CN109948211B - 一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法，包括如下步骤：沿拉索长度方向进行磁信号采集，记录切向磁信号及切向磁信号对应的位置信息；获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值位置信息；获取最大值位置信息对应的拉索安装完成时的初始切向磁信号Bx0(0)及环境磁场Bx0'；以切向磁信号最大值Bx0(α)与初始切向磁信号Bx0(0)的差值作为正相关参数、以初始切向磁信号Bx0(0)与环境磁场Bx0'的差值作为负相关参数，计算拉索结构损伤程度评价指标λ；基于所述损伤程度评价指标λ对拉索结构腐蚀损伤程度进行评价。本发明构建了一个拉索结构损伤程度评价指标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。
Description
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程度评价方法。
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。
自20世纪90年代由俄罗斯学者杜波夫(Dubov)提出了“金属磁记忆”(MMM)后，磁记忆技术就很快受到了国内学术界的普遍关注，被引入我国，研究者们不仅对不同金属材料的磁特性做了大量的理论研究和试验研究，而且还让该技术在石油、化工、电力、航空、航天等领域得到了广泛的应用。目前，该技术也逐渐在土木工程结构的无损检测中得到了应用，拉索结构损伤检测就是其中之一，能够借助磁记忆技术对拉索内部损伤(腐蚀、断丝)进行定性判断，但是，利用该技术对损伤程度进行精准的定量评估尚且存在困难，且拉索结构之间本身存在差异性，造成磁信号数值大小的不确定性，影响磁记忆技术在实际工程中的进一步实施。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法，所述评价方法构建了一个拉索结构损伤程度评价指标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。
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程度评价方法，包括如下步骤：
S1、沿拉索长度方向进行磁信号采集，记录切向磁信号及切向磁信号对应的位置信息；
S2、获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值位置信息；
S3、获取最大值位置信息对应的拉索安装完成时的初始切向磁信号Bx0(0)及环境磁场Bx0'；
S4、以切向磁信号最大值Bx0(α)与初始切向磁信号Bx0(0)的差值作为正相关参数、以初始切向磁信号Bx0(0)与环境磁场Bx0'的差值作为负相关参数，计算拉索结构损伤程度评价指标λ；
S5、基于所述损伤程度评价指标λ对拉索结构腐蚀损伤程度进行评价，所述损伤程度评价指标λ的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重。
优选地，位置信息包括长度位置信息及距离信息，其中，以拉索所在直线为横坐标轴，采集磁信号的方向为x轴正方向，记录切向磁信号对应的长度位置；距离信息为采集切向磁信号时，磁传感器距离拉索表面的距离。
优选地，S1中，还包括，基于采集的切向磁信号及其对应的长度位置信息绘制长度位置-切向磁信号曲线x-Bx；S2中，最大值位置信息包括最大值长度位置信息x0及最大值距离信息z0，基于长度位置-切向磁信号曲线x-Bx获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值长度位置信息x0，获取切向磁信号最大值Bx0(α)对应的最大值距离信息z0。
优选地，最大值位置信息包括最大值长度位置信息x0及最大值距离信息z0，基于长度位置-切向磁信号曲线x-Bx获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值长度位置信息x0，获取切向磁信号最大值Bx0(α)对应的最大值距离信息z0，其中zref＝1cm，zref为距离常量；
优选地，所述步骤S5中，建立损伤程度评价指标λ与拉索腐蚀率信息α之间的对应关系：
从而根据计算所得的损伤程度评价指标λ，基于上述对应关系确定拉索结构的拉索腐蚀率，进而评价拉索结构的腐蚀损伤程度。
优选地，所述步骤S5中，建立损伤程度评价指标λ与腐蚀等级之间的对应关系：
从而根据计算所得的损伤程度评价指标λ，基于上述对应关系确定拉索结构的腐蚀等级，进而评价拉索结构的腐蚀损伤程度。
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程度评价方法，包括如下步骤：沿拉索长度方向进行磁信号采集，记录切向磁信号及切向磁信号对应的位置信息；获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值位置信息；获取最大值位置信息对应的拉索安装完成时的初始切向磁信号Bx0(0)及环境磁场Bx0'；以切向磁信号最大值Bx0(α)与初始切向磁信号Bx0(0)的差值作为正相关参数、以初始切向磁信号Bx0(0)与环境磁场Bx0'的差值作为负相关参数，计算拉索结构损伤程度评价指标λ；基于所述损伤程度评价指标λ对拉索结构腐蚀损伤程度进行评价，所述损伤程度评价指标λ的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重。本发明构建了一个拉索结构损伤程度评价指标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。
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程度评价方法的流程图；
图2为本发明公开的长度位置-切向磁信号曲线x-Bx
图3为拉索不同损伤程度下(α2>α1)切向漏磁场分布曲线；
图4为基于磁偶极子模型的拉索结构腐蚀后切向漏磁场模型及理论曲线；
图5为拉索损伤评价指标修正示意图；
图6为采用本发明公开的方法进行试验的试验准确率统计图。
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程度评价方法，包括如下步骤：
S1、沿拉索长度方向进行磁信号采集，记录切向磁信号及切向磁信号对应的位置信息；
对于磁信号的采集，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、获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值位置信息；
S3、获取最大值位置信息对应的拉索安装完成时的初始切向磁信号Bx0(0)及环境磁场Bx0'；
在拉索安装完成后，可采用拉索检测机器人及磁传感器采集拉索的初始切向磁信号及环境磁场并进行记录存储。
S4、以切向磁信号最大值Bx0(α)与初始切向磁信号Bx0(0)的差值作为正相关参数、以初始切向磁信号Bx0(0)与环境磁场Bx0'的差值作为负相关参数，计算拉索结构损伤程度评价指标λ；
S5、基于所述损伤程度评价指标λ对拉索结构腐蚀损伤程度进行评价，所述损伤程度评价指标λ的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重。
本发明构建了一个拉索结构损伤程度评价指标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。
具体实施时，位置信息包括长度位置信息及距离信息，其中，以拉索所在直线为横坐标轴，采集磁信号的方向为x轴正方向，记录切向磁信号对应的长度位置；距离信息为采集切向磁信号时，磁传感器距离拉索表面的距离。
具体实施时，S1中，还包括，基于采集的切向磁信号及其对应的长度位置信息绘制长度位置-切向磁信号曲线x-Bx；S2中，最大值位置信息包括最大值长度位置信息x0及最大值距离信息z0，基于长度位置-切向磁信号曲线x-Bx获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值长度位置信息x0，获取切向磁信号最大值Bx0(α)对应的最大值距离信息z0。
如图2所示，切向磁信号最大值Bx0(a)对应的点的坐标为x0，与拉索索体表面的距离为z0，拉索结构的测试磁场信号其实是多个磁场叠加的结果，首先地球是一个巨大的磁铁，将产生微弱的地磁场(也被称为环境磁场)，记作Bx0’；当放置了拉索结构后，由于其受到地磁场的磁化作用后具有了初始切向磁场，其磁感应强度为ΔBx1，而总磁场叠加后为Bx0(0)；一旦拉索结构出现腐蚀损伤后(腐蚀率或截面积损失率为α)，损伤附近将产生漏磁场，其磁感应强度为ΔBx2，而总磁场叠加后为Bx0(α)。
具体实施时，优选地，最大值位置信息包括最大值长度位置信息x0及最大值距离信息z0，基于长度位置-切向磁信号曲线x-Bx获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值长度位置信息x0，获取切向磁信号最大值Bx0(α)对应的最大值距离信息z0，其中zref＝1cm，zref为距离常量；
具体实施时，
所述步骤S5中，建立损伤程度评价指标λ与拉索腐蚀率信息α之间的对应关系：
从而根据计算所得的损伤程度评价指标λ，基于上述对应关系确定拉索结构的拉索腐蚀率，进而评价拉索结构的腐蚀损伤程度。
所述步骤S5中，建立损伤程度评价指标λ与腐蚀等级之间的对应关系：
从而根据计算所得的损伤程度评价指标λ，基于上述对应关系确定拉索结构的腐蚀等级，进而评价拉索结构的腐蚀损伤程度。
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 |
本发明的原理是：将金属磁记忆检测应用于拉索腐蚀断丝损伤检测中，为此，发明人通过实验、仿真等手段进行了大量的研究，且研究结果表明，损伤位置附近的磁信号具有较为明显的规律：切向磁信号Bx出现极值点，且随着损伤程度的增大，磁信号的极值点呈现增大的趋势。其中，对于曲线极值点的获取较为容易，因此发明人对曲线极值点进行了深入的量化研究。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)表面有一矩形的腐蚀凹槽，建立直角坐标系xOz，且原点位于腐蚀凹槽上方中心的位置，腐蚀率(截面损失率)为α，凹槽的宽度为2b、深度为h，且h∝α。基于磁偶极子模型的方法，如图3所示，在地磁场的作用下，试件腐蚀区域表面聚集的磁荷(磁荷密度为ρmax)将产生漏磁场，我们将切向磁场强度记作Hx(x,z)，切向磁感应强度记作Bx(x,z)，并通过真空磁导率μ0和相对磁导率μr建立联系。经过数据分析发现，当x＝0时，切向磁场曲线均出现极值点，分别记作Hx0和Bx0，并得到如下表达式：
基于图2中物理量的定义，构件的初始磁场强度ΔBx1和腐蚀产生的漏磁场感应强度ΔBx2表达式如下：
工程中拉索结构应用广泛，但由于其组成材料(钢绞线、钢丝)、物理尺寸(根数)、施工工序等多种因素的影响，仅靠漏磁场ΔBx2的数值进行判断是不准确的。从上述公式可以清晰的看出，ΔBx1和ΔBx2均反映出结构或材料自身的属性和本质(相对磁导率μr)，且当结构自身磁场强度(ΔBx1)较大时，即使腐蚀程度不变，由腐蚀损伤产生的漏磁场(ΔBx2)也会较大，两者之间呈现较强的相关性。因此基于这种特性，发明人利用两者的比值(ΔBx2/ΔBx1)来构造无量纲的评判拉索结构腐蚀程度的指标，即消除结构差异性对拉索损伤评价的影响，表达式如下：
在磁场检测的过程中，磁传感器与拉索结构表面的距离z对数值影响较大，如图4所示，距离越大，λ1迅速减小，且当z增大至一定程度后，λ1接近于零，故将距离为1cm计算得到的指标数据作为基准λ1|z＝1cm并制定评价标准，且需要对评价指标进行修正，zref＝1cm，表达式如下：
经过修正后，数据得到了较大程度的改善，与基准线之间的差距明显减小，且大于λ1|z＝1cm(偏安全)，但随着z值不断增大，指标仍有下降的趋势。考虑到拉索损伤检测的实际操作性，传感器一般距离拉索表面较近，z值不会太大，因此，指标的建立具有一定适用范围。如图5所示，利用指标λ对最大测试距离z为10cm的范围进行测试后，按照提出的拉索结构损伤程度评价标准对4个样品进行评估，通过图6可以看到，平均准确率可达80％左右，适合对拉索结构损伤进行评价。
综上所述，本发明提出了一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法，该方法可以较为准确的对拉索状况进行分级判断，提高磁记忆技术的实际应用效果，为拉索结构养护工作奠定基础。
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 (4)
1.一种基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、沿拉索长度方向进行磁信号采集，记录切向磁信号及切向磁信号对应的位置信息；还包括，基于采集的切向磁信号及其对应的长度位置信息绘制长度位置-切向磁信号曲线x-Bx；
S2、获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值位置信息；其中，最大值位置信息包括最大值长度位置信息x0及最大值距离信息z0，基于长度位置-切向磁信号曲线x-Bx获取切向磁信号最大值Bx0(α)及其对应的最大值长度位置信息x0，获取切向磁信号最大值Bx0(α)对应的最大值距离信息z0；α为拉索腐蚀率信息；
S3、获取最大值位置信息对应的拉索安装完成时的初始切向磁信号Bx0(0)及环境磁场Bx0'；
S4、以切向磁信号最大值Bx0(α)与初始切向磁信号Bx0(0)的差值作为正相关参数、以初始切向磁信号Bx0(0)与环境磁场Bx0'的差值作为负相关参数，计算拉索结构损伤程度评价指标λ；
其中zref＝1cm，zref为距离常量；
S5、基于所述损伤程度评价指标λ对拉索结构腐蚀损伤程度进行评价，所述损伤程度评价指标λ的值越大表明拉索结构腐蚀损伤程度越严重。
2.如权利要求1所述的基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法，其特征在于，位置信息包括长度位置信息及距离信息，其中，以拉索所在直线为横坐标轴，采集磁信号的方向为x轴正方向，记录切向磁信号对应的长度位置；距离信息为采集切向磁信号时，磁传感器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程度评价方法，其特征在于，
所述步骤S5中，建立损伤程度评价指标λ与拉索腐蚀率信息α之间的对应关系：
从而根据计算所得的损伤程度评价指标λ，基于上述对应关系确定拉索结构的拉索腐蚀率，进而评价拉索结构的腐蚀损伤程度。
4.如权利要求1所述的基于磁记忆信号的拉索结构损伤程度评价方法，其特征在于，所述步骤S5中，建立损伤程度评价指标λ与腐蚀等级之间的对应关系：
从而根据计算所得的损伤程度评价指标λ，基于上述对应关系确定拉索结构的腐蚀等级，进而评价拉索结构的腐蚀损伤程度。
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