唐堂 魏勇

【摘要】磁導(dǎo)波技術(shù)是利用磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)的新型測(cè)量技術(shù)，可以對(duì)拉索和吊桿內(nèi)部銹蝕進(jìn)行測(cè)量，微波雷達(dá)是采用雷達(dá)遙感和差分干涉技術(shù)，能對(duì)吊桿的索力進(jìn)行測(cè)量。文章以攀枝花倮果金沙江大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，使用微波雷達(dá)和磁導(dǎo)波測(cè)試原理對(duì)鋼管混凝土拱橋的吊桿索力和內(nèi)部銹蝕進(jìn)行了研究，并進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定。通過結(jié)果表明：微波雷達(dá)和磁導(dǎo)波技術(shù)具有檢測(cè)速度快、效率高，無需開窗、受干擾小等特點(diǎn)，非常適合吊桿的檢測(cè)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】磁導(dǎo)波; 微波雷達(dá); 吊桿; 索力; 銹蝕

【中國(guó)分類號(hào)】U446.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

近年來我國(guó)發(fā)生多起因吊桿斷裂引起拱橋整體結(jié)構(gòu)破壞的重大事故，吊桿的損傷及破壞已成為危及拱橋安全的重要因素。目前應(yīng)對(duì)橋梁吊桿損傷或失效引起橋梁巧塌事故問題的主要方法是對(duì)吊桿進(jìn)行定期的養(yǎng)護(hù)和檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錨頭損傷和銹蝕、防護(hù)裝置失效或者PE護(hù)套開裂[1]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要是人工檢查，如觀察繩索護(hù)套是否有開裂、裂紋等損傷，拆下錨固頭防護(hù)罩以觀察錨固區(qū)是否存在積水、腐蝕等問題。人工檢查方法無法對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效地檢查，并且效率低下。目前對(duì)吊桿進(jìn)行無損檢測(cè)有兩個(gè)方面，一方面是索力的測(cè)試研究，通過研究橋梁吊桿索應(yīng)力及其變化了解索體的整體狀況。另一方面是索體內(nèi)部腐蝕及斷絲的無損檢測(cè)，了解索體內(nèi)部的健康狀況。

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)吊桿內(nèi)部銹蝕是利用彈性波在傳播過程中遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射，通過導(dǎo)波傳感器探頭將反射信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)從而檢測(cè)吊桿內(nèi)部銹蝕的方法。該方法不需要和吊桿內(nèi)部平行鋼絲直接接觸，而是利用平行鋼絲材料本身的磁致伸縮效應(yīng)，因此在拱橋吊桿這類具有護(hù)套的纜索內(nèi)部銹蝕檢測(cè)上更為適用。在測(cè)試吊桿索力方面，微波雷達(dá)測(cè)量是一種全新的吊桿索力振動(dòng)測(cè)試方法，它是通過發(fā)射和接收雷達(dá)波來測(cè)量拉索的頻率等振動(dòng)特性參數(shù)，從而得出拉索索力等。該測(cè)試方法具有非接觸式測(cè)量，測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)外一些學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了研究，而在吊桿測(cè)試應(yīng)用領(lǐng)域，其研究相對(duì)較少。本文通過實(shí)際吊桿拱橋，分別采用磁致伸縮導(dǎo)波和微波雷達(dá)對(duì)吊桿技術(shù)狀況進(jìn)行研究。

1 微波雷達(dá)索力測(cè)試原理

1.1 微波雷達(dá)測(cè)量

微變形雷達(dá)是基于干涉測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)吊桿受力狀態(tài)的一款檢測(cè)設(shè)備。測(cè)量時(shí)，該產(chǎn)品無需在拉索或吊桿上安裝任何輔助設(shè)施，離測(cè)量對(duì)象一定距離，發(fā)射微波信號(hào)，通過反射接收后的信號(hào)計(jì)算相位，通過兩次發(fā)射相位差來測(cè)量拉索或吊桿的振動(dòng)位移[2]，如圖1所示。

雷達(dá)工作波長(zhǎng)λ;第一次目標(biāo)測(cè)量相位φ1;第二次測(cè)量相位φ2;兩次測(cè)量間目標(biāo)在雷達(dá)視線上的位移量d。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率、初始相位分別為f0、φ0，則發(fā)射信號(hào) VT、回波信號(hào) VR分別可以表示為：

式中：A為發(fā)射信號(hào)的幅度，η為回波信號(hào)幅度的衰減系數(shù)，φ為回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相位差。

相位差φ與發(fā)射信號(hào)頻率 f0和回波信號(hào)時(shí)間延遲T相關(guān)：φ=2πf0T;而回波信號(hào)時(shí)間延遲T與目標(biāo)離雷達(dá)的距離L的關(guān)系滿足式（3）：

式中：c為微波信號(hào)的傳播速度。則相位差φ與距離L 的關(guān)系又可以表示為式（4）：

由于相位測(cè)量存在一個(gè)周期性的模糊問題，即總的相位φ為φ=N×2π+φ，而在實(shí)際相位測(cè)量時(shí)，不能得到圖1中相位差φ的整周期部分N×2π，只能得到相位差φ的余數(shù)部分φ=φ-N×2π。然而，這并不影響目標(biāo)位移的測(cè)量。將相位差φ=N×2π+φ代入式（ 4） 可得：

進(jìn)而，距離L可以表示為：

又有：λ=c/f0，式（6） 進(jìn)一步表示為式（7）。

當(dāng)目標(biāo)發(fā)生移動(dòng)、且移動(dòng)量小于微波周期半長(zhǎng)度λ/2時(shí)，可以認(rèn)為相位差φ的距離整周期部分保持不變，距離L的變化量?jī)H體現(xiàn)在式（ 7） 的第一項(xiàng)中，對(duì)式（ 7） 差分，可以得到目標(biāo)位移為式（8）。

同時(shí)，將相位差 φ=N×2π+φ代入式（2） ，回波信號(hào)也可以表示為式（9）。

因此，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過測(cè)量回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間相位差余數(shù)部分 φ 的變化量，即可得到目標(biāo)的動(dòng)態(tài)位移量。最后利用FFT（快速傅里葉變換）將動(dòng)位移時(shí)域特征轉(zhuǎn)換為吊桿的頻率特征。

1.2 索力測(cè)試

頻率法測(cè)量吊桿索力是利用吊桿自振頻率與吊桿索力的弦振動(dòng)原理進(jìn)行索力測(cè)量。通常情況下，吊桿索力計(jì)算公式為式（10）[3]。

式中 ：T為吊桿的索力，m為單位長(zhǎng)度吊桿的質(zhì)量，L為吊桿的計(jì)算長(zhǎng)度，fn 為吊桿的第n階自振頻率，n為振動(dòng)階數(shù)。

2 磁致伸縮導(dǎo)波測(cè)試原理及銹蝕評(píng)定

2.1 磁致伸縮導(dǎo)波測(cè)試原理

磁伸縮導(dǎo)波是通過施加交變磁場(chǎng)后磁性物體后產(chǎn)生的。吊桿的導(dǎo)波的激勵(lì)和檢測(cè)就是基于磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的?；谏鲜鲈?，在檢測(cè)對(duì)象上纏繞線圏，并在激勵(lì)線圈中通入交變電流，產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)作用在被檢測(cè)材料上，鐵磁性材料會(huì)在交變感應(yīng)的作用下發(fā)生磁致伸縮正效應(yīng)，從而在檢測(cè)對(duì)象上激勵(lì)出導(dǎo)波。沿著被檢測(cè)傳播的導(dǎo)波遇到缺陷等聲阻抗不連續(xù)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)反射回來。反射的導(dǎo)波經(jīng)過接收線圈時(shí)，會(huì)引起鐵磁性材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，從而使周圍磁場(chǎng)發(fā)生變化。接收線圏接收到磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而判斷缺陷的位置和大小[4-5]。磁致伸縮導(dǎo)波索桿檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見圖2。

2.2 吊桿銹蝕斷絲評(píng)定

在JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[6]中對(duì)吊桿拱橋的吊桿的銹蝕、斷絲的評(píng)定作了規(guī)定。但該評(píng)定方法主要基于人工主觀經(jīng)驗(yàn)的定性判斷，缺乏具體的定量判斷指標(biāo)，在具體的吊桿技術(shù)狀況評(píng)定中實(shí)際指導(dǎo)性和可操作性強(qiáng)。同時(shí)，在GB/T 28704-2012《無損檢測(cè)磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法》[7]中規(guī)定：磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷信號(hào)按反射回波的信號(hào)幅度與已采用對(duì)比試件繪制的距離-波幅曲線進(jìn)行比對(duì)分級(jí)，反射波幅在Ⅰ區(qū)的為Ⅰ級(jí)，在Ⅱ區(qū)的為Ⅱ級(jí)，在Ⅲ區(qū)的為Ⅲ級(jí)。吊桿磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度分類及分析如表1所示。

3 實(shí)橋測(cè)試及結(jié)果分析

攀枝花倮果金沙江大橋位于攀枝花市東區(qū)銀江鎮(zhèn)倮果境內(nèi)，橫跨金沙江。橋梁主跨160 m，全長(zhǎng)208 m，橋面總寬15 m。橋梁橋縱向布置為2×8 m（鋼筋混凝土空心板）+160 m（中承式鋼管混凝土箱型肋拱橋）+3×8 m（鋼筋混凝土空心板），橫向布置為：3 m（人行道）+12.0 m（行車道）+3 m（人行道）。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20級(jí)，掛車-120。該橋于1995年10月竣工，2003年對(duì)大橋進(jìn)行了維修加固。2012年12月10日下午6點(diǎn)15分，攀枝花市區(qū)倮果金沙江大橋一根吊桿（OVMDS7-85Ⅲ，為組合式鐓頭錨吊桿）突然脫落，導(dǎo)致橋面出現(xiàn)“V”字形塌陷，存在嚴(yán)重安全隱患。橋梁于2013年在維修加固中將單吊桿改成雙吊桿。倮果金沙江大橋立面圖和V字型塌陷圖見圖3、圖4。本次對(duì)跟換后的吊桿進(jìn)行了索力和內(nèi)部銹蝕檢測(cè)[8]。

采用微波雷達(dá)儀對(duì)倮果金沙江大橋的吊桿進(jìn)行了索力檢測(cè)。測(cè)試將設(shè)備架設(shè)到通視條件良好的位置，向吊桿發(fā)射微波，接收器接收吊桿返回的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)和散射信號(hào)，根據(jù)發(fā)射信號(hào)確定吊桿與設(shè)備之間的距離，判斷出吊桿位置，同時(shí)，根據(jù)散射信號(hào)，將吊桿動(dòng)位移時(shí)程曲線（圖5）通過快速傅里葉變換（FFT），得到吊桿的自振頻率，再計(jì)算出吊桿索力。詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果見圖6。分析可以得出：

（1）左側(cè)吊桿實(shí)測(cè)索力介于509～589 kN范圍內(nèi)，整體分布較為均勻，最大索力為Z-9-1#吊桿，最小索力為Z-1-1#吊桿。

（2）右側(cè)吊桿實(shí)測(cè)索力介于512～596 kN范圍內(nèi)，整體分布較為均勻，最大索力為Y-3-2#吊桿，最小索力為Y-1-2#吊桿。

吊桿在實(shí)際工作中受到外界環(huán)境和振動(dòng)疲勞等各種不利因素的作用，同時(shí)長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，吊桿索體腐蝕問題顯著。吊桿內(nèi)部鋼絲的完整性直接影響吊桿的安全性和耐久性。本次根據(jù)GB/T 28704-2012《無損檢測(cè)磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法》和JTG/T H212011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，選取檢測(cè)的10根吊桿。檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)有異常反射信號(hào)，所抽檢吊桿銹蝕、斷絲評(píng)定標(biāo)度均為1級(jí)。選取其中典型吊桿檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7中的點(diǎn)橫線為通過信號(hào)與上錨頭回波信號(hào)之間的衰減線，實(shí)線為參考判廢線，點(diǎn)線為參考評(píng)定線，導(dǎo)波傳播至3.30 m 處是下錨頭信號(hào)起波點(diǎn)，32.42 m 處是上錨頭信號(hào)起波點(diǎn)。從圖7可以看出，吊桿上錨頭與下錨頭的回波信號(hào)明顯，能正常反射導(dǎo)波能量，這說明該吊桿上錨頭與下錨頭沒有銹蝕，且下錨頭與上錨頭間沒有超過參考評(píng)定線（點(diǎn)線）的信號(hào)，因此從檢測(cè)波形可以初步判斷該吊桿內(nèi)部鋼絲無明顯病害。

4 結(jié)論

通過對(duì)吊桿索力和內(nèi)部銹蝕測(cè)試的理論分析和實(shí)測(cè)方法的運(yùn)用，可以得出以下結(jié)論：

（1）微波雷達(dá)可運(yùn)用于吊桿索力頻率測(cè)試中，具有可測(cè)量多根吊桿振動(dòng)信號(hào)，極大地提高了測(cè)試效率;安全、便捷，設(shè)備輕便，極大降低了測(cè)試過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

（2）相對(duì)傳統(tǒng)人工檢測(cè)吊桿內(nèi)部銹蝕斷絲，磁致伸縮導(dǎo)波方法能避免了對(duì)吊桿防護(hù)系統(tǒng)造成的嚴(yán)重?fù)p害，且效率高，對(duì)交通干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

（3）通過對(duì)倮果金沙江大橋吊桿索力和吊桿內(nèi)部銹蝕檢測(cè)結(jié)果表明，基于微波雷達(dá)和磁致伸縮導(dǎo)波的吊桿檢測(cè)與評(píng)定，對(duì)同類橋梁檢吊桿檢測(cè)具有指導(dǎo)作用。

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