CN105388210B - 基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置及检测方法，临时钢斜撑与被测斜拉索在同一竖向平面上且相互垂直；临时钢斜撑的一端与被测斜拉索可拆卸固定连接，其中连接点将被测斜拉索分成靠近桥面的短段和上部的长段；另一端与自然贴放在桥面上的支撑板铰接；加速度传感器安装在被测斜拉索短段上。使用橡胶锤激励被测斜拉索的短段，基于损伤检测方法程序对加速度信号进行分析得出被测斜拉索短段部分的自振频率，并与无损状态下通过此方法测得的相近温度下的自振频率比较，进而判断被测斜拉索的状态。本发明可放大斜拉索小损伤引起的微小的频率变化，具有损伤敏感性强、使用简单、价格低廉、抗噪声能力强及检测时不中断交通运行等优点。

Description

基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于基于振动的结构损伤检测技术领域，具体为一个检测斜拉索小损伤的检测装置及其方法。
背景技术
斜拉桥是大跨度桥梁中应用最广泛的桥梁形式之一，具有跨越能力强及利于悬臂施工等优点。我国拥有的斜拉桥数量居全球首位且在不断增加。
斜拉索是斜拉桥中最重要的受力构件，其作用是将主梁承受的竖向荷载传递给索塔，并最终传递至桥墩。同时，斜拉索也是在斜拉桥使用中最易出现损伤和异常的构件，疲劳、超载、PE套管破损、锈蚀、断丝、应力松弛及锚头损坏等原因都将导致斜拉索损伤或异常。上述损伤会不断积累，一旦达到一定程度，桥梁将发生不可逆转的破坏，引发灾难性事故。
现有的斜拉索检测方法主要有人工检测法、磁漏检测法以及放射线检测法等方法：人工检测法时常需要凿开斜拉索套管，此过程不可逆且难以发现微小损伤。磁漏检测法虽较人工检测法更精确，且是较成熟的无损检测方法，但是设备较沉重，且检测时必须配备专用机器人、检测成本高、检测时间长；另外，对于包裹防蚀材料的拉索，磁敏元件距钢丝较远造成磁场强度过小，当损伤较小时不易被检测到。放射线检测法可以定位损伤的三维坐标但是表面缺陷会影响所拍摄的图像，仍需要通过比照现场对表面缺陷的观察进行最终判断，较为繁琐。综上所述，现有的斜拉索损伤检测方法均适用于斜拉索的局部检测，但用于斜拉索整体检测时有一定的局限，或无法检测小损伤、或设备笨重、或方法繁琐、或经济性差、或时间成本高，或兼有多者。
发明内容
本发明提供了一种斜拉索损伤检测系统，解决了现有检测方法中难以检测小损伤、设备笨重、方法繁琐、经济性差、时间成本高等问题。本发明的具体技术方案如下：
基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置，该检测装置主要包括临时钢斜撑、加速度传感器、橡胶锤激励装置、信号采集设备和笔记本电脑；临时钢斜撑与被测斜拉索被测斜拉索在同一个垂直面上，且又相互垂直；临时钢斜撑的一端与被测斜拉索被测斜拉索可拆卸固定连接，其中连接点将测试斜拉索分成靠近桥面的短段，和连接点以上的长段；临时钢斜撑的另一端与支撑板通过铰接轴铰接；临时钢斜撑可绕铰接轴在被测斜拉索被测斜拉索和临时钢斜撑组成的平面内进行 180度以内的转动；支撑板自然贴放在桥面上,依靠其与桥面之间的摩擦力固定临时钢斜撑。
临时钢斜撑与被测斜拉索通过全钢质材料的锁扣固定连接；锁扣的上下两盖体相对位置为半圆形凹槽，上下盖体扣紧形成圆柱形中空，且内径与被测斜拉索外径一致，上下盖体通过螺栓与被测斜拉索可拆卸固定连接。
也可以使用无线加速度传感器来代替普通加速度传感器用于本发明装置；当采用无线加速度传感器时，其采集的加速度信号将直接传送到笔记本电脑，无需额外的信号采集设备。
基于如下步骤进行损伤检测：
步骤1.将临时钢斜撑一端通过锁扣固定在被测斜拉索上，并在被测斜拉索的短段部分安装一个加速度传感器，加速度传感器的测试方向与被测斜拉索的轴线方向垂直，与安装后的临时钢斜撑轴线方向平行；
步骤2.在加速度传感器测试方向用临时钢斜撑对被测斜拉索的短段部分施加脉冲激励，激起被测斜拉索的局部振动，同时用信号采集设备采集加速度传感器的信号保存至笔记本电脑；
步骤3.首先在斜拉桥完好状态下对被测斜拉索进行测试，笔记本电脑利用编写好的损伤检测信号分析程序对采集到的加速度信号进行频谱分析；得到被测斜拉索的短段部分在不同温度下的局部自振频率；可将一个地区的温度区间每隔2℃进行间隔取样并在该温度下获得被测斜拉索短段部分的局部自振频率作为该温度下的频率参考数据；
步骤4.将被测斜拉索短段部分的自振频率与检测时温度下或与检测时温度最接近的温度下完好状态的被测斜拉索短段部分的局部自振频率进行对比，进而对被测斜拉索的目前状态进行判断。
本发明的检测装置可检测斜拉索的小损伤，且成本较低廉，使用方法简单方便。
附图说明
图1是本发明斜拉索损伤检测装置的布置示意图。
图2是锁扣部分的详图。
图3是支撑板部分的详图。
图4是斜拉桥结构有限元模型图。
图中，1临时钢斜撑，2加速度传感器，3橡胶锤激励装置，4信号采集设备， 5笔记本电脑，6锁扣，7铰接轴，8支撑板，9被测斜拉索。
具体实施方式
下面结合附图对本检测装置进行详细说明，并与相同损伤下不使用本装置直接进行频率测试时的结果进行比较来说明本发明装置的优越性；该实例不限制本发明的实际使用范围及结合具体工程的方法。
如图1，一种斜拉索损伤检测系统，用锁扣6将临时钢斜撑1与被测斜拉索 9固定好，临时钢斜撑1的下端通过铰接轴7与支撑板8连接。加速度传感器2 安装位置与橡胶锤激励装置 3 的 激励位置均在被测斜拉索9锁扣以下的短段部分。
某斜拉桥的有限元模型如图4，该有限元模型基于ANSYS软件建立，全桥长350m，桥塔左右跨对称布置为175m+175m，共108根斜拉索,用来说明本发明的使用方法及步骤,经过多次模拟，发现临时钢斜撑1的横截面积不小于待测斜拉索9截面积时本发明装置的检测效果最佳，本次模拟临时钢斜撑1截面积取为被测斜拉索9截面积并建议实际工程中临时钢斜撑1横截面积不小于被测斜拉索9 的截面积：
步骤一，临时钢斜撑1与支撑板8通过铰接轴7铰接；支撑板8水平置于桥面，临时钢斜撑1的另一端与锁扣6固定连接；再将锁扣6固定在被测斜拉索9 上；
步骤二，将加速度传感器2安装在被测斜拉索9上锁扣6稍下的位置处，加速度传感器2测试方向与临时钢斜撑1轴线方向平行，连接加速度传感器2、信号采集设备4及笔记本电脑5；
步骤三，用橡胶锤激励装置 3对被测斜拉索9进行激励，激励被测斜拉索9的锁扣6以下的位置，信号采集设备4采集信号后将所采信号输入到笔记本电脑5中的损伤检测信号分析程序进行频谱分析，最终得到频谱图。本实例中使用 MATLAB软件自带的自功率谱函数进行频谱分析。
步骤四，卸下临时钢斜撑1，重复步骤三的激励方式，信号采集设备4采集信号后将所采信号输入到笔记本电脑5中的损伤检测信号分析程序进行频谱分析，最终得到频谱图。本实例中使用MATLAB软件自带的自功率谱函数进行频谱分析。
步骤五，对被测斜拉索9进行松弛以模拟索力损失，再重复步骤一到步骤四，每次安装临时钢斜撑1时保证安装位置不变且激励位置不变；
步骤六，比较损伤前后频率信息，根据自振频率变化对被测斜拉索9的状态进行判断。
从下表可以看出：在本实例中安装临时钢斜撑1后，识别出的被测斜拉索9 的下部短段部分前两阶频率变化分别是未 安装临时钢斜撑1前两阶频率变化的 55.61倍和57.56倍。实际工程中，这种放大效应的作用是将原本易被噪声淹没的被测斜拉索9小损伤带来的频率变化识别出来。

Claims (3)

1.基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置，其特征在于，该检测装置主要包括临时钢斜撑(1)、加速度传感器(2)、橡胶锤激励装置(3)、信号采集设备(4)和笔记本电脑(5)；临时钢斜撑(1)的横截面积不小于被测斜拉索(9)的横截面积；临时钢斜撑(1)与被测斜拉索(9)在同一个垂直面上，且又相互垂直；临时钢斜撑(1)的一端与被测斜拉索(9)通过锁扣(6)可拆卸固定连接，其中连接点即锁扣(6)将被测斜拉索(9)分成靠近桥面的短段，和连接点以上的长段；临时钢斜撑(1)的另一端与支撑板(8)通过铰接轴(7)铰接；临时钢斜撑(1)可绕铰接轴(7)在被测斜拉索(9)和临时钢斜撑(1)组成的平面内进行180度以内的转动；支撑板(8)自然贴放在桥面上,依靠其与桥面之间的摩擦力固定临时钢斜撑(1)；加速度传感器(2)安装在锁扣(6)下方的短段斜拉索上；使用橡胶锤激励装置(3)对被测斜拉索(9)的下端短段部分进行激励；信号采集设备(4)采集斜拉索短段部分的加速度信号储存到笔记本电脑(5)；
基于该检测装置进行损伤检测的步骤如下：
步骤一.将临时钢斜撑(1)一端通过锁扣(6)固定在被测斜拉索(9)上，并在被测斜拉索(9)的短段部分安装一个加速度传感器(2)，加速度传感器(2)的测试方向与被测斜拉索(9)的轴线方向垂直，与安装后的临时钢斜撑(1)轴线方向平行；
步骤二.在加速度传感器(2)测试方向用橡胶锤激励装置(3)对被测斜拉索(9)的短段部分施加脉冲激励，激起被测斜拉索(9)短段部分的局部振动，同时用信号采集设备(4)采集加速度传感器(2)的信号保存至笔记本电脑(5)；
步骤三.首先在斜拉桥完好状态下对被测斜拉索(9)进行测试，笔记本电脑(5)利用编写好的损伤检测信号分析程序对采集到的加速度信号进行频谱分析；得到被测斜拉索(9)短段部分在不同温度下的局部自振频率；可将一个地区的温度区间每隔2℃进行间隔取样并在该温度下获得被测斜拉索(9)短段部分的局部自振频率作为该温度下的频率参考数据；
步骤四.将被测斜拉索(9)短段部分的局部自振频率与检测时温度下或与检测时温度最接近的温度下完好状态的被测斜拉索(9)短段部分的局部自振频率进行对比，进而对被测斜拉索(9)的目前状态进行判断。
2.根据权利要求1所述的基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置，其特征在于，所述临时钢斜撑(1)与被测斜拉索(9)通过全钢质材料的锁扣(6)固定连接；锁扣(6)的上下两盖体相对位置为半圆形凹槽，上下盖体扣紧形成圆柱形中空，且内径与被测斜拉索(9)外径一致，上下盖体通过螺栓与被测斜拉索(9)可拆卸固定连接；临时钢斜撑(1)与锁扣(6)固定连接后，临时钢斜撑(1)与锁扣(6)轴线方向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于临时钢斜撑的斜拉索损伤检测装置，其特征在于，也可以使用无线加速度传感器来代替普通加速度传感器(2)；当采用无线加速度传感器时，其采集的加速度信号将直接传送到笔记本电脑，无需额外的信号采集设备(4)。
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