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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