拉索体系损伤的检测和监测方法

拉索体系损伤的检测和监测方法斜拉桥是二次世界大战后出现的新型桥型,由于其外型美观,施工方便和造价经济,现已成为大跨度桥梁的主要桥型。我国现已建大量的斜拉桥和悬索桥。仅近十年内就有超过20余座跨径400米以上的斜拉桥相继建成，更有一批跨径处于世界前列的斜拉桥在建设或筹建中。缆索结构体系是大跨径桥梁的主要承重构件，其安全性和耐久性对桥梁的正常使用和整体安全是极为重要的。由于缆索结构体系是缆索承重桥梁的生命线，一旦因耐久性和安全性不足出现病害与劣化，其承接能力丧失会导致公路桥梁垮塌的恶性事故，造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失。目前已建成且在运营中的多座桥梁已发生过大的振动、严重的锈蚀或断索事故，如广州海印大桥断索，四川綦江彩虹桥整体垮塌，四川宜宾小南门大桥吊杆断裂等。还有一些桥梁已全桥换索或正准备换索，如济南黄河桥，四川犍为桥、上海恒丰路斜拉桥、广东九江大桥、云南三达地桥等等。桥梁缆索体系耐久性和安全性不足的问题已引起桥梁工程界的高度关注，并积极在探索研究解决之中。如何监测和评价斜拉桥拉索和吊索（杆）的安全性、耐久性，已成为主管部门和工程技术人员十分关注的问题。拉索体系的损伤主要有锈蚀、疲劳断丝、滑丝和断裂等几种，他们的检测与监测的技术也主要是针对上述损伤形式开展的。下面分别就目前通用的几种检测方法做一个简单的介绍。1索体损伤检测技术1.1人工检测法长期以来，人们对于大跨径桥的索体的检测主要采取人工检测，主要是检查索体是否遭受腐蚀，各紧固件是否松动，定期对索体各部件涂刷防护漆，对已锈蚀的及时除锈，清查索腐蚀的钢丝数量，判断其腐蚀程度。对于第三代缆索体系（PE防护拉索）目前多采用目测方法，先观测护套的表面，然后再根据表面的情况确定是否需要打开锚固区或在某些部位凿开护套，使钢丝外露以了解锈蚀、断丝等情况，在必要时对部分钢丝取样，并进行相关的物理和力学试验，以确定缆索的状态。桥梁缆索结构常规检测的实际操作情况如图1所示。用常规检测方法主要是根据拉索腐蚀的程度等级来提出是否需要更换此索，其依据见表1或者根据建设部行业标准《城市桥梁养护技术规范CJJ99-2003》对缆索的安全性方面提出了定量的指标：以断丝面积2%或钢丝总面积损失10%作为斜拉桥拉索是否需要换索的阈值；对于悬索桥吊杆的更换，则只规定对“需要更换者”，应进行力学分析、制定更换方案。a、凿开护套观测拉索b、楔入木楔的悬索桥主缆c、目测拉索锚固端锈蚀状况图1桥梁缆索结构的常规检测（目测）表1拉索腐蚀程度分级1.2磁漏检测法无损检测对于构件锈蚀、裂纹等缺陷的检测其方法日趋成熟，在众多的无损检测方法中磁检测原理是最佳的无损检测方法之一。而磁漏法是无损检测的主要手段，它通过测量被磁化的拉索表面泄露的磁场强度来判定缺陷的大小。一旦拉索的表面有损伤或断丝，一部分磁场将从拉索中泄露出来，这一外泄的磁场可被传感器检测。当拉索遇到里面或内部缺陷产生的材料间断时，磁力线将会发生聚集（畸变）从而引起可被检测的磁漏或磁场变化。目前此方法广泛应用于钢筋混凝土结构的钢筋定位检测和钢丝绳的检测，图2示为检测钢丝绳商业化磁漏检测仪器。由于斜拉桥拉索及悬索桥吊索外径（含护套）可达到甚至超过200mm。因此，如采用图2所示的磁漏检测仪器，则其大尺寸和重量将使得检测时必须借助专用机器人。我国近年也探索了利用爬升机器人检测斜拉桥的拉索。图2钢丝绳的商业化漏磁检测仪器在国内利用磁漏技术对斜拉索锈蚀、断丝、磨损等检测的研究进行了多年，从结果看与钢丝绳的检测相比有下述特点：1）缆索一般用防蚀材料包裹,其端部用浇铸材料锚固。因此，即使是缆索最外层的断丝，其距磁敏元件也将有较大距离，而断丝断口向外扩散的漏磁场强度从断口处向外围呈空间负指数衰减，因而磁敏元件能够探测到的磁场强度将十分微弱；缆索内层断丝产生的可测磁场因外层钢丝的屏蔽效应而变得更加微弱，不易检测。2）由于缆索外层包了非透明PE材料，缆索中断丝（内层的或外层的）的检测，不能直接观测到，只能依靠仪器作一些定量和定性的分析，从而判断缺陷在沿缆索轴线方向的位置和所处层次以及在截面上的分布状况等。根据磁漏技术的特点，该技术用于斜拉桥拉索及悬索桥吊索在锚固区外的部分的钢丝锈蚀、断丝等检测是可行的，但对锚固区内的检测将难以进行。1.3放射线检测法采用放射线法可以探测索体的多种损伤，射线主要包括X射线和γ射线，放射线法可以检测索体内部损伤和缺陷。X射线的检测原理是：当射线通过被检测物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线吸收能力不同，一般情况是透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位射线强度，因而可以通过检测透过被检物体后的射线强度的差异，来判断被检物体中是否存在缺陷。放射法不仅可以检测损伤的存在，还可以以三维空间坐标定位损伤。射线检测装置主要由射线源、胶片和摄相装置组成，为了屏蔽对人体的辐射，射线装置往往比较大，但携带式X射线装置可以用于现场拉索的损伤检测。表面的缺陷也会对底片上的图像有影响，但通过现场对表面缺陷的观察，可以剔除图像上表面的缺陷，较准确地得到索体及锚头内部的断丝以及滑丝等损伤情况。1.4超声波测试检测美日等国曾在上世纪末对采用超声波检测斜拉索锚固区内的钢丝断裂的技术进行了研究，并应用于美国Cochrane桥。图3所示为在实桥采用超声波检测斜拉索锚固区内钢丝断裂的情况。据报道，当频率在5~10MHz时，超声波可检测锚固区2~5m长度内缆索的断丝。显然这项测技术不失为一种选择，但在检测斜拉桥拉索及锚固系统和悬索桥吊索系统时要使结果理想，必须事先进行严格标定，尽管理论上可测定索股的非规则性和断面损失，但实践中还有较大困难；另一方面，超声波测试技术对锚固区外缆索的检测仍有较大难度。图3采用超声波检测Cochrane桥拉索锚固区内的钢丝断裂磁伸传感技术采用两个磁伸传感器进行测试，其中一个作为发射器，另一个作为接收器，两者均由一个线圈和一个偏磁场构成，如图4所示。磁伸技术可用于缆索的断丝、锈蚀和其它原因引起的断面损失的检测。国外已对49丝拉索进行过试验研究，证实了其有效性。对长为100m，直径F15mm的钢铰线进行的试验表明磁伸传感可检测2%以上的断面损失。但与磁漏传感技术相似对锚固区内的检测仍不易进行。1.6电反射技术电反射技术（包括电时域反射/ETDR和电频域反射技术/EFDR）：电时域反射系统又称为“闭环”雷达，并在输电线的检测中广为应用，同时在岩土工程中亦有应用。电时域反射系统的工作原理是：系统对电缆发送高频电脉冲，电缆沿线阻抗的非连续和非匹配将会反射部分脉冲，而系统可将对该反射脉冲进行记录，并根据阻抗的变化情况分析电缆沿线材料的物理特性。电频域反射技术将反射信号在频域进行处理，其分析比时域结果将更为简洁和明确，并更易除去噪声的影响。对斜拉桥拉索及悬索桥吊索进行检测时，电反射系统可利用缆索本身的钢铰线或平行钢丝索作为电缆，同时并行其布置另一条附件的电缆作为地线，如图5所示。a、实际缆索b、理想化的缆索图5缆索电反射检测技术示意图（可检式缆索的一种模式）目前，产品化的电反射测试系统已能获得缆索断面损失在7%以上的损伤数据，随着技术的进行，电反射系统的测试精度还将逐步提高。由美国国家自然科学基金资助的一项相关研究表明，电反射系统可以准确地区分缆索的表面腐蚀和坑蚀两种不同的损伤及其位置。由此可知电反射系统对于缆索表面锈蚀、坑蚀、断丝等损伤的检测是完整和可行的。经过事先的标定，电反射系统还可对（铁磁材料）缆索的应变进行测量。可见电反射技术是一种适合融入缆索制作的检测技术，其实施需与缆索生产相结合较为实际，但这对缆索体热挤PE护套时要求很高，以现行的挤出工艺和设备则还有不少的技术问题需解决。此外无损检测还有磁弹性传感器技术；脉冲涡电流技术；非线性声振技术；聚能探达技术等。但这众多的检测技术使用起来都有各自的工况和使用条件，就缆索检测的工况和使用条件分析，采用上述哪一种技术检测都不能完全覆盖，必须复合解决。2索体损伤监测技术2.1声发射监测法声发射监测是一种“被动”型监测，其基本原理是：当固体材料内部缺陷的发生和扩展，以弹性波的形式释放能量，并向四周传播，缺陷便成为声发射源。对于索体的检测就是当索体处于高拉应力的缆索钢丝出现裂纹、腐蚀或断丝时，其局部高应力的释放将产生特定的应力波，这种应力波可以被声发射监测系统捕捉到，并用于分析其表征的物理过程。在使用时，声发射监测系统必须不间断地工作，一旦出现某种应力波（声波）出现，则将其记录下来。图6为声发射技术在实桥缆索状态监测中安装的情况。但从检测效果看，弹性波在混凝土中衰减很快，故声发射方法不适用于粘结性缆索的监测。a、用于缆索的AEM传感器b、斜拉索上的AEM传感器c、锚固区的AEM传感器图6声发射技术在桥梁缆索状态监测中的应用2.2振动法振动法既可以用于拉索内力的检测，也可以用于拉索内力的监测。振动测试法是目前应用最广的索力测试方法，振动测试法的前提条件是索缆的长度、线密度、边界条件清楚、缆索不过短、过长、过粗或有中间支撑等。在这些前提条件下，只要使用得当，且在测试前对索力和频率的关系进行标定，则振动法能准确地测定索缆的静张力。为突破传统振动法的使用限制，振动法本身也在不断发展。振动法的发展还包括拾振技术（如采用激光、电磁感应等方式进行非接触式的振动测试）和信号处理技术的进步等。振动测试采用的传感器主要有两类，一类是加速度传感器，图7所示为安装在斜拉索上进行振动测试的情况。另一类是压力传感器，主要通过在缆索端部安装穿心式压力传感器来实现。目前适合缆索使用的压力传感器有钢铉式和应变式两种，其中钢铉式压力传感器长期稳定性较好，但只能用于测试缆索静张力；应变式压力传感器长期稳定性差，但对缆索静张力和动张力均可测试。随着新桥建设中进行健康监测系统配置的趋势走强，新建缆索承重桥梁中将有一部分可能安装这类传感器，这对确保大桥的安全是有重要意义的。但是，对过去已经建成斜拉桥和悬索桥的缆索进行索力测试，采用压力传感器法显然不易实现也不经济；而加速度传感器法是安装在索上，既可用于旧桥也可用于新桥显然就要现实得多。以上介绍了对桥梁缆索体系检测和监控的一些常用方法。它是一个复杂的过程，影响因素较多，目前人们都只是在进行研究和试验，希望找到一种理想、可靠的检测方法。因此这些常用的无损检测技术和监测技术都还不完善，还不能对病害拉索体系进行准确的评估。只能通过组合的方式组成一个系统来解决一些问题。3结论和展望由以上可见它们测力的原理不同，使用的仪器不同，测量的结果也不同，同一根索用不同的方法检测，测出的结果往往差异较大。桥梁的结构复杂，受力也很复杂。桥梁工作几年后，现实的状态和设计状态，成桥状态发生了很大的变化，索力会重新分布。如何根据索力检测结果对索缆的安全性进行准确分析，是一个相当复杂的问题。索力应力增高，是结构变形引起的还是钢丝断面减少引起的。钢丝断面减少是疲劳短丝引起的还是锈蚀引起的，往往很难判断。很难分清楚。尤其是当索缆锈蚀相当严重，但还未发生断丝的情况下，它的检测结果往往给人以虚假的安全感，令人担心。即使知道有了断丝，索缆的有效断面有了缩小，要弄清断丝的原因，也只能采用最原始的办法，把锚固区打开直接观测断丝情况。采用上述方法，虽然直接可靠操作性强。但是要打开索缆的防护层（包括水泥沙浆或者硫磺沙浆；金属外套或者PE外套），费时、费事、工期长，对交通影响大；打开部位重新恢复后的可靠度也值得考虑。因此对桥梁缆索的检测和监控和是一个复杂的过程，影响因素较多，目前的无损检测技术没有一种可以同时适合锚固区内和锚固区外缆索的检测，只能通过组合的方式组成一个系统来解决