CN113654979A - 模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置及评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，包括张拉架、外加电流阴极保护系统和声发射分析仪，张拉架内设置有模拟池，模拟池内设置有模拟雨水，张拉架用于固定施加预拉力的高强钢丝，高强钢丝穿过模拟池并浸没在模拟雨水内；外加电流阴极保护系统通过恒电位仪对高强钢丝施加外加电流阴极保护；声发射分析仪通过放大器和声发射传感器与高强钢丝连接，本发明还提供一种评估方法，提取高强钢丝腐蚀产生的声发射参数，根据声发射参数随时间的变化对高强钢丝腐蚀进行定性评估；根据声发射参数计算损伤因子Sr和历史指数HI，并进行定量评估。本发明不仅实现了高强钢丝腐蚀的实时监测，而且实现了腐蚀的定性及定量评估。

Description

模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置及评估方法

技术领域

本发明涉及声发射监测领域，具体涉及一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝外加电流阴极保护效果的声发射监测装置及评估方法。

背景技术

桥梁预应力钢丝主要由多根高强钢丝和外部HDPE护套组成。一旦外部护套产生开裂，高强钢丝就会产生严重的腐蚀，从而危及桥梁结构的安全。

在降雨环境中，雨水汇集在钢丝表面，并在护套破损处与高强钢丝直接接触，进而导致严重的电化学腐蚀，但是雨水同样可以作为外加电流阴极保护系统的电解质溶液，使外加电流阴极保护技术可以应用于桥梁预应力钢丝的腐蚀防护中。

为了保证结构始终处于被保护状态，势必要采取一定的手段来监测阴极保护的效果，如测量腐蚀失重，电位测量等手段，然而上述腐蚀监测手段都不适合对于结构腐蚀的长期实时监测。

因此，对桥梁预应力钢丝外加电流阴极保护效果的监测和评估显得十分必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝外加电流阴极保护效果的声发射监测装置及评估方法，不仅实现了高强钢丝腐蚀的实时监测，而且实现了腐蚀的定性及定量评估。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，包括张拉架、外加电流阴极保护系统和声发射分析仪，张拉架内设置有模拟池，模拟池内设置有模拟雨水，张拉架用于固定施加预拉力的高强钢丝，高强钢丝穿过模拟池并浸没在模拟雨水内；

所述外加电流阴极保护系统包括恒电位仪，所述恒电位仪的正极与辅助阳极连接，所述辅助阳极设置在模拟雨水内，所述恒电位仪的负极与高强钢丝一端连接；

所述声发射分析仪通过放大器与声发射传感器连接，所述声发射传感器紧贴在高强钢丝上。

进一步地，所述辅助阳极为铝板。

进一步地，所述声发射传感器与高强钢丝之间涂覆有耦合剂。

进一步地，张拉架包括两个张拉板，两个张拉板底部通过固定底座连接。

进一步地，还包括千斤顶，所述千斤顶用于对高强钢丝预拉。

进一步地，所述千斤顶对应的张拉板上设置有支撑底座，所述支撑底座上设置有操作口，通过操作口能够对高强钢丝上的固定螺母进行操作。

一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝的评估方法，采用上述任意一项所述的声发射监测装置，包括以下步骤：

步骤1)利用张拉支架和千斤顶对高强钢丝施加预应力；

步骤2)搭建模拟雨水中的桥梁高强钢丝外加电流阴极保护系统；

步骤2)将声发射传感器布置在高强钢丝表面；

步骤3)提取高强钢丝腐蚀产生的声发射参数，包括振铃计数、信号强度和声发射事件数，根据声发射参数随时间的变化对高强钢丝腐蚀进行定性评估；

步骤4)将声发射参数中的信号强度参数代入以下公式计算得到损伤因子Sr和历史指数HI；

式中，J是依赖于材料经验得到的常数，Sm是第m次事件的信号强度，其中m是根据信号强度的大小降序排列的；

式中，N为整个试验过程中声发射事件数的数量，Si和Sj分别是第i个和第j个声发射事件对应的信号强度，K是依赖于材料经验得到的常数；

步骤5)根据计算得到的损伤因子Sr和历史指数HI对钢丝的腐蚀程度进行划分，并确定各腐蚀程度对应的Sr和HI的限值，从而实现对高强钢丝的定量评估。

进一步地，J和K的取值根据腐蚀发生前后的声发射强度分析参数中确定。

本发明的有益效果：

本发明利用张拉架和千斤顶对高强钢丝施加预应力，利用恒电位仪作为外加电流阴极保护系统的外加电源，通过布置在钢丝表面的声发射传感器采集钢丝腐蚀的声发射信号并进行分析，结构简单，便于制备，方便模拟，不受环境因素制约；

通过声发射信号强度进一步计算得到了声发射损伤因子Sr和历史指数HI，进而确定了声发射强度分析的J值和K值；通过声发射强度分析确定了各腐蚀程度的限值，实现了高强钢丝腐蚀损伤的定量评估，不仅实现了高强钢丝腐蚀的实时监测，而且实现了腐蚀的定性及定量评估。

附图说明

图1是本发明的监测装置示意图；

图2是本发明的腐蚀失重测试结果图；

图3是本发明的开路电位测试结果图；

图4是本发明的累计声发射事件数随时间变化的曲线图；

图5是本发明累计声发射振铃计数随时间变化的曲线图；

图6是本发明累计声发射信号强度随时间变化的曲线图；

图7是本发明Sr随J的变化的曲线图；

图8是本发明HI随K的变化的曲线图；

图9是本发明第一根高强钢丝的声发射强度分析结果图；

图10是本发明第二根高强钢丝的声发射强度分析结果图；

图11是本发明第三根高强钢丝的声发射强度分析结果图；

图12是本发明第四根高强钢丝的声发射强度分析结果图；

图13是本发明第五根高强钢丝的声发射强度分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置的一实施例，包括张拉架1、外加电流阴极保护系统和声发射分析仪，张拉架内设置有模拟池2，模拟池内设置有模拟雨水3，张拉架用于固定施加预拉力的高强钢丝4，高强钢丝穿过模拟池并浸没在模拟雨水内；外加电流阴极保护系统包括恒电位仪5，恒电位仪的正极与辅助阳极6连接，辅助阳极设置在模拟雨水内，恒电位仪的负极与高强钢丝一端连接；声发射分析仪7通过放大器8与声发射传感器9连接，声发射传感器紧贴在高强钢丝上，声发射传感器用于采集到的高强钢丝腐蚀声发射信号通过放大器放大后被声发射分析仪接收。

使用时，先将高强钢丝穿过张拉架和模拟池，高强钢丝一端为固定端、另一端为预拉端，在固定端和预拉端上均锁上螺母和垫片，然后在预拉端上夹设千斤顶，通过千斤顶将预拉端进行拉拔，施加预应力，千斤顶施加力达到设定值后停止动作并保持拉拔状态，此时将预拉端对应的螺母锁紧，随后将千斤顶撤下，在模拟池内加入模拟雨水，然后将恒电位仪的辅助阳极放入模拟雨水内，将恒电位仪的负极与高强钢丝一端电连接，接着将声发射分析仪的声发射传感器安装在高强钢丝上，完成装置的组装运用。

其中，上述的辅助阳极为铝板导电性好、成本低，声发射传感器与高强钢丝之间涂覆有凡士林作为耦合剂；并且张拉架包括两个张拉板，两个张拉板底部通过固定底座连接，固定底座可以为底板结构，也可以为地面。

在一实施例中，千斤顶对应的张拉板上设置有支撑底座，支撑底座上设置有操作口，支撑底座可以是独立的结构，也可以是固定在张拉板上，也可以固定在千斤顶底部。支撑底座的设置，能够在张拉结束后，操作者通过操作口能够快速且无阻挡的对高强钢丝上的螺母进行操作固定。

基于上述的声发射监测装置，本发明还提供一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝的评估方法，本次声发射监测主要考虑不同应力水平和保护电流密度下腐蚀桥梁预应力钢丝的声发射参数变化特征。因此，选择了五根具有代表性的高强钢丝进行了腐蚀全过程的声发射监测，并按照“预应力水平-保护电流密度”的方式对各工况进行命名，各工况高强钢丝编号分别为：0-0，350-0，700-0，700-20，700-60；

根据上述装置的使用方法，将五根高强钢丝分别进行安装，并外加电流阴极保护系统以及布置声发射传感器；

在利用声发射技术对高强钢丝的外加电流阴极保护效果进行监测及采集数据的同时，在每天的固定时间段测量腐蚀钢丝的开路电位，另外测量高强钢丝的失重并由此计算得到钢丝的平均腐蚀速度，将上述测试结果与声发射监测结果进行对比以验证声发射监测结果的正确性。其结果如图2和图3所示。

将采集到的声发射参数进行分析，其中声发射累计事件数、累计振铃计数和累计信号强度随时间变化分别如图4-6所示。钢丝累计振铃计数和累计信号强度产生突增对应的时刻与开路电位值突降的时间基本一致，表明了利用声发射技术监测桥梁预应力钢丝腐蚀过程的有效性。此外，从总体上来说，各工况下高强钢丝累计声发射参数值从大到小的顺序为：700-0＞350-0＞0-0＞700-20＞700-60，这与失重试验结果一致。

综上，声发射累计参数值的变化特征与失重和开路电位测试结果保持一致，证明了利用声发射技术监测桥梁预应力钢丝腐蚀过程的有效性。累计振铃计数曲线和累计信号强度曲线随试验时间的变化具有很好的相关性并可以定性地反映钢丝腐蚀损伤演化的过程。

在利用监测得到的声发射参数对高强钢丝腐蚀进行定性评估的基础上，还可以利用声发射强度分析对腐蚀损伤进行量化。

将声发射参数中的信号强度参数代入以下公式计算得到损伤因子Sr和历史指数HI；

式中，J是依赖于材料经验得到的常数，Sm是第m次事件的信号强度，其中m是根据信号强度的大小降序排列的；

式中，N为整个试验过程中声发射事件数的数量，Si和Sj分别是第i个和第j个声发射事件对应的信号强度，K是依赖于材料经验得到的常数；

由于目前尚未有学者对桥梁预应力钢丝的腐蚀损伤进行过声发射强度分析，需要通过参数分析确定J和K的取值。因此，选取预应力水平为700MPa的未施加外加电流阴极保护的钢丝的声发射监测数据，并选择钢丝发生明显腐蚀前后的任意时刻(本实施例选取为第5天和第8天)计算其Sr值和HI值，结果如图7和图8所示。随着J值和K值的增大，钢丝腐蚀前后Sr和HI值的差异逐渐减小，因此J和K的取值应足够小以突出主要的腐蚀损伤(即不低估损伤)，但是J和K取值又不能过小以免被个别的高信号强度信号控制(即不高估损伤)。综合以上两点考虑，在评估桥梁预应力钢丝腐蚀损伤的声发射强度分析中，将J值和K值分别确定为40hits和25hits。

在进行声发射强度分析时，首先要对桥梁预应力钢丝腐蚀损伤等级进行划分。由失重测试结果以及开路电位，振铃计数和信号强度随试验时间的变化可知：在试验的前5天，所有高强钢丝开路电位值均在-150mV以上，累计振铃计数和累计信号强度也维持在较低水平，可认为在该时间段内，高强钢丝未发生腐蚀；对于施加了外加电流阴极的刚强钢丝，其平均腐蚀速度，累计振铃计数和累计信号强度远小于未保护高强钢丝，且开路电位值比基本保持在-270mV以上，可认为其在试验后期发生了轻微腐蚀；对于未施加外加电流阴极保护的高强钢丝，在第5天之后，开路电位值明显降低，累计振铃计数和累计信号强度曲线斜率明显提高，表明腐蚀程度的加深，此外，累计振铃计数和累计信号强度曲线在试验过程中发生了两次较为明显的突增，表明在这些时刻高强钢丝发生了严重的腐蚀。因此，综合以上分析，在本试验中，可将桥梁预应力钢丝的腐蚀分为四个等级，即未腐蚀，轻微腐蚀，中等腐蚀和严重腐蚀。此外，根据分析中提到的对应时刻(如第5天，累计曲线突增对应的时刻等)计算并确定了各腐蚀程度对应的HI值和Sr值，如表1所示。

表1桥梁预应力钢丝腐蚀损伤程度分类

高强钢丝的声发射强度分析结果如图9-图13所示，对于未施加外加电流阴极保护的高强钢丝，在前5天，声发射强度分析数据散点基本都集中在“未腐蚀”区域，随着试验的进行，数据散点向区域的右上方移动，大部分数据散点都分布在“中等腐蚀”区域，并且会有少许数据散点落在“严重腐蚀”区域。综合以上分析可知，除了在试验初期，未施加外加电流阴极保护的高强钢丝均发生了中等程度以上的腐蚀。而对于施加了外加电流阴极保护的高强钢丝，强度分析的数据散点绝大部分都集中在“未腐蚀”和“轻微腐蚀”区域，表明施加ICCP有效减缓了高强钢丝的腐蚀程度。

综上，可以利用声发射强度分析实现桥梁预应力钢丝腐蚀损伤的量化并进行有效的定量评估。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，其特征在于，包括张拉架、外加电流阴极保护系统和声发射分析仪，张拉架内设置有模拟池，模拟池内设置有模拟雨水，张拉架用于固定施加预拉力的高强钢丝，高强钢丝穿过模拟池并浸没在模拟雨水内；

所述外加电流阴极保护系统包括恒电位仪，所述恒电位仪的正极与辅助阳极连接，所述辅助阳极设置在模拟雨水内，所述恒电位仪的负极与高强钢丝一端连接；

所述声发射分析仪通过放大器与声发射传感器连接，所述声发射传感器紧贴在高强钢丝上。

2.如权利要求1所述的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，其特征在于，所述辅助阳极为铝板。

3.如权利要求1所述的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，其特征在于，所述声发射传感器与高强钢丝之间涂覆有耦合剂。

4.如权利要求1所述的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，其特征在于，张拉架包括两个张拉板，两个张拉板底部通过固定底座连接。

5.如权利要求1所述的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，其特征在于，还包括千斤顶，所述千斤顶用于对高强钢丝预拉。

6.如权利要求5所述的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的声发射监测装置，其特征在于，所述千斤顶对应的张拉板上设置有支撑底座，所述支撑底座上设置有操作口，通过操作口能够对高强钢丝上的固定螺母进行操作。

7.一种模拟降雨中桥梁预应力钢丝的评估方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任意一项所述的声发射监测装置，包括以下步骤：

步骤1)利用张拉支架和千斤顶对高强钢丝施加预应力；

步骤2)搭建模拟雨水中的桥梁高强钢丝外加电流阴极保护系统；

步骤2)将声发射传感器布置在高强钢丝表面；

步骤3)提取高强钢丝腐蚀产生的声发射参数，包括振铃计数、信号强度和声发射事件数，根据声发射参数随时间的变化对高强钢丝腐蚀进行定性评估；

步骤4)将声发射参数中的信号强度参数代入以下公式计算得到损伤因子Sr和历史指数HI；

式中，J是依赖于材料经验得到的常数，Sm是第m次事件的信号强度，其中m是根据信号强度的大小降序排列的；

式中，N为整个试验过程中声发射事件数的数量，Si和Sj分别是第i个和第j个声发射事件对应的信号强度，K是依赖于材料经验得到的常数；

步骤5)根据计算得到的损伤因子Sr和历史指数HI对钢丝的腐蚀程度进行划分，并确定各腐蚀程度对应的Sr和HI的限值，从而实现对高强钢丝的定量评估。

8.如权利要求7所述的模拟降雨中桥梁预应力钢丝的评估方法，其特征在于，J和K的取值根据腐蚀发生前后的声发射强度分析参数中确定。

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