橋梁連接螺栓健康監測以及防銹維護系統設計

孫 艷

[中部高速公路管理（山西）有限公司,山西 太原 030000]

0 引言

橋梁連接螺栓是橋梁結構中常見的連接元件，主要用于連接梁體、梁體與支座、梁體與墩臺等部分。常見的橋梁連接螺栓有U 型螺栓、錨固螺栓等。這些螺栓通常通過螺母和墊圈與其他構件一起組成一個完整的連接系統[1]。在橋梁建設中，連接螺栓承擔著橋梁結構的重要連接任務，其健康狀態直接影響橋梁的穩定性和可持續性[2]。

通過橋梁螺栓健康監測與防銹維護，可有效保障橋梁的結構安全。通過定期監測連接螺栓的健康狀況，可以及早發現問題并采取相應的修復措施，從而預防事故的發生[3]。同時，連接螺栓承受橋梁荷載的作用，長期使用后可能出現螺栓松動、腐蝕、斷裂等問題。及時發現和處理這些問題，可以延長連接螺栓的使用壽命，減少維修和更換成本。為了減少橋梁維護成本，該文設計橋梁連接螺栓健康監測以及防銹維護系統，通過這一系統，精準地監測橋梁連接螺栓的異常變化，保障公眾的交通安全和橋梁的運行效果。

1 螺栓健康監測以及防銹維護系統研究

1.1 橋梁連接螺栓銹蝕成因分析

受外圍環境影響，橋梁鋼構件的連接螺栓處十分容易發生銹蝕現象，而連接螺栓是保護橋梁鋼構件連接性能的關鍵部件，盡管大多數螺栓在出廠時均進行電鍍、熱浸鍍等防銹蝕處理，但隨著外部環境的干擾，在橋梁運營過程中仍然會出現連接螺栓銹蝕問題[4]。當連接螺栓出現嚴重銹蝕時，不僅會影響橋梁的美觀性，還會影響橋梁鋼構件的使用壽命，為此，該文分析連接螺栓的銹蝕成因，具體分析內容如下：

（1）潮濕環境引發化學反應腐蝕：濕度是螺栓銹蝕的主要因素之一。目前連接螺栓通常位于橋梁基礎部位，在連接處常常存在縫隙，在濕度較高的地區，如沿海地區或濕潤的氣候條件下，螺栓更容易受到銹蝕影響，導致螺栓縫隙處容易堆積雨水，在水分作用下，導致連接螺栓涂層脫落，出現腐蝕現象。

（2）安裝時劃傷螺栓表層防腐面：在橋梁建設施工以及螺栓安裝時，容易引發碰撞與劃傷問題，導致螺栓表面防銹蝕層破壞，從而影響螺栓使用壽命[5]。

（3）拉應力影響螺栓防銹效果：橋梁連接螺栓主要用于設備與構件之間的連接，當螺栓連接完成后，受到外部振動與拉應力的影響，會加快螺栓的銹蝕效果。

（4）氧化反應：當連接螺栓表面的保護層受到破壞時，接觸到空氣中的氧氣，會發生氧化反應，形成氧化物，即銹。這種氧化反應會進一步促進銹蝕的發生。

（5）酸性或堿性環境：某些特定的環境條件，如酸性或堿性環境，會加速連接螺栓的銹蝕過程。酸雨、化學污染物、海水等具有腐蝕性的介質，會對螺栓表面的金屬產生腐蝕性反應，導致銹蝕發生。

考慮橋梁連接螺栓易發生銹蝕問題，該文構建橋梁連接螺栓健康監測以及防銹維護系統，通過系統的監測，及時找出連接螺栓存在的問題，避免螺栓銹蝕對橋梁造成嚴重損害。

1.2 連接螺栓健康監測以及防銹維護系統架構設計

該文構建的螺栓監測與維護系統主要采用振動檢測方式獲取橋梁現場螺栓的相關數據，通過對檢測數據的分析，獲取連接螺栓的健康狀態，從而實現螺栓防銹維護。為此，該系統主要分為兩個部分：一部分為現場數據實時采集，另一部分為螺栓使用數據分析。該系統設計的整體架構如圖1 所示。

圖1 系統架構設計

在圖1 的系統架構中，主要包含以下內容：

（1）工控機及采集子系統：該子系統用于現場實時采集連接螺栓使用狀態，其中包括工控機、振動檢測模塊以及數據采集軟件，通過這一子系統實現數據采集。而聲音交互與監視子系統主要由麥克風、攝像頭等設備組成，通過聲音交互與監視，實現現場檢測人員與遠程管理人員的交流互動。

（2）服務器：服務器主要用于采集數據的處理與存儲，將工控機采集到的數據存儲在服務器數據庫中，當使用者需要使用數據時，可自行導入、導出數據，同時在服務器上配備連接螺栓健康狀態評估軟件，經軟件評估后判斷螺栓健康水平。

在進行連接螺栓健康監測時，先通過振動檢測子系統采集螺栓數據，之后經無線傳輸方式將數據傳遞給服務器，通過服務器分析螺栓使用情況，并給出健康評估報告，實現連接螺栓防銹維護。通過如下內容對該系統具體功能細節進行設計。

1.2.1 振動檢測模塊

通過振動檢測模塊實現連接螺栓的健康監測。該子系統主要通過圖2 中的內容構成。

圖2 振動檢測子系統設計

圖2中，具體每一模塊功能如下：

（1）激振系統：這一系統用于向被測螺栓施加激勵，使被測螺栓能夠產生可用于檢測的信號，該文所使用的激振設備為脈沖激振器。

（2）測振傳感器：通過測振傳感器接收連接螺栓傳遞的信號，并將其提供至中間電路。該文采用測振傳感器為KD3001 型壓電式力傳感器，將該傳感器安裝在力錘上，對每一連接螺栓傳遞的信號進行采集。該傳感器的主要參數如表1 所示。

表1 測振傳感器參數分析

通過表1 可知，該傳感器具有較強的采集能力，其電荷靈敏度保持較高水平，可精準獲取不易捕捉的信號。

（3）中間電路：在中間電路對螺栓信號進行調制與放大等處理，使這一信號能夠轉換為便于處理的數字信號。

（4）信號顯示、存儲與分析：對轉變后的螺栓信號進行保存，并經過適當處理后顯示被測螺栓的特征信息。

1.2.2 數據采集軟件設計

數據采集軟件主要用于配合振動檢測系統，通過數據采集卡，實現連接螺栓信號的采集與存儲。該軟件在采集數據時，主要通過以下步驟實現：

（1）啟動連接螺栓振動信號采集工作。

（2）初始化數據采集卡。

（3）設置采集參數，確定采取螺栓所處的位置，并規定采集點數、敲擊次數以及采樣頻率等指標。

（4）按規律敲擊螺栓，獲取信號后，分析信號有效性，同時顯示信號波形。

（5）對每一螺栓采集三次有效信號，并對每次信號進行相干性判斷，若相干有效，則存儲信號，否則繼續敲擊。

（6）評估敲擊次數是否達到已設定次數，若達到設定標準，則完成采集，若未達到，則繼續敲擊并相干數據，直至獲取有效信號。

（7）相干完成后獲取精準的螺栓信號數據，完成信號采集。

1.2.3 連接螺栓健康分析與防銹維護軟件設計

在服務器中構建基于初相和諧波理論的準同步離散傅里葉變換（DFT）修正算法的連接螺栓健康分析軟件，當服務器接收到工控機采集子系統傳來的信號數據時，在服務器中實時計算相鄰螺栓之間的相位差，從而評估連接螺栓的健康情況，通過圖3 表示該軟件進行螺栓健康監測的流程。

圖3 螺栓健康監測的流程圖設計

通過圖3 步驟實現螺栓的健康監測與銹蝕維護，先初始化相關信息，并設置串口參數，當服務器收到工控機子系統傳來的數據時，即可將數據解析并分別存入不同的緩存中，通過對不同連接螺栓相位差的對比，分析螺栓的健康狀態，判斷結束后，輸出螺栓健康狀態報告。為避免相位差對比出現誤差，可在數據采集階段重復采樣，并進行迭代對比，以獲取精度較高的螺栓狀態監測結果。

2 實驗分析

為評估該系統的連接螺栓健康監測與銹蝕維護能力，該文通過服務器模擬該系統應用狀態，分析該系統對橋梁螺栓的監測效果。

應用該系統對橋梁中某一健康螺栓與銹蝕螺栓進行監測，并生成螺栓振幅波動圖，驗證該系統是否能夠精準監測銹蝕螺栓的異常狀態。分析結果如圖4 所示。

圖4 螺栓監測狀態分析

根據圖4 可知，在該系統的監測過程中，可明顯看出正常螺栓與異常螺栓之間的振幅存在明顯差異，且振幅差距相對較大，因此，利用該系統，可有效采集不同螺栓的振幅波動變化，還能夠根據振幅波動判斷出螺栓的健康狀態，因此，該系統具有良好的螺栓監測能力，可為橋梁維護提供可靠幫助。

為評估該系統的應用優勢，該文選取人工巡檢以及超聲波檢測方式，與該系統進行對比，同時對100 個橋梁連接螺栓進行模擬監測，分析不同監測方法的應用效果，分析結果如表2 所示。

表2 不同監測方法應用效果對比

根據表2 可知，在人工巡檢的監測下，精準度僅能夠達到86.4%，雖然這一精準度已保持在較高水平，但仍然低于超聲波巡檢與該系統的監測效果，且人工巡檢的監測速度較慢，在監測過程中需要耗費較大成本，浪費人工，因此人工巡檢并不適用于橋梁連接螺栓健康監測。而超聲波巡檢方法雖然具有較高精準度，但其監測速度與精準度仍然低于該文監測系統，為此，該系統在進行螺栓監測時具有較大優勢，可快速實現精準的螺栓監控監測。

3 結論

該文研究橋梁連接螺栓健康監測以及防銹維護系統設計，針對目前橋梁連接螺栓監測困難且存在監測精度不高等問題，利用振動監測手段，實時監測連接螺栓的使用情況，并積極分析連接螺栓的健康狀態，經過該系統的監測，可快速、有效地獲取螺栓銹蝕情況，為橋梁安全管理提供保障。未來，可針對該系統繼續進行優化，為系統設計螺栓異常告警模塊、螺桿監測等模塊，避免橋梁發生安全隱患，從而延長橋梁使用壽命。