CN105548360B - 基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测方法，包括步骤：制作锈蚀传感单元，并将多个所属锈蚀传感单元与一个辅助框架连接形成预应力自平衡体系；根据钢丝薄片不同高度处布设的连续应变测点监测数据判断斜拉索内钢丝或钢绞线初始锈蚀时间并通过相应程序计算锈蚀程度与锈蚀速率或发生应力腐蚀裂纹的深度；分析超声导波信号特征变化判断钢丝或钢绞线初始锈蚀时间；比较不同时刻导波信号幅值差的变化速率，判断钢丝薄片的锈蚀速率。本方法对斜拉索自由段下锚头区域钢丝的锈蚀与应力腐蚀状态进行长期、定量监测或定期检测，且不破坏局部微环境，同时多个锈蚀传感单元布置在该区域，进一步保证监测的真实性与可靠性。

Description

基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测方法
技术领域
本发明属于土木工程结构健康、桥梁缆索结构耐久性监测技术领域，应用于桥梁缆索结构腐蚀监测。
背景技术
桥梁缆索锈蚀损伤与缆索的防护措施有关。近年普遍采用热挤高密度聚乙烯（HDPE）护套进行防护，索体由平行钢丝或平行钢绞线组成，缆索结构锈蚀损伤检测与监测方法有：（1)人工方法：主要是检查索系统是否遭受锈蚀，各紧固件是否松动，索体是否有破损。优点是可定性地直观检查；缺点是检测费人力物力，检查范围有限且检测结果仅可用于定性评估，难满足定量评定要求，对突发性事故无法实现及时检测与监测。（2）超声波方法：主要用来检测平行钢丝表面裂纹、锈坑，但由于缆索由多根平行钢丝或钢绞线组成，截面形状复杂、锈蚀损伤位置不确定，超声波仅仅能检测表面缺陷，此外，锚头部位形状复杂，超声波检测存在较大的盲区。（3）放射线方法：可以检测缆索内部损伤和缺陷，能较准确地得到索体索体内部的锈蚀和断丝等损伤，缺点是为了屏蔽对人体的辐射，射线装置往往较大，不适用于实时监测。（4）电化学方法：电化学方法主要针对单根钢筋或者钢绞线，对多根平行钢丝或者钢绞线组成的缆索其检测效果欠佳，尤其现在的评定方法基本上是根据电位差的范围判断缆索的锈蚀的可能性，但受测试局部区域环境因素如温度、湿度等影响显著。（5）超声导波法：目前国内也有研究基于超声导波理论的钢筋锈蚀监测方法，但该方法是用于全尺寸长度的钢筋上，并不是一种传感器产品，当用于混凝土中时，存在导波信号泄漏，传感器接收到的导波信号微弱和复杂的不足之处，难以应用到实际工程中。另外，钢筋是实心圆柱体，在钢筋中传播的导波在可用的频段模态非常多（多达十余个模态），信号会更加复杂。
发明内容
本发明的目的是解决斜拉桥斜拉索自由段下锚头区域锈蚀状态与应力腐蚀裂纹实时监测与定期检测需求，提高桥梁缆索锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性，实现对桥梁缆索结构内高强钢丝或钢绞线初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的监、检测与预警。
为了实现本发明的目的，提出以下技术方案：
一种基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测方法，包括步骤：
1）锈蚀传感单元的制作：取高强钢丝在中部进行切割，形成薄片截面作为传感元件，并沿钢丝切割平面上不同高度位置处设置连续的应变测点；将钢丝薄片两端粘贴压电陶瓷，其中，一端压电陶瓷片作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播；另一端压电陶瓷片作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波信号；
2）将多个所属锈蚀传感单元与一个辅助框架连接形成预应力自平衡体系，通过辅助框架对多个锈蚀传感单元施加预拉应力，锈蚀传感单元钢丝薄片的拉应力与缆索恒载拉应力相同，预留锈蚀传感单元钢丝薄片一个侧面作为腐蚀监测面；
3）根据钢丝薄片不同高度处布设的连续应变测点监测数据判断斜拉索内钢丝或钢绞线锈蚀初始时间并通过相应程序计算锈蚀程度与锈蚀速率；若发生应力腐蚀则可根据连续测点的监测数据判断应力腐蚀裂纹发生的初始时间并通过相应程序计算应力腐蚀裂纹深度；
4）分析钢丝薄片锈蚀前后测得的导波信号的幅值差的发生时间，判断钢丝薄片的初始锈蚀时间；分析不同时刻导波信号幅值差的变化速率，判断钢丝薄片的锈蚀速率；若发生应力腐蚀分析导波信号幅值差并与试验结果进行对比，判断钢丝薄片应力腐蚀裂纹深度。
在步骤1），所述高强钢丝选取与斜拉索所用同牌号高强钢丝。
在步骤1），所述连续应变测点采用链式应变片组，每个链式应变片组内有多个测量片和1个用于温度补偿的温度补偿片。
在步骤2），采用聚酯材料防护套封装锈蚀传感单元钢丝薄片的三个表面，预留一个侧面作为腐蚀监测面。
在步骤4），同时监测连续应变测点应变变化与超声导波信号，将应力集中监测结果与超声导波监测相互对比验证，提高钢丝锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性，将多个锈蚀传感单元布置在监测区域，进一步提高缆索锈蚀监测的可靠性。
本发明的效果是：实现对斜拉桥斜拉索锚头部位及自由段内钢丝的锈蚀与应力腐蚀裂纹监测，锈蚀传感单元钢丝薄片与实际缆索受力及腐蚀情况一致，锈蚀传感单元中部钢丝薄片处于平面应力状态，局部锈蚀或应力腐蚀后形成应力集中，根据截面不同高度得出连续应变测点的应变变化与超声导波信号及其幅值变化实现对缆索锚头部位与自由段内高强钢丝或钢绞线的初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的实时监测或定期检测。
复合两种锈蚀监测方法，具有可靠性高、灵敏性高、信号稳定等优点，可以对缆索自由段下锚头区域钢丝的锈蚀与应力腐蚀状态进行长期、定量监测或定期检测，初始锈蚀传感单元钢丝薄片受力与缆索内钢丝受力相同，与缆索腐蚀环境相同，且不破坏局部微环境，保证锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的真实性与可靠性。同时多个锈蚀传感单元布置在该区域，进一步提高缆索锈蚀监测的可靠性。
附图说明
图1 斜拉索锈蚀监测装置布置示意图。
图2 锈蚀监测装置示意图。
图3锈蚀监测装置侧视图。
图4a 锈蚀传感单元侧视图。
图4b 锈蚀传感单元俯视图。
图5 锈蚀传感单元上应变测点布置示意图。
其中
1-锈蚀监测装置、2-高密度聚乙烯护套、3-护筒、4-高强钢丝、5-锚下垫板、6-锚圈、7-锚杯、8-后盖、9-锈蚀传感单元、10-固定横梁、11-立柱、12-预紧螺母、13-移动横梁、14-墩头、15-应变测点、16-压电陶瓷片、17-腐蚀监测面、18-聚酯材料防护套、19-防腐层。
具体实施方式
本发明通过两端环形装置将多个锈蚀传感单元固定于缆索高强钢丝外侧、护筒或高密度聚乙烯护套内侧。锈蚀传感单元通过构造钢丝薄片处于平面应力状态，通过连续应变测点感知锈蚀或应力腐蚀裂纹导致的应力集中，并通过钢丝薄片上粘贴压电陶瓷片，一侧压电陶瓷片作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另外一侧压电片作为传感器，接收到自钢丝薄片传来的导波，根据导波信号特征判断钢丝薄片锈蚀及应力腐蚀裂纹状态。两种监测方法复合在一起，同时在一个区域布置多个锈蚀传感单元，提高桥梁缆索锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性，实现对桥梁缆索结构内高强钢丝或钢绞线初始锈蚀时间、锈蚀程度与应力腐蚀裂纹的监、检测与预警。
实施例：选取与斜拉索所用同牌号高强钢丝，截取一定长度并切割薄片形成锈蚀传感单元9（如图4a,b所示），在两侧面不同高度处设置连续应变测点15（如图4a、图5），连续应变测点15采用链式应变片组，每个链式应变片组内有多个测量片，1个温度补偿片用于温度补偿（下文监测应变均为补偿后应变），通过高性能胶水粘贴在薄片两侧不同截面高度处，通过焊接端子、导线与应变仪连接，链式应变片组可连续监测长度方向上各测点的平均应变。在钢丝薄片端部粘贴压电陶瓷片16，一侧压电陶瓷片16作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另一侧压电陶瓷片16作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波。采用聚酯材料防护套18封装其三个表面，仅保留一个端面作为腐蚀监测面17（如图5所示），如此形成一个锈蚀传感单元9，将多个锈蚀传感单元9穿过固定横梁10和移动横梁13，锈蚀传感单元两端制作墩头14，通过预紧螺母12对多个锈蚀传感单元9施加初始应变，通过连续应变测点监测实际加载应力，使中部钢丝薄片应力与所监测缆索内钢丝或钢绞线的恒载应力相同，锈蚀传感单元9中部钢丝薄片形成平面应力状态，制索过程中将锈蚀监测装置1布设在如图1所示位置。
桥梁缆索服役过程中，一旦腐蚀监测面17发生局部锈蚀，该锈蚀区域局部形成应力集中，局部应变发生突变，靠近该位置的链式应变片组与该区域共同变形，因此应变信号发生突变，且不同截面高度上应变变化不同，越靠近锈蚀或应力腐蚀区域的应变变化越大，同一截面高度未发生锈蚀或应力腐蚀部位的应变变化很小，可根据钢丝薄片不同高度处连续应变测点监测数据变化采用相应计算程序计算缆索内钢丝初始锈蚀时间、锈蚀程度及应力腐蚀状态。
同时一侧压电陶瓷片16作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播，另一侧压电陶瓷片16作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波。锈蚀传感单元9钢丝薄片锈蚀或应力腐蚀裂纹导致压电陶瓷激励产生的超声导波信号特征发生变化，分析钢丝薄片锈蚀前后测得的导波信号的幅值差的发生时间，可判断出钢丝薄片的初始锈蚀时间，分析不同时刻导波信号幅值差的变化速率，可判断出钢丝薄片的锈蚀速率，分析导波信号幅值差并与试验结果相对比，可以判断钢丝薄片的锈蚀程度或应力腐蚀裂纹深度。
连续应变测点应变变化与超声导波信号可同时监测锈蚀与应力腐蚀，提高缆索钢丝锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性。锈蚀监测装置1内设置多个锈蚀传感单元9，可进一步提高锈蚀监测装置1布设区域内缆索钢丝锈蚀监测的可靠性与准确性。

Claims (3)

1.一种基于应力集中与超声导波的斜拉索锈蚀复合监测方法，其特征在于包括步骤：
1)锈蚀传感单元的制作：取高强钢丝在中部进行切割，形成薄片截面作为传感元件，并沿钢丝切割平面上不同高度位置处设置连续的应变测点；将钢丝薄片两端粘贴压电陶瓷，其中，一端压电陶瓷片作为驱动器，施加高频窄带脉冲电压，产生沿轴向传播的导波在钢丝薄片中传播；另一端压电陶瓷片作为传感器，接收钢丝薄片传来的导波；
2)将多个锈蚀传感单元与一个辅助框架连接形成预应力自平衡体系，通过辅助框架对多个锈蚀传感单元施加预拉应力，锈蚀传感单元钢丝薄片的拉应力与缆索恒载拉应力相同，预留锈蚀传感单元钢丝薄片一个侧面作为腐蚀监测面；
3)根据钢丝薄片不同高度处布设的连续应变测点监测数据判断斜拉索内钢丝或钢绞线初始锈蚀时间并通过相应程序计算锈蚀程度与锈蚀速率；若发生应力腐蚀则可根据连续测点的监测数据判断应力腐蚀裂纹发生的初始时间并通过相应程序计算应力腐蚀裂纹深度；
4)分析钢丝薄片锈蚀前后测得的导波信号特征发生变化的时间，判断钢丝薄片的初始锈蚀时间；分析不同时刻导波信号幅值差的变化速率，判断钢丝薄片的锈蚀速率；若发生应力腐蚀分析导波信号幅值差并与试验结果进行对比，判断钢丝薄片应力腐蚀裂纹深度；
在步骤1)，所述连续应变测点采用链式应变片组，每个链式应变片组内有多个测量片和1个用于温度补偿的温度补偿片；
在步骤4)，同时监测连续应变测点应变变化与超声导波信号，将应力集中监测结果与超声导波监测相互对比验证，提高钢丝锈蚀与应力腐蚀裂纹监测的可靠性，将多个锈蚀传感单元布置在监测区域，进一步提高缆索锈蚀监测的可靠性。
2.根据权利要求1所述的斜拉索锈蚀复合监测方法，其特征在于，在步骤1)，所述高强钢丝选取与斜拉索所用同牌号高强钢丝。
3.根据权利要求1所述的斜拉索锈蚀复合监测方法，其特征在于，在步骤2)，采用聚酯材料防护套封装锈蚀传感单元钢丝薄片的三个表面，预留一个侧面作为腐蚀监测面。
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