磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)在拱橋吊桿檢測(cè)中的應(yīng)用研究

石菊創(chuàng)，黃建初，黎振源

(1.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530000；廣西高速公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)中心，廣西 南寧 530000)

0 引言

吊桿是中、上承式拱橋荷載傳遞的關(guān)鍵構(gòu)件，其健康狀況關(guān)系到橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。近些年，國(guó)內(nèi)外頻繁出現(xiàn)拱橋吊桿未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就因銹蝕斷絲而失效的情況，其驟然斷裂往往導(dǎo)致橋梁垮塌、車毀人亡，如四川宜賓市小南門大橋、新疆孔雀河大橋、福建武夷山公館大橋等就發(fā)生過吊桿斷絲事故。由于缺乏可靠的檢測(cè)手段以全面準(zhǔn)確了解吊桿損傷程度并評(píng)估剩余使用年限，橋梁管養(yǎng)部門不得不基于安全考慮而過早更換一些已知或疑似存在損傷的吊桿，甚至提前進(jìn)行全橋更換[1]。

近年來，聲發(fā)射、射線、磁性、超聲、超聲導(dǎo)波等無損檢測(cè)技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，其中磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用在拱橋吊桿銹蝕斷絲檢測(cè)上，具有檢測(cè)距離長(zhǎng)、檢測(cè)效率高、無須破壞防護(hù)裝置、可檢測(cè)錨固區(qū)域等優(yōu)勢(shì)，能夠定性判斷吊桿損傷、銹蝕情況，但定量判斷方面還不穩(wěn)定，吊桿損傷定量檢測(cè)仍需要大量研究[2]。本文結(jié)合實(shí)際工程，驗(yàn)證磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)定性識(shí)別吊桿損傷的可靠性，研究磁致伸縮導(dǎo)波參數(shù)與吊桿截面損失關(guān)系，為磁致伸縮導(dǎo)波識(shí)別技術(shù)在吊桿損傷檢測(cè)中的應(yīng)用積累工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

廣西六景郁江大橋(舊橋)是一座中承式鋼管混凝土拱橋，主橋凈跨為220 m，凈矢跨比為1/5，主拱軸線采用無鉸懸鏈線，主拱拱肋采用等截面鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)。全橋共37對(duì)吊桿，均采用PES7-61鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa。吊桿采用熱擠聚乙烯防護(hù)，錨具采用冷鑄墩頭錨。吊桿上端為可調(diào)錨頭，下端為固定錨頭。吊桿露出橋面以上2.5 m范圍內(nèi)，用外套鋼管防護(hù)。橋梁建成于1998年8月。2018年，結(jié)合柳南高速公路改擴(kuò)建工程，對(duì)全橋吊桿進(jìn)行更換。本文依托本工程開展現(xiàn)場(chǎng)磁致伸縮導(dǎo)波吊桿損傷識(shí)別試驗(yàn)和室內(nèi)斷絲識(shí)別試驗(yàn)。

2 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)吊桿工作原理[3-5]

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)的基礎(chǔ)原理是磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)，當(dāng)?shù)鯒U鋼絲束被外磁場(chǎng)磁化后，尺寸發(fā)生變化而激發(fā)應(yīng)力波，應(yīng)力波在傳播過程中遇到缺陷時(shí)會(huì)反射、透射，反射波導(dǎo)致鐵磁體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，引起接收線圈中的電壓變化，通過測(cè)量接收線圈中的電壓信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)吊桿缺陷檢測(cè)。其原理如圖1所示。

圖1 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)原理圖

3 現(xiàn)場(chǎng)吊桿損傷識(shí)別試驗(yàn)

依托工程吊桿更換拆除，為磁致伸縮導(dǎo)波損傷識(shí)別試驗(yàn)提供了驗(yàn)證的條件，同時(shí)對(duì)實(shí)橋吊桿進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，與實(shí)體工程檢測(cè)條件吻合。結(jié)合外觀檢查結(jié)果，對(duì)全橋10根具有代表性的吊桿進(jìn)行磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)。根據(jù)磁致伸縮導(dǎo)波試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，若檢測(cè)信號(hào)參數(shù)反映可能存在吊桿銹蝕，則對(duì)該吊桿做好標(biāo)記，拆除吊桿后，對(duì)其進(jìn)行實(shí)體解剖，檢查吊桿內(nèi)部缺陷情況，以驗(yàn)證檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠性。

3.1 導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)依據(jù)《無損檢測(cè) 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法》(GB/T 28704-2012)[6]執(zhí)行，通過檢測(cè)波波形、幅值、錨頭回波情況等綜合判斷吊桿索體是否存在缺陷。通過試驗(yàn)檢測(cè)波形信號(hào)可知，大部分吊桿索體正常，未發(fā)現(xiàn)明顯波形異常。部分吊桿檢測(cè)波形如圖2～4所示。從信號(hào)波形均可以看到上錨頭波形、下錨頭波形，且下錨頭的回波信號(hào)強(qiáng)度高于上錨頭，與導(dǎo)波能量在傳播過程中發(fā)生衰減相符。其中，編號(hào)為X6#吊桿檢測(cè)波形中存在異常波形(如圖5所示)，異常信號(hào)位置距離激勵(lì)傳感器4.5～4.8 m，異常信號(hào)回波較大，超過報(bào)警門限，可能存在腐蝕損傷。

3.2 開窗驗(yàn)證

舊吊桿更換下來后，對(duì)上述10根吊桿進(jìn)行剖體檢查，拆除外包熱擠聚乙烯護(hù)套。通過剖體檢查，磁致伸縮導(dǎo)波信號(hào)異常吊桿(X6#吊桿)在異?；夭ㄎ恢酶浇摻z存在一定程度的銹蝕情況。其余吊桿鋼絲無明顯缺陷，與磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖2 吊桿檢測(cè)波形(S2#吊桿)圖

圖3 吊桿檢測(cè)波形(X5#吊桿)圖

圖4 吊桿檢測(cè)波形(S7#吊桿)圖

圖5 吊桿檢測(cè)波形(X6#吊桿)圖

4 室內(nèi)吊桿損傷識(shí)別試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)可以提供理想試驗(yàn)條件，如斷絲部位、斷絲根數(shù)，同時(shí)減少外界對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。選取六景大橋拆除吊桿作為研究對(duì)象，通過斷絲1～15根情況下，定量研究吊桿鋼絲截面損失(斷絲數(shù)量)與磁致伸縮導(dǎo)波信號(hào)的關(guān)系。

4.1 試驗(yàn)過程

4.1.1 試件組裝

吊桿斷絲試樣、實(shí)驗(yàn)裝置及安裝如圖6所示。實(shí)驗(yàn)試樣吊桿總長(zhǎng)度為4 600 mm，兩個(gè)線圈之間距離為1 000 mm，激勵(lì)線圈距離吊桿右端2 500 mm，缺陷距離激勵(lì)線圈1 000 mm。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均在此布置條件下采集。

4.1.2 試驗(yàn)步驟

(1)將吊桿平放，并用墊木墊高放平。

(2)將磁致伸縮導(dǎo)波儀器主機(jī)、電腦、激勵(lì)傳感器、接收傳感器、磁化器、線纜按照?qǐng)D6所示進(jìn)行安裝。

(3)根據(jù)頻散曲線選擇合適的激勵(lì)頻率采集吊桿完好狀態(tài)下的導(dǎo)波信號(hào)。

(4)利用切割機(jī)逐根切割吊桿鋼絲，切割斷鋼絲后采集導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)并保存。

(5)重復(fù)試驗(yàn)步驟3，制作環(huán)形表層鋼絲1～15根不同數(shù)量的斷絲缺陷如圖7所示，采集得到斷絲1～15根狀態(tài)下的導(dǎo)波信號(hào)。

圖6 吊桿斷絲試樣、實(shí)驗(yàn)裝置及安裝示意圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 信號(hào)分析

對(duì)激勵(lì)頻率為30 kHz的多個(gè)濾波前導(dǎo)波信號(hào)時(shí)程曲線對(duì)比分析如下頁圖8所示，通過帶通濾波后信號(hào)時(shí)程曲線對(duì)比分析如下頁圖9所示。由圖可知，隨著吊桿斷絲根數(shù)的增加，缺陷回波信號(hào)幅值隨之增加，且增加十分明顯，缺陷回波信號(hào)幅值與吊桿截面損失(斷絲數(shù)量)正相關(guān)。

4.2.2 計(jì)算反射系數(shù)

根據(jù)采集到的不同斷絲數(shù)量磁致伸縮導(dǎo)波信號(hào)，分析計(jì)算不同斷絲下缺陷回波的反射系數(shù)，從而對(duì)吊桿斷絲進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。使用式(1)計(jì)算導(dǎo)波反射系數(shù)R：

(1)

式中：Vf——缺陷回波波包的峰值；

Vp——通過信號(hào)波包的峰值。

通過反射系數(shù)來研究缺陷面積對(duì)導(dǎo)波反射規(guī)律的影響。

通過對(duì)缺陷回波反射系數(shù)進(jìn)一步分析計(jì)算，激勵(lì)頻率30kHz濾波后缺陷信號(hào)的反射系數(shù)如表1所示。

(a)斷絲0根

(b)斷絲6根

(c)斷絲9根

(d)斷絲15根

表1 缺陷回波反射系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

(a)斷絲0根與3根導(dǎo)波信號(hào)對(duì)比圖與缺陷回波信號(hào)對(duì)比圖

(b)斷絲0根與9根導(dǎo)波信號(hào)對(duì)比圖與缺陷回波信號(hào)對(duì)比圖

(c)斷絲0根與15根導(dǎo)波信號(hào)對(duì)比圖與缺陷回波信號(hào)對(duì)比圖

(a)斷絲0、3、9、15根導(dǎo)波信號(hào)時(shí)程曲線對(duì)比圖

(b)多個(gè)缺陷回波信號(hào)時(shí)程曲線對(duì)比圖

4.2.3 數(shù)據(jù)擬合分析

為分析吊桿鋼絲截面損失與缺陷回波反射系數(shù)的關(guān)系，使用Excel軟件繪制帶平滑曲線的散點(diǎn)圖，添加線性趨勢(shì)線，如圖10所示。曲線擬合優(yōu)度R2=0.990 5，曲線方程見式(2)：

Y=0.658X+1.926

(2)

式中：X——吊桿鋼絲截面積損失率(%)；

Y——缺陷回波反射系數(shù)(%)。

圖10 濾波后截面積損失率與反射系數(shù)關(guān)系曲線圖

由此可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，吊桿鋼絲缺陷回波反射系數(shù)與截面積損失率之間呈線性關(guān)系。根據(jù)關(guān)系曲線，可通過缺陷回波信號(hào)反射系數(shù)估算吊桿鋼絲截面損失，為工程中對(duì)吊桿損傷定量識(shí)別檢測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合廣西六景郁江大橋(舊橋)維修加固工程，開展磁致伸縮導(dǎo)波吊桿損傷識(shí)別應(yīng)用研究，通過實(shí)橋試驗(yàn)檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)實(shí)橋試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，吊桿剖體檢測(cè)結(jié)果與磁致伸縮導(dǎo)波無損檢測(cè)結(jié)果基本吻合，磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)可用于拱橋吊桿無損檢測(cè)定性分析。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，吊桿鋼絲缺陷回波信號(hào)幅值與截面損失正相關(guān)，截面損失越多，缺陷回波幅值越大。

(3)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，吊桿鋼絲缺陷回波反射系數(shù)與截面積損失率之間呈線性關(guān)系。根據(jù)關(guān)系曲線，可通過缺陷回波信號(hào)反射系數(shù)估算吊桿截面損失，為工程中對(duì)吊桿損傷定量識(shí)別檢測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。