李 翔，辛榮亞，張啟偉

（同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海市200092）

0 引言

近三十年來，我國橋梁建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展。索支撐橋梁在跨徑200 m～2 000 m的范圍內(nèi)具有競爭力，覆蓋了橋梁跨徑范圍的90%。纜索作為索支撐橋梁的主要承重構(gòu)件之一，拉索的質(zhì)量狀況對于索支撐橋梁的運(yùn)營安全有直接影響。我國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)纜索內(nèi)鋼絲腐蝕造成該拉索鋼絲總面積損失超過10%時，必須換索[1]。電磁無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼絲繩、管道檢測領(lǐng)域，在橋梁纜索檢測方面上也在不斷發(fā)展。

在電磁無損檢測的過程中，當(dāng)檢測設(shè)備運(yùn)行到被檢材質(zhì)端部區(qū)域時，端部磁場傳播的幾何環(huán)境發(fā)生變化，電磁信號會產(chǎn)生一定的漂移，這種現(xiàn)象在電磁無損檢測中稱為端部效應(yīng)。

目前，在電磁無損檢測中，根據(jù)損傷的不同性質(zhì)和狀況，可以將損傷分為兩大類：局部缺陷（Local i zed Faul t）和金屬面積損失（Loss of M at el l i c Area），并分別簡稱為LF型和LM A型。通過漏磁檢測識別LF型損傷，通過磁通檢測識別LM A型損傷。端部效應(yīng)在兩種損傷模式的表現(xiàn)不同。

在漏磁檢測方面，張武翔、康宜華、武新軍等人基于單線圈開路磁化的方式分析了鋼棒漏磁檢測的端部效應(yīng)[2]，端部盲區(qū)約有0.53 m；在磁通檢測方面，金健華、康宜華、楊叔子等人基于磁橋路法[3]對油管壁厚的測量進(jìn)行了研究，觀測到油管端部0.8 m范圍內(nèi)的端部效應(yīng)[4]，發(fā)現(xiàn)磁通信號出現(xiàn)較小幅度的漂移。

筆者采用LRM-XXI鋼絲繩診斷系統(tǒng)對無損的橋梁纜索試件進(jìn)行磁通檢測。該診斷系統(tǒng)磁通檢測原理與磁橋路法相近，通過測定回路磁通的磁通分量進(jìn)行損傷識別，當(dāng)纜索出現(xiàn)一定長度的鋼絲銹蝕或磨損，鋼絲的有效金屬面積發(fā)生折減，測得的磁通量也隨之減小，無缺陷時，測得的磁通量理論不發(fā)生變化。在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)端部磁通信號存在較大幅度的上升，且信號漂移區(qū)較長。

目前在鋼管和鋼棒探傷領(lǐng)域已經(jīng)研究出了相應(yīng)的端頭檢測技術(shù)，通過在端部添加引體[5]改變端頭磁場區(qū)域特性。由于橋梁纜索端部處于相對封閉的的環(huán)境中，這種添加引體的技術(shù)難以在橋梁纜索中得以應(yīng)用，因此需要對橋梁纜索中的端部效應(yīng)進(jìn)行研究。

本文通過模型試驗(yàn)對橋梁纜索的端部效應(yīng)進(jìn)行分析，以期找出端部效應(yīng)的機(jī)理和變化規(guī)律。

1 橋梁纜索端部效應(yīng)的形成原因分析

橋梁纜索端部效應(yīng)的原因主要有以下三方面：

（1）在電磁無損檢測的過程中，當(dāng)檢測設(shè)備運(yùn)行到橋梁纜索端部區(qū)域時，在鋼絲縫隙中，鋼絲與外部空氣間的漏磁場產(chǎn)生變化，漏磁場的變化與纜索鋼絲端部的幾何形狀和邊界條件有關(guān)，這將影響電磁無損檢測的精度。

（2）在磁化過程中，鋼絲被磁化后在端部形成磁極，并產(chǎn)生與外磁場方向相反的退磁場。在端部退磁場的變化也將影響電磁無損檢測的精度。

（3）橋梁纜索是由近百根鋼絲組成的實(shí)體，在磁性檢測中具有大提離、難磁化的特點(diǎn)[6、7]，為了檢測橋梁纜索的缺陷，得到重復(fù)性良好的穩(wěn)定信號，需要對橋梁纜索反復(fù)磁化以使鋼絲得到磁鍛煉。由于鐵磁性材料的磁滯特性，纜索內(nèi)部將產(chǎn)生較大的剩磁[8、9]，剩磁的分布與纜索鋼絲的幾何形狀和磁化歷史有關(guān)，這也將影響電磁無損檢測的精度。

在電磁無損檢測分析中，大多采用等效磁路法和有限元法。但等效磁路法僅考慮鋼絲相互間、鋼絲與外部空氣間漏磁場作用下的端部效應(yīng)，無法考慮退磁場效應(yīng)和剩磁的影響，且等效磁路法精度受限于等效路徑的選取和等效磁阻的定量模擬；有限元法雖能計(jì)算鋼絲相互間、鋼絲與外部空氣間漏磁場和磁化過程中鋼絲自身退磁場共同作用下的端部效應(yīng)，但難以計(jì)量反復(fù)磁化后纜索鋼絲內(nèi)部的剩磁。

現(xiàn)采用LRM-XXI鋼絲繩診斷系統(tǒng)，進(jìn)行磁通檢測模型試驗(yàn)，探究這種復(fù)雜磁場變化的端部效應(yīng)。

2 磁通檢測模型試驗(yàn)

2.1 磁通檢測模型試驗(yàn)的原理

在磁通檢測模型試驗(yàn)中，先使用永磁體或通電線圈對纜索構(gòu)件進(jìn)行勵磁至磁化飽和狀態(tài)，再測試磁回路中磁通量的大小。該模型試驗(yàn)采用LRM-XXI鋼絲繩診斷系統(tǒng)，通過測定導(dǎo)出磁通量進(jìn)行損傷識別，檢測原理如圖1所示。

圖1 導(dǎo)出磁通量檢測原理圖

橋梁纜索采用的鋼絲為鐵磁性材料，其導(dǎo)磁能力顯著高于鋼絲的銹蝕產(chǎn)物與鋼絲磨損產(chǎn)生的碎屑。當(dāng)纜索出現(xiàn)一定長度的鋼絲銹蝕或磨損，鋼絲的有效金屬面積發(fā)生折減，磁回路中磁軛的磁通信號隨之變小，與磁軛并聯(lián)的導(dǎo)流裝置中的導(dǎo)出磁通量也隨之變小。

當(dāng)橋梁纜索鋼絲無截面積損傷時，理論上，測試的磁通信號應(yīng)不發(fā)生變化，呈一條平整的直線。

2.2 磁通檢測模型試驗(yàn)平臺的搭建

在磁通檢測模型試驗(yàn)中，采用4m長度的短索模型和10.5m長度的長索模型分析端部效應(yīng)。短索模型采用鋁管作為模型的骨架，鋁的相對磁導(dǎo)率與空氣相近。鋁管作為骨架不會干擾磁性檢測信號，通過填充鋼絲模擬橋梁拉索，填充鋼絲根數(shù)103根，該拉索可視為φ7-103平行鋼絲索，短索模型斷面如圖2所示。長索模型在纜索廠訂做，采用φ7-121平行鋼絲索。

圖2 短索模型斷面圖

短索模型試驗(yàn)平臺主要由索體、勵磁設(shè)備、電動絞盤及電源、信號采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成（見圖3）。短索模型水平放置，勵磁設(shè)備通過電動絞盤的牽引在短索模型上不斷前進(jìn)。短索模型長4 m，檢測設(shè)備可自由行走段約為2.5 m，采樣間隔2.5 m m。

長索模型試驗(yàn)平臺構(gòu)成與短索模型試驗(yàn)平臺構(gòu)成類似，但是需要更長的檢測空間。長索模型斜向放置，模型一端固定在混凝土墻體，一端固定在地面。長索模型檢測設(shè)備自由行走長度約為9.0 m，采樣間隔2.5 m m，試驗(yàn)平臺如圖4所示。

圖4 長索模型試驗(yàn)平臺之實(shí)景

2.3 試驗(yàn)流程與內(nèi)容

磁通檢測模型試驗(yàn)分為兩部分：

試驗(yàn)A：測試短索模型與長索模型在不同采樣距離下的磁通信號，試驗(yàn)共分為2組，分析了長度變化對端部效應(yīng)的影響。

試驗(yàn)B：測試不同直徑下短索模型端部磁通信號波動幅值。在試驗(yàn)中，通過抽出鋁管骨架的鋼絲來模擬直徑的變化，以對稱抽出4根鋁管骨架中的鋼絲為一組試驗(yàn)，試驗(yàn)共分為6組，測試了抽出鋼絲數(shù)從0～20時端部磁通信號波動幅值的變化。分析了直徑變化對端部效應(yīng)的影響。

2.4 試驗(yàn)A結(jié)果的分析

在模型試驗(yàn)中，測試了不同采樣距離下，短索模型和長索模型磁通信號曲線。長索模型采樣距離較長，為避免信號的溢出，信號采集系統(tǒng)采用了不同的靈敏度進(jìn)行磁通檢測試驗(yàn)。以自由行走長度起點(diǎn)為零點(diǎn)，繪制不同采樣距離下的磁通信號曲線。

在不同采樣距離下，短索模型磁通信號的變化曲線如圖5所示。

圖5 短索模型磁通信號變化曲線圖

由圖5分析可知，短索模型在自由行走長度內(nèi)無平緩段，在端部磁通信號明顯上升。此時，設(shè)置靈敏度為S1，端部效應(yīng)產(chǎn)生的信號波動約為57.95 m v。為評價該波動對磁通檢測損傷的干擾，測試了單根鋼絲引起的磁通信號波動。短索模型中單根鋼絲引起的信號波動約為10.40 m v，端部效應(yīng)產(chǎn)生的信號波動相當(dāng)于單根鋼絲信號波動的5.57倍。經(jīng)過換算，考慮到短索模型中鋼絲根數(shù)為103根，單根鋼絲對應(yīng)的截面積損失率為1/103，端部效應(yīng)引起的信號波動所對應(yīng)截面積損失率為5.41%。

在不同采樣距離下，長索模型磁通信號的變化曲線如圖6所示。

圖6 長索模型磁通信號變化曲線圖

由圖6分析可知，長索模型在自由行走長度中部區(qū)域有平緩段，在端部2 m～3 m范圍內(nèi)磁通信號明顯上升。此時，設(shè)置靈敏度為S2，端部效應(yīng)產(chǎn)生的信號波動約為130.43 m v。為評價該波動對磁通檢測損傷的干擾，測試了單根鋼絲引起的磁通信號波動。長索模型中單根鋼絲引起的信號波動約為81.51 m v，端部效應(yīng)產(chǎn)生的信號波動相當(dāng)于單根鋼絲信號波動的1.60倍。經(jīng)過換算，考慮到長索模型鋼絲根數(shù)121根，單根鋼絲對應(yīng)的截面積損失率為1/121，端部效應(yīng)引起的信號波動所對應(yīng)截面積損失率為1.32%。

在模型試驗(yàn)中，纜索鋼絲無截面積損傷，但測試的磁通信號在端部區(qū)域均存在漂移現(xiàn)象。以單根鋼絲產(chǎn)生的信號波動為標(biāo)定值，則短索模型的端部效應(yīng)更為顯著。隨著長度的增大，端部效應(yīng)減弱，端部效應(yīng)引起的信號波動所對應(yīng)的鋼絲總面積的波動變小。

2.5 試驗(yàn)B結(jié)果的分析

在模型試驗(yàn)中，通過抽出短索模型鋁管骨架中的鋼絲來模擬纜索直徑變化。在同一靈敏度下，測試了抽出不同鋼絲根數(shù)時，磁通信號隨采樣距離的變化曲線，計(jì)算了抽出不同鋼絲根數(shù)時端部效應(yīng)的波動值ΔU，等效分析了直徑變化對端部效應(yīng)的影響，如圖7所示。

圖7 端部效應(yīng)幅值隨抽出鋼絲數(shù)量變化曲線圖

由圖7分析可知：抽出鋼絲量越多，即纜索等效直徑越小，端部效應(yīng)的波動值ΔU越大，端部效應(yīng)越顯著。這說明纜索直徑越小，端部效應(yīng)越強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）在永磁激勵開路磁化方式下，橋梁纜索的端部區(qū)域存在信號漂移現(xiàn)象，信號漂移區(qū)覆蓋端部2～3 m范圍。

（2）短索模型中端部效應(yīng)引起的信號波動大概相當(dāng)于5.41%的截面積損失率；長索模型中端部效應(yīng)引起的信號波動大概相當(dāng)于1.32%的截面積損失率。

（3）端部效應(yīng)隨著纜索長度的增加而減弱，隨著纜索直徑的增大而減弱。