祝奔奔+萬舟+沈天舒+劉東生

摘要：針對電塔的錨桿腐蝕性問題，使用一種基于聲發(fā)射技術的錨桿腐蝕檢測方法，根據經典力學和彈性力學為基礎的彈性波特征，推導出錨桿在錨固狀態(tài)的震動規(guī)律，進而推導出在人工給錨桿的激勵下，錨固狀態(tài)的錨桿內聲發(fā)射信號的傳播規(guī)律，利用聲發(fā)射傳感器接收聲波信號，對得到的聲信號進行小波分析得出對比結論。實驗結果表明，該方法可以有效地了解錨桿的腐蝕情況。

關鍵詞：錨桿腐蝕；聲發(fā)射；彈性波；小波分析

0 引言

電塔錨桿是用來支護電塔基礎設施的核心構件，錨固在深層穩(wěn)定的巖土體上，為高塔輸電塔提供拉力。因此，錨桿的受腐蝕程度直接影響著電塔工作的穩(wěn)定性。而錨桿的腐蝕程度受到地質因素、天氣變化等各種因素的影響，經常會在表面或者截面發(fā)生腐蝕，使錨桿的安全運營存在長久的隱患。

現階段檢測電塔錨桿腐蝕程度的方法都存在一些不足，有時強調了實時性而忽略了錨桿的耐久性，同時抽樣檢測并不能全面的檢測電塔錨桿腐蝕情況，具有一定的隨機性，傳統(tǒng)的錨桿腐蝕檢測方法不能做到統(tǒng)籌兼顧，具有一定的缺陷。因此，本文應用一種基于聲發(fā)射技術的電塔錨桿腐蝕檢測方法，該方法快捷，有效，具有無損檢測的特點，可應用于大量的錨桿腐蝕檢測。

1 喵桿喵固的基本原理

錨桿的錨固端是錨固在深層穩(wěn)定的巖土體上，依靠錨固與巖土體的相互作用來提供拉力，使電塔保持穩(wěn)定。工程使用的錨桿通常由三部分組成：錨頭、自由錨桿段和固定錨桿段如圖1所示。

錨頭位于錨桿底部，錨桿的預應力由錨頭來實現，并將錨桿的錨固力直接傳送作用于結構。自由段是錨桿固定段至螺母的懸空段，自由段沒有拉力傳遞到周圍的土壤，它放置在無摩擦組合式連接套管，對錨固力進行傳輸加強。

2 錨桿在人工激勵作用下的振動規(guī)律

設定實驗室中的錨桿是一個長度為L，材質均勻分布等截面的，設定錨桿的材質密度均勻分布為ρ，單位橫截面的抗拉剛度為ES（x），E為彈性模量，S（x）為橫截面積?，F在在距離錨桿一端x處有一微元單位長度為dx，那么在時間t時x處橫截面的縱向位移用μ（x，t）表示，如圖2所示，即u（x，t）是關于截面單元位置x與時間τ的二元函數，取微段d，則應變占為：

由彈性力學理論可知，在x處和x+dx處的單

觀察式（3），發(fā)現只要知道截面S（x）便可求出到（3）的解，而對于一維均勻線性桿件S（x）是常量。因此經過簡化，式（3）可以寫為以下形式：即：

式（5）即為應力波在一維彈性、自由桿件中傳播的波動方程。

式（5）中，

為錨桿中應力波的傳播速度。對式（5）波動方程進行求解，其解的形式為：

μ（x， t）=x（x）（acosωt+bsinωt）（6）式中X（x）是關于位置x的函數，其中a.b為常數，∞為角頻率。將上式（6）代入式（5）中，并對變量X（x）進行分離得到：

式（7）是關于X（x）的二階線性微分方程，該方程可以求出解：

式（9）即為錨桿體內應力波縱向振動的波動方程的解。式中c、d為常數，其值取決于邊界條件，經分析后發(fā)現應力波在一維均勻線性分布的細桿中是幾簇簡諧波的疊加。

同理，根據初始邊界條件可求出參數C_n、d_n代入上述方程可得到：

式（ 10）即為錨桿圍巖體內縱向傳播的波動方程解。根據式（ 20）可以看出，在錨固狀態(tài)下的錨桿的振動規(guī)律是一簇帶有阻尼衰減的簡諧波的疊加。

3 聲發(fā)射檢測原理及傳感器的制作

3.1聲發(fā)射原理

材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關的源，被稱為發(fā)射源。其材料中局部區(qū)域應力集中，快速釋放能量并產生瞬時的彈性波現象稱為聲發(fā)射。

3.2聲發(fā)射傳感器的制作

本課題研制的一種接觸式聲發(fā)射傳感器結構示意圖。結構內容主要為，傳感器殼體的邊緣的聲匹配層和傳感器殼體的內表面用耦合劑耦合靠永磁體磁力吸附在物體表面上，聲發(fā)射信號從物體內穿過耦合界面透射入PVDF壓電薄片內，使壓薄片產生諧振變形，壓電薄片由于壓電效應能夠將諧振物理量轉化為電荷進行輸出。示意圖如圖3所示：

4 聲發(fā)射信號的處理與研究

4.1 聲信號的小波變換

小波變換是一種時頻分析法，它能夠把將信號分解成在不同尺度的空間上的頻率分布，不同尺度空間能夠反映出信號的頻率成份。小波變換能夠實現信號在高頻處時間細分，在低頻處頻率細分，能白動適應時頻信號分析的要求進行白行調節(jié)。小波變換可以對信號的進行多分辨力進行分析。

小波是由一個滿足條件：的函數ψ（t），通過線性關系進行平移和伸縮而產生的函數簇：

a，b∈R，a≠O

其中，ψ（t）稱為小波基或母小波，a為伸縮因子（尺度因子），6為平移因子。

任意L²（R）空間中的函數f（t）在小波基下展開，稱這種展開為函數f（t）的連續(xù)小波變換，其表達式為：式（ 13）中基小波為高斯小波，表達式為：

對應的傅里葉變換為：

由上述可推出尺度參數a為：

式中ω為小波基的頻率帶通中心，df=1.O/Ndt，為信號f（t）的采樣頻率，dt為采樣間隔，Ⅳ為采樣點數，dω=2π/N。

另外，利用小波基可以重構聲發(fā)射信號，并且根據噪聲的特征將噪聲的尺度置為零也可以達到去噪的效果，這種去噪方法在聲發(fā)射中也經常用到，本課題中關于使用小波去噪的方法為硬閾值去噪，即直接將噪聲的小波部分的尺度去除。

4.2 聲信號對比

根據以上闡述的不同激勵源，首先實驗一根一米長的錨桿，進行實驗并檢測聲發(fā)射信號記錄，對其進行上述的時頻分析，分別獲得了時頻分析效果圖。兩種不同的激勵源下接受到的信號如圖4所示。從波形上看，信號的區(qū)別不是很大，對信號進行初步的濾波之后再進行小波變換得到如圖5的小波變換圖。通過對比，同一道錨桿在經過不同的激勵源的激勵下產生的信號中，主頻的位置沒有發(fā)生大的偏移，所以激勵源的類型對于錨桿的聲發(fā)射信號的影響很小可以忽略因此，因此，激勵源的類型不會影響錨桿的聲發(fā)射源。并且這為之后的實地工件的檢測帶來了便利，力錘敲擊適用于各種場合。endprint

4.3 錨桿的聲發(fā)射信號處理及分析

實驗選擇了一種材質的錨桿作為典型進行實驗.著重檢測錨桿的腐蝕聲發(fā)射信號。在實驗事件的其中兩件分別進行開口處理模擬腐蝕情況，剩下的其他試件的錨桿的參數嚴格按照實地制作樣本錨桿試件，本文中錨桿桿體材質是精軋螺紋鋼，并在錨桿的一端留出由鍛并粘貼上聲發(fā)射傳感器。

對錨桿樣本進行檢測時，篩選出典型的連續(xù)型聲發(fā)射曲線。對于H{現的其他信號類型直接作為大誤差檢測樣本直接剔除。本次測試錨桿自由段波速為5120m/s，錨固體波速為4400m/s。

1#：錨桿長2.lm，直徑2.8cm；直徑5cm；鋼筋自由段長度0.26m；無缺陷，為健康錨桿。

綜合圖6-8可以看出：1#錨桿檢測波形規(guī)則、振幅比較均勻、衰減較快且有規(guī)律時頻分析顯示，該曲線有三個能量較集中的主頻、頻帶較集中，從能量的衰減與頻率的分布進而判定該錨桿為健康錨桿。

2#：錨桿長2.lm，直徑2.8cm；直徑Scm；鋼筋自由段長度0.2 6m，在距離錨桿上端約17cm處設計有一小口來模擬錨桿的點腐蝕情況，并且是在自由段發(fā)生點腐蝕，該錨桿是一個腐蝕的錨桿。

綜合圖9-11可以看出：2#錨桿檢測波形急劇變化，衰減不是很陜，時頻分析顯示，該曲線的主頻有兩個能量較強的峰值和4個能量較小的峰值，頻帶不是很集中，從能量的衰減與頻率的分布來判定該錨桿為腐蝕錨桿。

3#：錨桿長2.lm，直徑2.8cm；錨桿自由段長度1.6 5m，將腐蝕位置放置于錨固段，以此模擬錨固段發(fā)生腐蝕，該錨桿是腐蝕的錨桿。

綜合圖12-14可以看出：3#錨桿檢測波形不規(guī)則、振幅較小、衰減較快且有規(guī)律。時頻分析顯示，該曲線的有兩個主峰，兩個副峰，頻帶較集中，故從得到的該錨桿的能量的衰減與頻率的分布，判定該錨桿為腐蝕錨桿。

4.3 現場聲信號采集分析

拾取某施工地剛產出的錨桿，對其進行不同程度的破壞（模擬腐蝕程度）作為樣本，分為四個檔次，依次為無腐蝕、腐蝕程度較小、腐蝕程度一般、腐蝕程度嚴重。然后對的樣本錨桿進行錨桿腐蝕檢測工作。對比采集到的聲發(fā)射信號如圖15-18。

對采集到的信號分別進行時頻分析，得到以下分析圖19-圖22。

由圖19可知該錨桿能量衰減快、頻帶集中，屬于無腐蝕的錨桿樣品的時頻圖類似。

由圖20可知該錨桿能量衰減較快、頻帶較集中、局部不密實，與無腐蝕的錨桿樣品曲線相比總體上較吻合。綜合分析可知，波形較圖13分散，判定該錨桿腐蝕程度較小。

由圖21可知該錨桿能量衰減較慢、頻帶較寬、局部缺陷，與無腐蝕的錨桿樣品曲線相比大體上較吻合。綜合分析可知，判定該類錨桿具有一定腐蝕。

由圖22可知該錨桿能量衰減緩慢、頻帶分布范圍大，與無腐蝕的錨桿試件相比都有幾個特點，有多個能量較強的峰值和多個能量較小的峰值，頻帶很分散，判定該錨桿腐蝕程度嚴重。

綜上分析，服役的錨桿都處于一種健康良好的狀態(tài)，并且通過對比錨桿試件總結出錨桿的聲發(fā)射曲線及時頻特征（見表1），為錨桿錨固質量評價提供依據。

錨桿曲線及時頻特征如表l所示。

5 結束語

最后進行實際應用分析，通過對實地T‘程件進行聲發(fā)射信號的采集，分別對不同試件的錨桿進行多次的數據，得到不同服役期和對不腐蝕試件的T程件的聲發(fā)射信號波形圖，利用時頻分析的實測曲線的分布規(guī)律，對實地工程件的波形圖進行對比分析，最終得以驗證了該方法的可行性。endprint