CN109884177A - 一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，包括如下步骤：沿目标拉索轴向方向进行磁感应信号采集，取轴向磁感应信号最大值的位置为轴向损伤位置；基于目标拉索环向磁感应信号计算目标拉索损伤程度评价指标集；取目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标对应的环向位置为环向损伤位置，计算目标拉索损伤程度评价指标差值；获取拉索损伤程度评价指标差值与环向损伤范围的对应关系，将目标拉索损伤程度评价指标差值带入所述对应关系，得到目标拉索的环向损伤范围。本发明能够精确的判断拉索结构损伤的位置及损伤范围。

Description

一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法

技术领域

本发明涉及桥梁拉索结构损伤评估领域，具体为一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法。

背景技术

拉索是斜拉桥的重要组成部分，能够将斜拉桥桥跨结构的恒载和荷载的绝大部分或全部传递到塔柱上，是斜拉桥的主要承重结构，也是斜拉桥的生命索，其结构性能将直接影响桥梁安全和使用寿命。然而，由于斜拉索长期承受交变载荷并暴露于自然环境中，特别是大气污染严重地区、水污染严重地区、海滨及海洋环境，索体极易遭受环境腐蚀，从而威胁着整个拉索系统的安全。因此，对拉索结构进行损伤程度评价具有重大科学意义。

“金属磁记忆技术”(MMM)就是其中一类无损检测方法，受到了国内外学术界的广泛关注，并在石油、化工、电力、航空、航天等领域得到了重要应用。该技术的原理表明，一旦材料或结构表面出现缺陷或应力集中时，附近磁场的切向分量出现极值，而法向分量过零点且左右符号发生变化。目前，无论是针对钢筋、钢绞线，还是钢丝等铁磁性的材料，结合大量的理论研究和试验研究，研究者们能够利用该技术的原理对结构损伤位置进行较为准确的判断。但当应用于拉索结构时，该技术仍有改进之处，因为拉索的索体结构是由多根钢丝或钢绞线组合而成的，结构具有一定尺寸且不容忽视，属于三维空间问题。由于损伤位置产生的漏磁场存在一定的影响范围，而现有技术仅仅依靠沿拉索长度方向进行扫描获得的数据进行定位，不足以准确的判断其损伤位置，且不能判断损伤的范围。

因此，如何提供一种新的拉索结构损伤定位方法，精确的判断拉索结构损伤的位置且实现损伤范围的确定，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是：如何精确的判断拉索结构损伤的位置且实现损伤范围的确定。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，包括如下步骤：

S1、沿目标拉索轴向方向进行磁感应信号采集，确定轴向磁感应信号最大值的位置，取轴向磁感应信号最大值的位置为轴向损伤位置；

S2、在目标拉索的轴向切向磁感应信号最大值的位置对目标拉索进行环向磁感应信号采集，基于采集的目标拉索环向磁感应信号计算目标拉索损伤程度评价指标集并记录各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置，k为目标拉索损伤程度评价指标的数量，损伤程度评价指标的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重；

S3、取目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标对应的环向位置为环向损伤位置，计算目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ，Δλ为目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标与最小的目标拉索损伤程度评价指标的差；

S4、获取拉索损伤程度评价指标差值与环向损伤范围的对应关系，将目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ带入所述对应关系，得到目标拉索的环向损伤范围Δθ；

S5、将轴向损伤位置、环向损伤位置及环向损伤范围Δθ作为目标拉索的损伤位置及损伤范围信息，完成目标拉索的损伤位置及损伤方位的确定。

优选地，S2中各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置为{θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_k}，对应的目标拉索损伤程度评价指标为其中，z_ref＝1cm，z_ref为距离常量，

上式中，i＝1,2,3，…，k，为第i个环向位置θ_i对应的目标拉索损伤程度评价指标，为环向位置θ_i对应的采集的环向磁感应信号值，环向位置θ_i对应的环境磁场值，环向位置θ_i对应的目标拉索施工完成时的初始磁场值，z₀为环向磁感应信号采集时采集装置距离拉索表面的距离。

优选地，S4中：

获取多个不同腐蚀情况的参考拉索结构，获取每个参考拉索结构的环向损伤范围及腐蚀率；

计算每个参考拉索结构的损伤程度评价指标差值；

构建数据集{(α₁，Δλ₁)，(α₂，Δλ₂)，(α₃，Δλ₃)，…，(α_N，Δλ_p)},p为参考拉索结构的总数，进行Δλ_j＝K_jα_j形式的线性拟合得到腐蚀率-损伤指标关系直线，腐蚀率-损伤指标关系直线的斜率分别记为K₁，K₂，K₃，…，K_p，j＝1,2,3，…，p，Δλ_j为第j个参考拉索结构的损伤程度评价指标差值，α_j为第j个参考拉索结构的腐蚀率；

构建数据集{(Δθ₁，K₁)，(Δθ₂，K₂)，(Δθ₃，K₃)，…，(Δθ_N，K_p)}，进行形式的线性拟合得到拉索损伤范围判断曲线，a为第一曲线参数，e为自然常数，b为第二曲线参数，Δθ_j为第j个参考拉索结构的环向损伤范围；

所述对应关系信息包括腐蚀率-损伤指标关系直线及拉索损伤范围判断曲线。

综上所述，本发明公开了一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，包括如下步骤：沿目标拉索轴向方向进行磁感应信号采集，确定轴向磁感应信号最大值的位置，取轴向磁感应信号最大值的位置为轴向损伤位置；在目标拉索的轴向切向磁感应信号最大值的位置对目标拉索进行环向磁感应信号采集，基于采集的目标拉索环向磁感应信号计算目标拉索损伤程度评价指标集并记录各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置，k为目标拉索损伤程度评价指标的数量，损伤程度评价指标的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重；取目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标对应的环向位置为环向损伤位置，计算目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ，Δλ为目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标与最小的目标拉索损伤程度评价指标的差；获取拉索损伤程度评价指标差值与环向损伤范围的对应关系，将目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ带入所述对应关系，得到目标拉索的环向损伤范围Δθ；将轴向损伤位置、环向损伤位置及环向损伤范围Δθ作为目标拉索的损伤位置及损伤范围信息，完成目标拉索的损伤位置及损伤方位的确定。本发明能够精确的判断拉索结构损伤的位置及损伤范围。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法的流程图及位置标定示意图；

图2为损伤程度评价指标差值与腐蚀率关系示意图；

图3为拉索损伤范围判断曲线示意图；

图4为损伤程度评价指标差值与腐蚀率关系试验数据示意图；

图5为拉索损伤范围判断曲线试验数据拟合示意图；

图6为拉索损伤范围判断曲线构造方法流程图；

图7为待测横断面的拉索结构损伤指标分布图(极坐标系)；

图8为待测横断面的拉索结构损伤指标分布图(直角坐标系)；

图9为拉索结构腐蚀模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，包括如下步骤：

S1、沿目标拉索轴向方向进行磁感应信号采集，确定轴向磁感应信号最大值的位置，取轴向磁感应信号最大值的位置为轴向损伤位置；

沿目标拉索轴向方向进行磁感应信号采集即沿目标拉索轴长度方向进行磁感应信号的采集，对于磁感应信号的采集，可以采用拉索检测机器人实施，拉索检测机器人为现有技术在此不再赘述。

S2、在目标拉索的轴向切向磁感应信号最大值的位置对目标拉索进行环向磁感应信号采集，基于采集的目标拉索环向磁感应信号计算目标拉索损伤程度评价指标集并记录各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置，k为目标拉索损伤程度评价指标的数量，损伤程度评价指标的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重；

在具体操作时，可设目标拉索轴向方向为x方向，沿x方向进行磁感应信号采集，基于采集的轴向磁感应信号及其对应的轴向位置信息绘制轴向位置-轴向磁感应信号曲线x-B_x，从曲线中获取轴向磁感应信号最大值及其对应的位置，取轴向磁感应信号最大值的位置为轴向损伤位置。在采集轴向磁感应信号时，采集装置与目标拉索表面的距离为z₀，之后，在轴向损伤位置绕拉索进行环向磁感应信号采集，采集轨迹为ρ，ρ＝R+z₀，R为目标拉索半径。

S3、取目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标对应的环向位置为环向损伤位置，计算目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ，Δλ为目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标与最小的目标拉索损伤程度评价指标的差；

S4、获取拉索损伤程度评价指标差值与环向损伤范围的对应关系，将目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ带入所述对应关系，得到目标拉索的环向损伤范围Δθ；

S5、将轴向损伤位置、环向损伤位置及环向损伤范围Δθ作为目标拉索的损伤位置及损伤范围信息，完成目标拉索的损伤位置及损伤方位的确定。

本发明构建了一个拉索损伤程度评价指标λ，并借助该无量纲的物理量，建立拉索结构损伤程度评价标准，实现拉索损伤的评判。此外，现有技术的拉索损伤定位技术仅仅能够确定拉索损伤的轴向位置，然而，拉索往往是由多根钢丝或钢索组成，仅确定拉索损伤的轴向位置，并不能精确判断出拉索的损伤情况，而本发明，通过对拉索进行环向扫描的方式，确定了拉索的环向损伤位置，并且通过事先实验得到拉索损伤程度评价指标差值与环向损伤范围的对应关系，从而确定了拉索的损伤范围，进而实现了拉索的损伤位置及损伤范围的确定，使工作人员能够更加直观的了解拉索的损伤情况。

具体实施时，S2中各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置为{θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_k}，对应的目标拉索损伤程度评价指标为其中，z_ref＝1cm，z_ref为距离常量，

上式中，i＝1,2,3，…，k，为第i个环向位置θ_i对应的目标拉索损伤程度评价指标，为环向位置θ_i对应的采集的环向磁感应信号值，环向位置θ_i对应的环境磁场值，环向位置θ_i对应的目标拉索施工完成时的初始磁场值，z₀为环向磁感应信号采集时采集装置距离拉索表面的距离

如图6所示，具体实施时，S4中：

获取多个不同腐蚀情况的参考拉索结构，获取每个参考拉索结构的环向损伤范围及腐蚀率；

本领域技术人员应当知晓的是，参考拉索应采用与目标拉索相同尺寸型号的拉索。

计算每个参考拉索结构的损伤程度评价指标差值；

计算参考拉索结构的损伤程度评价指标差值的方法与计算目标拉索的损伤程度评价指标差值的方法相同，在此不再赘述。

构建数据集{(α₁，Δλ₁)，(α₂，Δλ₂)，(α₃，Δλ₃)，…，(α_N，Δλ_p)},p为参考拉索结构的总数，进行Δλ_j＝K_jα_j形式的线性拟合得到腐蚀率-损伤指标关系直线，腐蚀率-损伤指标关系直线的斜率分别记为K₁，K₂，K₃，…，K_p，j＝1,2,3，…，p，Δλ_j为第j个参考拉索结构的损伤程度评价指标差值，α_j为第j个参考拉索结构的腐蚀率；腐蚀率-损伤指标关系直线的形式如图2所示。

构建数据集{(Δθ₁，K₁)，(Δθ₂，K₂)，(Δθ₃，K₃)，…，(Δθ_N，K_p)}，进行形式的线性拟合得到拉索损伤范围判断曲线，a为第一曲线参数，e为自然常数，b为第二曲线参数，Δθ_j为第j个参考拉索结构的环向损伤范围；拉索损伤范围判断曲线的形式如图3所示。

所述对应关系信息包括腐蚀率-损伤指标关系直线及拉索损伤范围判断曲线。

本发明中环境磁场值和初始磁场值可查阅历史数据获得。

拉索结构损伤程度评价标准将腐蚀率α划分为四个阶段，其分别对应四个拉索状况等级(无腐蚀、轻微腐蚀、中度腐蚀和严重腐蚀)，并根据已有实验数据，对指标λ进行统计并给出对应的范围区间，形成拉索结构损伤程度评价标准，评价标准如下：

拉索状况	腐蚀率α	λ范围
			无腐蚀	0≤α<5％	0≤λ<1.1
轻微腐蚀	5％≤α<10％	1.1≤λ<1.6
			中度腐蚀	10％≤α<20％	1.6≤λ<3
严重腐蚀	α≥20％	λ≥3

拉索损伤范围判断曲线是最终判断拉索损伤范围的重要依据。通过对实验数据进行分析，发现了其具有一定的规律。针对两种不同腐蚀情况的参考拉索(1-1#参考拉索的损伤范围Δθ＝60°，1-2#参考拉索的损伤范围Δθ＝120°)进行磁感应信号的采集，并计算出不同腐蚀程度下损伤指标最大值与最小值之差，如图4所示，随着腐蚀率的增加，虽然两个参考拉索的损伤程度评价指标差值都呈现线性增加的趋势，但增长速率存在明显的差异，分别对应K＝20.08和K＝9.14。另外，当损伤范围Δθ＝360°时，拉索周围的磁场分为比较均匀，理论上损伤程度评价指标差值为0，即K＝0。因此，将上述实验数据按照Δθ-K绘制出，如图5所示，在利用指数函数进行拟合，效果较好，曲线与数据的接近程度R²可达0.9993。

针对不同腐蚀阶段的拉索结构，开展了基于金属磁记忆的腐蚀检测试验和仿真试验研究，提取出拉索某截面一周的磁信号数据并计算各自的损伤程度评价指标，试验结果如图7所示。在极坐标系下，从图7中可以看出，随着腐蚀时间/程度的增大，曲线所包围的区域逐渐扩大。为了比较数据之间的大小，利用直角坐标系进行处理，如图8所示，可以明显的看到，数据出现明显起伏变化，且起伏变化随着腐蚀程度也在逐渐加大，记为Δλ。为了进一步验证上述现象的正确性，发明人又进行了理论推导，推导过程如下：

假设拉索结构(长度为2L)表面有一长方体的腐蚀凹槽，腐蚀率(截面损失率)为α，凹槽的底面为为2b_x×2b_y、深度为h，且h∝α。建立直角坐标系xO₁z，且O₁原点位于腐蚀凹槽上方中心的位置，切向磁感应强度记作B_x(x,z)，如图9所示，在地磁场的作用下，基于磁偶极子模型的方法，试件腐蚀区域表面聚集的磁荷(磁荷密度为ρ_max)将产生漏磁场，假设相对磁导率μ_r，将平面坐标下的表达式推广至三维的拉索结构中，且切向磁感应强度的极值B_x0可利用以下表达式：

b＝ψ(b_x,b_y)

分析拉索结构周围的磁感应强度分布规律，选取拉索横断面x＝0，如图9所示，围绕拉索环向方向进行磁信号扫描，为便于叙述，利用极坐标系θO₂ρ对测点位置进行标定。假设拉索结构横断面近似看作圆形(直径为R)，O₂坐标原点位于其圆心处，则拉索结构所占区域为{0≤θ≤2π，0≤ρ≤R}，且扫描路径为ρ＝R+z₀。磁场与测量距离(测点和腐蚀区域)之间密切相关，距离越小，磁场强度越弱，因此，在扫描路径上选取两个特殊点A(θ＝0°)和B(θ＝180°)，分别计算其现有磁感应强度B_xA(α)、B_xB(α)；初始磁感应强度B_xA(0)＝B_xB(0)；环境磁场B_xA’＝B_xB’＝0；拉索损伤评价指标λ_A、λ_B，表达式如下：

计算的指标差值Δλ，考虑纵向腐蚀宽度b_x不变，则

Δλ及斜率K均与腐蚀率α和腐蚀区域角度(损伤范围)Δθ有关。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、沿目标拉索轴向方向进行磁感应信号采集，确定轴向磁感应信号最大值的位置，取轴向磁感应信号最大值的位置为轴向损伤位置；

S2、在目标拉索的轴向切向磁感应信号最大值的位置对目标拉索进行环向磁感应信号采集，基于采集的目标拉索环向磁感应信号计算目标拉索损伤程度评价指标集并记录各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置，k为目标拉索损伤程度评价指标的数量，损伤程度评价指标的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重；

S3、取目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标对应的环向位置为环向损伤位置，计算目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ，Δλ为目标拉索损伤程度评价指标集中最大的目标拉索损伤程度评价指标与最小的目标拉索损伤程度评价指标的差；

S4、获取拉索损伤程度评价指标差值与环向损伤范围的对应关系，将目标拉索损伤程度评价指标差值Δλ带入所述对应关系，得到目标拉索的环向损伤范围Δθ；

S5、将轴向损伤位置、环向损伤位置及环向损伤范围Δθ作为目标拉索的损伤位置及损伤范围信息，完成目标拉索的损伤位置及损伤方位的确定。

2.如权利要求1所述的基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，其特征在于，S2中各目标拉索损伤程度评价指标的环向位置为{θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_k}，对应的目标拉索损伤程度评价指标为其中，z_ref＝1cm，z_ref为距离常量，

上式中，i＝1,2,3，…，k，为第i个环向位置θ_i对应的目标拉索损伤程度评价指标，为环向位置θ_i对应的采集的环向磁感应信号值，环向位置θ_i对应的环境磁场值，环向位置θ_i对应的目标拉索施工完成时的初始磁场值，z₀为环向磁感应信号采集时采集装置距离拉索表面的距离。

3.如权利要求1所述的基于磁记忆信号的拉索结构损伤位置及范围确定方法，其特征在于,S4中：

获取多个不同腐蚀情况的参考拉索结构，获取每个参考拉索结构的环向损伤范围及腐蚀率；

计算每个参考拉索结构的损伤程度评价指标差值；

构建数据集{(α₁，Δλ₁)，(α₂，Δλ₂)，(α₃，Δλ₃)，…，(α_N，Δλ_p)},p为参考拉索结构的总数，进行Δλ_j＝K_jα_j形式的线性拟合得到腐蚀率-损伤指标关系直线，腐蚀率-损伤指标关系直线的斜率分别记为K₁，K₂，K₃，…，K_p，j＝1,2,3，…，p，Δλ_j为第j个参考拉索结构的损伤程度评价指标差值，α_j为第j个参考拉索结构的腐蚀率；

构建数据集{(Δθ₁，K₁)，(Δθ₂，K₂)，(Δθ₃，K₃)，…，(Δθ_N，K_p)}，进行形式的线性拟合得到拉索损伤范围判断曲线，a为第一曲线参数，e为自然常数，b为第二曲线参数，Δθ_j为第j个参考拉索结构的环向损伤范围；

所述对应关系信息包括腐蚀率-损伤指标关系直线及拉索损伤范围判断曲线。