測信號特性實驗研究[J].廣西科技大學學報，2016，27（S1）：197-201.

[7] 鄒易清，武新軍，徐江，等.磁致伸縮導波技術在橋梁纜索腐蝕檢測的研究進展[J].預應力技術， 2015（4）： 9-15.

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

（學科編輯：黎 婭）