武新軍，賁安然，徐 江

（華中科技大學(xué) 制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程研究中心，武漢 430074）

近年來(lái)，纜索在斜拉橋、懸索橋和拱形橋等大跨度橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。作為上述結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承力部分，其有效金屬承載面積直接關(guān)系到橋梁的安全和使用壽命。如最近新疆庫(kù)爾勒孔雀河大橋部分垮塌、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，造成了極大的社會(huì)影響。目前對(duì)橋梁纜索的常規(guī)檢測(cè)方法主要有視覺(jué)檢測(cè)、索力測(cè)量和模態(tài)法等。視覺(jué)檢測(cè)是通過(guò)人工視覺(jué)觀察纜索護(hù)套情況進(jìn)而判斷其內(nèi)部損傷狀況，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、人為因素影響大等問(wèn)題［1］；索力測(cè)量法［2－3］（包括液壓表讀數(shù)法、壓力傳感器法、頻率振動(dòng)法、磁通量法等）主要是測(cè)量各索受力情況，從整體上判斷橋梁應(yīng)力分布，保持各索受力平均，防止因受力不均而引發(fā)纜索逐根斷裂，但上述諸方法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)在役纜索的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；模態(tài)法［4］采用系統(tǒng)響應(yīng)的方式，通過(guò)在橋梁上布置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，獲取檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)分析獲取橋梁的模態(tài)參數(shù)，如剛度、阻尼、振型、模態(tài)等，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)橋梁的目的，但該方法主要是從整體結(jié)構(gòu)上對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)橋梁?jiǎn)卧考缋|索的損傷檢測(cè)，同時(shí)存在易受環(huán)境影響等問(wèn)題［3］。綜上所述，對(duì)于橋梁纜索金屬損傷，目前仍缺乏合適的檢測(cè)方法。因此，有必要開(kāi)展針對(duì)橋梁纜索金屬損傷的無(wú)損檢測(cè)方法研究。

1 纜索檢測(cè)難點(diǎn)分析

大跨度橋梁中，纜索直徑最大可達(dá)數(shù)百毫米，增加了檢測(cè)纜索金屬損傷的難度。如圖1所示，橋梁纜索主要有鋼絲索、鋼絞線索和鋼筋索等結(jié)構(gòu)型式［5］，鋼絲或鋼筋相互之間有較大空氣隙。同時(shí)，由于防腐的需要，早期采用在套管內(nèi)灌注水泥漿，或在索體外纏繞聚酯卷帶的方式，導(dǎo)致纜索內(nèi)部材料屬性差異大，電磁介質(zhì)復(fù)雜，缺陷分辨難度增大。近期的纜索外部均有聚乙烯橡膠護(hù)套（PE），護(hù)套厚度從幾毫米到幾十毫米不等，提離距離增加，降低了傳感器的檢測(cè)靈敏度。因此，從纜索結(jié)構(gòu)方面講，直徑大、內(nèi)部介質(zhì)復(fù)雜以及PE護(hù)套等是纜索無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)。

圖1 橋梁纜索結(jié)構(gòu)型式

另一方面，在橋梁纜索使用過(guò)程中，作為連接部件，纜索是通過(guò)錨頭與橋面連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)力傳遞，如圖2所示，其中必然有一段纜索安裝在保護(hù)管內(nèi)，對(duì)檢測(cè)傳感器的可達(dá)性和檢測(cè)方法提出了難題。

圖2 纜索錨固區(qū)安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 無(wú)損檢測(cè)方法

根據(jù)上述分析，從檢測(cè)工程應(yīng)用的角度出發(fā)，可用于纜索金屬損傷的檢測(cè)方法有聲發(fā)射法、射線檢測(cè)法、磁性檢測(cè)法和導(dǎo)波法等。

2.1 聲發(fā)射檢測(cè)法

聲發(fā)射技術(shù)（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱(chēng)AE）利用材料在受力條件下產(chǎn)生缺陷時(shí)以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)構(gòu)件缺陷檢測(cè)。在纜索上布置檢測(cè)傳感器，當(dāng)纜索內(nèi)部有應(yīng)力腐蝕或疲勞裂紋產(chǎn)生時(shí)，以瞬時(shí)彈性波的方式向外釋放能量，聲發(fā)射波沿固體介質(zhì)傳播，在介質(zhì)表面處產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；傳感器將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大、濾波后，由信號(hào)處理器分析，在顯示記錄裝置上顯示測(cè)量結(jié)果。1971年，Pollock和Smith［6］教授利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)一座橋梁進(jìn)行了測(cè)試，并確定了缺陷的具體位置。1996年，Mohammad R［7］在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)模擬實(shí)際工況，進(jìn)行吊桿和纜索的鋼絲斷裂試驗(yàn)，有效地捕捉到了索中鋼絲斷裂，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鋼絲的變化。丁幼亮［8］等利用聲發(fā)射儀器對(duì)四川峨邊大渡河拱橋的吊桿進(jìn)行了全面的在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)聲發(fā)射參數(shù)分析方法比較了吊桿的損傷程度，獲得了良好的檢測(cè)效果。

與其他損傷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，AE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且可以對(duì)損傷發(fā)生發(fā)展過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用到纜索檢測(cè)，需要研究傳感器的固定安裝、纜索鋼絲之間的摩擦引起的聲信號(hào)造成的信號(hào)信噪比低、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中的能源供給、僅能給出相對(duì)檢測(cè)結(jié)果等難題。

2.2 射線檢測(cè)法

射線檢測(cè)法利用X、γ等射線在穿透物體過(guò)程中，因材質(zhì)不同而衰減不同的現(xiàn)象檢測(cè)構(gòu)件內(nèi)部缺陷。當(dāng)待檢物內(nèi)部存在缺陷時(shí)，該局部區(qū)域的透過(guò)射線強(qiáng)度就會(huì)與周?chē)兴町?，把膠片或其它成像器件放在適當(dāng)位置使其在透過(guò)射線的作用下成像，成像器件上相應(yīng)部位就會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度不同的影像，即可以檢測(cè)出缺陷。1988年，射線檢測(cè)即被應(yīng)用于纜索的錨固區(qū)檢測(cè)，但由于存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)高的問(wèn)題而未被廣泛采用［9］。2004年，Telang等［10］采用低能量的X射線法對(duì)實(shí)驗(yàn)室纜索進(jìn)行了檢測(cè)，能檢測(cè)纜索中所有的缺陷，但是由于纜索內(nèi)部材質(zhì)復(fù)雜，圖像的解釋困難。

射線檢測(cè)法應(yīng)用于纜索檢測(cè)時(shí)，能夠檢測(cè)纜索索體和錨固區(qū)的內(nèi)部缺陷，但一方面由于檢測(cè)效率低、圖像解釋困難、造價(jià)高、尤其是存在輻射污染的問(wèn)題；另一方面，需要輔助移動(dòng)裝置將檢測(cè)設(shè)備帶到檢測(cè)部位。因此，大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁纜索檢測(cè)存在一定困難。

2.3 磁性檢測(cè)法

磁性檢測(cè)法主要包括漏磁檢測(cè)法和磁通量檢測(cè)法等，檢測(cè)原理如圖3所示。銜鐵、永磁體、空氣隙、被測(cè)纜索構(gòu)成磁化回路，銜鐵和永磁體構(gòu)成的磁化器將纜索磁化到飽和狀態(tài)，并相對(duì)于纜索軸向掃查。當(dāng)纜索存在斷絲、腐蝕等局部缺陷時(shí)，會(huì)引起纜索內(nèi)部磁場(chǎng)變化，部分磁場(chǎng)“泄露”到空氣中，兩磁極之間的檢測(cè)元件即可檢測(cè)到相應(yīng)的漏磁信號(hào)；當(dāng)纜索存在大面積腐蝕時(shí)，磁路的磁通量發(fā)生變化，兩磁極下方的檢測(cè)元件即可得到相應(yīng)的磁通量信號(hào)。

圖3 磁性檢測(cè)原理示意圖

Christen和 Andrea Bergamini等［11－12］研究的檢測(cè)裝置采用線圈磁化纜索，檢測(cè)纜索內(nèi)部缺陷。整個(gè)裝置由絞盤(pán)拖動(dòng)沿纜索上下運(yùn)動(dòng)，具有檢測(cè)靈敏度高、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。但由于沒(méi)有相應(yīng)爬升裝置，檢測(cè)時(shí)需檢測(cè)人員在橋梁塔頂安裝滑輪，增加了檢測(cè)人員的危險(xiǎn)性，降低了檢測(cè)效率。因此，有必要研究一種能夠沿纜索自主爬升并檢測(cè)纜索內(nèi)部缺陷的磁性檢測(cè)裝置。

華中科技大學(xué)［13－14］的研究人員基于磁性檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一種在役纜索內(nèi)部缺陷檢測(cè)裝置，如圖4所示。檢測(cè)裝置包含沿纜索對(duì)稱(chēng)分布的三個(gè)檢測(cè)模塊和分別位于檢測(cè)模塊上下兩端的外部框架。檢測(cè)模塊分別安裝在外部框架的卡槽內(nèi)，以保證三個(gè)檢測(cè)模塊同步地沿纜索爬升。檢測(cè)模塊為模塊化設(shè)計(jì)，由主動(dòng)單元、檢測(cè)探頭、磁化單元和從動(dòng)單元組成。磁化單元為檢測(cè)模塊的主體部分，用于磁化纜索，同時(shí)保證檢測(cè)模塊吸附于纜索表面；主動(dòng)單元和從動(dòng)單元分別安裝于磁化單元兩端，用來(lái)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊沿纜索上下運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)探頭安裝于磁化吸附單元中間位置，用于檢測(cè)缺陷產(chǎn)生的信號(hào)。當(dāng)被檢纜索直徑較大時(shí)，可通過(guò)在檢測(cè)模塊之間安裝輔助檢測(cè)探頭的方法防止漏檢；輔助檢測(cè)探頭可快速安裝拆卸，增加了檢測(cè)裝置的靈活性。

圖4 纜索漏磁檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置利用磁化纜索的磁化力作為爬升運(yùn)動(dòng)的壓緊力，同時(shí)只有三個(gè)檢測(cè)模塊，使整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，且對(duì)纜索表面護(hù)套無(wú)損傷。同時(shí)，檢測(cè)裝置為模塊化設(shè)計(jì)，易于拼裝重組，安裝方便；磁化吸附單元可根據(jù)纜索直徑不同相應(yīng)替換，適用于不同直徑的纜索檢測(cè)。

圖5為檢測(cè)裝置在已制作內(nèi)部斷絲缺陷的纜索上進(jìn)行檢測(cè)得到的信號(hào)。位于通道1所對(duì)應(yīng)探頭的正下方，當(dāng)檢測(cè)探頭掃描經(jīng)過(guò)斷絲位置時(shí)能夠獲得明顯的漏磁信號(hào)。

圖5 纜索缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)

2.4 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)法

磁致伸縮導(dǎo)波方法檢測(cè)纜索的原理如圖6所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈在纜索中產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng)。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，該瞬態(tài)磁場(chǎng)在線圈包圍的纜索中產(chǎn)生彈性形變，成為超聲波的振源，在構(gòu)件中產(chǎn)生彈性波。當(dāng)遇到缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射回波。反射回波通過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)，受逆磁致伸縮效應(yīng)的影響，在檢測(cè)線圈中會(huì)感應(yīng)到應(yīng)變引起的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)預(yù)處理、A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，即可獲取缺陷信息。另外，為提高磁致伸縮的能量轉(zhuǎn)換效率，須在磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生區(qū)域通過(guò)磁化器施加偏置磁場(chǎng)。

圖6 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)原理示意圖

1990年，美國(guó)西南研究院無(wú)損評(píng)估組Kwun［15－16］等首次利用磁致伸縮效應(yīng)成功激勵(lì)出了導(dǎo)波，用于斜拉橋纜索的缺陷檢測(cè)，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的導(dǎo)波檢測(cè)儀。Rizzo等［17］與美國(guó)聯(lián)邦公路管理局無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)證中心合作開(kāi)發(fā)了磁致伸縮導(dǎo)波傳感器，并較為細(xì)致地研究了纜索中的應(yīng)力測(cè)量、缺陷檢測(cè)及導(dǎo)波的傳播特性。華中科技大學(xué)［18－19］的研究人員利用自主研制的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)室對(duì)纜索進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。圖7為該系統(tǒng)在檢測(cè)具有內(nèi)部斷絲缺陷的纜索時(shí)獲得的缺陷信號(hào)。

圖7 纜索斷絲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)

圖8為該系統(tǒng)在江蘇省潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋的吊桿檢測(cè)照片及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)波形，能夠準(zhǔn)確獲得兩吊桿之間用于固定的卡箍的回波信號(hào)。

圖8 磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，聲發(fā)射技術(shù)已成功應(yīng)用于在役纜索損傷監(jiān)測(cè)，但長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)耗費(fèi)昂貴，并不適合大部分橋梁；射線檢測(cè)對(duì)環(huán)境污染，檢測(cè)時(shí)有可能需要對(duì)橋梁封閉，影響正常交通，并不適合于橋梁纜索檢測(cè)的大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。從檢測(cè)原理上講，磁性檢測(cè)法和磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)方法是纜索損傷檢測(cè)比較有前途的方法，特別是將兩種方法結(jié)合起來(lái)，一方面利用磁致伸縮低頻導(dǎo)波對(duì)索體進(jìn)行快速掃查，發(fā)現(xiàn)可疑部位后，再用磁性法進(jìn)行精細(xì)掃查，可提高纜索檢測(cè)效率；另一方面，也可直接用磁致伸縮高頻導(dǎo)波對(duì)纜索錨固區(qū)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)纜索的無(wú)盲區(qū)檢測(cè)。該研究將促進(jìn)橋梁纜索無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的深入發(fā)展。

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