（机械电子工程专业论文）斜拉桥悬索损伤检测系统的研究.pdf

斜拉桥悬索损伤检测系统的研究 研究生：谢奇 导师：王兴松 东南大学机械工程学院 摘要 斜拉桥凭借其良好的抗震性能、经济性以及壮丽的外观等优势，在世晃范围内得到了广泛的应 用。悬索是斜拉桥的主要受力构件之一。由于悬索长期暴露在空气中，经风吹雨林，悬索表面的p e 保护层出现了不同程度的硬化和破坏现象，继而内部的钢丝束受到腐蚀，甚至出现断丝现象，严重 影响斜拉桥的安全性。所以斜拉桥悬索必须定期地检测以确保大桥安全可靠。 本课题基于电磁检测原理，设计了一种可由悬索爬升机器人牵引的模块化励磁检测装置。该励 磁检测装置由若干片单节励磁器连接，等角度环抱恳索。每节励磁器上分别放置两块永磁铁及霍尔 元件。该模块励磁器易安装可调节，可以通过接入不周数目的单节励磁器。调整连接件与单节励磁 器的相对位置，改变连接件之间的相对角度，来实现对不同直径的悬索周向均匀地励磁。 在实验室条件下，采用p v c 管和钢丝模拟斜拉桥的悬索。对模块化励磁传感器输出信号的采集 由u s b 7 3 2 5 数据采集模块完成，然后采用d e t r e n d i n g 算法、带通滤波器等多种算法进行数据处理， 比较其优劣。 在课题研究过程中，对检测系统做了大量的测试与试验。试验表明，本课题所研制的无损检测 系统可以满足斜拉桥悬索断丝检测的需要，信号分析结果也与悬索断丝情况基本相符，本论文的研 究成果具有较好的实用价值。 关键词：斜拉桥，悬索，霍尔，数据处理。无损检测 r e s e a r c ho fd e t e c t i n gs y s t e mf o rc a b l ef a u l t so fc a b l e - s t a y e d b r i d g e x i e q i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx i n g s o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t c a b l e - s t a y e db r i d g e sh a v eb e c o m ep o p u l a rf o rt h e i ra d v a n t a g e ss u c ha sa n t i - s e i s m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，l o w c o s ta n de l e g a n ta p p e a r a n c ee t c c a b l ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t r e s sc o m p o n e n t so ft h ec a b l e - s t a y e d b r i d g e s s i n c ec a b l e sa r ee x p o s e dt ot h ea i rf o ral o n gt i m ew i t hw i n d ，r a i na n ds u n s h i n e ，t h ep o l y e t h y l e n e s l e e v e0 1 1t h es u r f a c ep r o d u c e sp h e n o m e n ao fh a r d e n i n ga n dc r a c kw i t hd i f f e r e n te x t e n t ，w h i c hc a u s e s e r i o u sp r o b l e m ss u c ha sr u s ts p o ta n db r e a kf o rs t e e lw i r e si nt h es l e e v e ，s ot h ec a b l e sm u s tb ee x a m i n e d p e r i o d i c a l l yt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h eb r i d g e f o rd e t e c t i n gc a b l ef a u l t s ，ac l i m b i n gr o b o tw a sd e v e l o p e dw i t hap r o p o s e dm o d u l a rm a g n e t i cs e n s o r o ni tb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i ct e s t i n gm e t h o d t h em o d u l a rs e n s o r , m a d eu po fe v e nn u m b e ro fs e n s o r u n i t s ，e m b r a c e dt h ec a b l ea saw r e a t ha te q u a la n g l e ，w i t he a c hu n i tc o n s i s t e do ft w om a g n e t sa n do n e h a l l ss e n s o r ，t h i sm o d u l ec o u l db ei n s t a l l e da n da c c o m m o d a t e dc o n v e n i e n t l yb ym e a n i n g so fc h a n g i n g t h en u m b e ro ft h es e n s o ru n i t s ，a d j u s t i n gt h er e l a t i v ed i s t a n c eb e t w e e nt h eu n i t sa n dt h eb i n d i n g m e c h a n i s m ，r e g u l a t i n gt h ea n g l eo ft w ob i n d i n gm e c h a n i s m s t ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em o d u l a rs e n s o r s ，as a m p l ec a b l ew a sm a d eb yf i l l i n gap v cp i p e w i t hs t e e lw i r e s d e t r e n d i n gm e t h o d ，d i g i t a lf i l t e re t cw e r eu s e dt od od a t ap r o c e s s i n ga f t e ru s b 7 3 2 5 s a m p l e dt h es i g n a l sf r o mt h em o d u l a rm a g n e t i cs e n s o r a c c o r d i n gt oaa m o u n to fe x p e r i m e n t s ，i ti sf e a s i b l et ou s et h i sn o nd e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) s y s t e m f o rf a u l td e t e c t i o ni nb r i d g ec a b l e s t h ep r o d u c t i o no f t h i sp a p e ri sp r a c t i c a l k e y w o r d ：c a b l e - s t a y e db r i d g e s ，c a b l e ，h a l ld a t ap r o c e s s i n g ，n d t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 斜拉桥简介 斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的 索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可 使梁体内弯矩减小、降低建筑高度、减轻了结构重量、节省了材料l lj 。 斜拉桥是将若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是一种 自锚式体系，斜拉索的水平力由粱承受。梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。 按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。 斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。斜拉桥是 由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成，索塔型式有a 型、倒 y 型、h 型、独柱，材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。 第一座现代斜拉桥始建于1 9 5 5 年的瑞典，跨径为1 8 2 m ，此后5 0 多年来，斜拉桥的发展，具 有强劲势头。我国7 0 年代中期开始修建混凝土斜拉桥，改革开放后，我国修建斜拉桥的势头一直呈 上升趋势。我国一直以发展混凝十斜拉桥为主，近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥， 如汕头石大桥，主跨518 m ，武汉长江第三大桥，主跨6 18 m ；钢箱斜拉桥，如南京长江第二大桥南 汉桥，主跨6 2 8 m ，武汉军山长江大桥，主跨4 6 0 m 。前几年上海建成的南浦( 主跨4 2 3 m ) 和杨浦 ( 主跨6 0 2 m ) 大桥为钢与混凝土的结合梁斜拉桥。 一般说，斜拉桥跨径3 0 0 m 1 0 0 0 m 是合适的，在这一跨径范围，斜拉桥与悬索桥相比，斜拉 桥有较明显优势。德国著名桥梁专家e | e o n h a r d t 认为，即使跨径1 4 0 0 m 的斜拉桥也比同等跨径悬索 桥的高强钢丝节省二分之一，其造价低3 0 左右。斜拉桥发展趋势：跨径会超过1 0 0 0 m ，结构类型 多样化、轻型化，加强斜拉索防腐保护的研究，注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题 的研究。 目前世界上建成的最大跨径的斜拉桥为中华人民共和国的苏通大桥，如图1 1 所示。苏通大桥 位于江苏省东部的南通市和苏州( 常熟) 市之间，是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点 干线公路跨越长江的重要通道，也是江苏省公路主骨架网“纵一”赣榆至吴江高速公路的重要 组成部分，是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程。建设苏通大桥 对完善国家和江苏省干线公路网、促进区域均衡发展以及沿江整体开发，改善长江安全航运条件、 缓解过江交通压力、保证航运安全等具有十分重要的意义。 苏通大桥创造了四项世界之最： 1 最大主跨，苏通大桥跨径为1 0 8 8 m ，是当今世界跨径最大斜拉桥。 2 最深基础，苏通大桥主墩基础由1 3 l 根长约1 2 0 m 、直径2 5 m 至2 8 m 的群桩组成，承台长 1 1 4 m 、宽4 8 m ，面积有一个足球场大，是在4 0 m 水深以下厚达3 0 0 m 的软土地基上建起来的，是世 界上规模最大、入土最深的群桩基础。 3 最高桥塔，目前世界上已建成最高桥塔为多多罗大桥2 2 4 m 的钢塔，苏通大桥采用高3 0 0 4 m 的混凝土塔，为世界最高桥塔。 4 最长拉锁，苏通大桥最长拉索长达5 7 7 m ，比日本多多罗大桥斜拉索长1 0 0 m ，为世界上最长 的斜拉索。 东南大 颤士学位论i 图1 - 1 苏通太桥 1 1 2 斜拉桥事故 斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分，由于斜拉索锈蚀的影响使得部分早起修建的斜拉桥状 况非常严重。尽管桥梁设计者采用了多种方法对斜拉索进行防腐，但是很多防护方法在某种程度上 是不成功的。特别是斜拉索，由于腐蚀的作用，其使用的质量均过早地衰退了，甚至出现了安全事 故。 德国汉堡的k o h l b r a n d e 珩u ，桥z j ，由于斜拉索腐蚀严重加之由于车辆行驶而溅起的掺杂着 盐分的污永使斜拉索膨胀，建成的第三年就更换了全部的斜拉索，耗资达6 0 0 0 万美元，是原来造价 的四倍。委内瑞拉m a r a c “b o 桥”j ，建于1 9 5 8 1 9 6 0 年问，是世界著名的预应力混凝土斜拉桥。由于 当时的技术水平，拉索没有进行镀锌铜丝用亚麻油作为防腐剂，缠丝后袭面涂上红丹底漆和云母 板漆。涂溱层经不住风雨的侵蚀，上横粱上锚头处的罩盖率先损坏，使得钢索在于上锚头的接口处 发生锈蚀，总共1 9 2 根的钢索中有2 5 根严重锈蚀。1 9 7 9 年2 8 2 1 日有一根拉索由于腐蚀而突然断裂。 从此开始了桥梁的换索工程当时耗时2 年，耗资5 0 0 0 万美元才完成换索，但工程师们预目i 不久的将 来仍需换索。美国p 越c o - k e a e w i c k 为第一座现代斜拉桥，其拉索置于聚乙烯管中，并往管内注 水泥 浆。设计中考虐到黑色聚乙烯管的热膨胀系数比水泥浆和钢索大二倍为控制温度的作用井照顾美 观，在聚乙烯管外再缠绕了聚氯乙烯条带，原估计条件的使用寿命为2 5 年，由于受紫外线的作用 仅3 5 年就全部失效。 我国从7 0 年代中期开始建造斜拉桥，发展势头迅猛，雨后春笋般崛起的斜拉桥为国民经济的提 高发挥着巨大的作用。同时，由f 舫护措旌不够以及检4 手段不力。桥粱事故时候发生。我国广州 市海印桥”i ，1 9 8 8 年年底建成，1 9 9 5 年5 月2 5 日发生t 9 号索断裂事故，如图1 0 所示，后来发现15 号 索也有松动现象。调查表明管道压浆丁艺未能保证拉索顶部的饱满，造成拉索锈断。为了防止事故 的进一步发生，被迫进行全桥换索工程，耗资2 0 0 0 万t 工期半年。宜宾南门大桥”1 ，建于1 9 9 1 年， 2 0 0 1 年1 1 8 7 日突然倒塌，对断裂的4 对8 根吊杆所作检壹发现承重钢缆的确有一部分生了锈，影响 了承重能力。 * 一$ 绪论 1 2 国内外研究现状 图1 - 2 海印大桥 1 2 1 钢丝缺陷形式的分类 斜拉桥的每根悬索由上百根高强钢丝组合而成”】，每根钢丝进行了表面处理，钢丝束外面套上高 密度聚乙烯管，管内压潜水泥浆，使凝同的水泥浆与钢丝连成整体，井对钢丝进行严密的保护。 根据钢丝缺陷的不同形式，可将钢丝缺陷分为两大粪”： 1 局部缺陷犁( l o c a l i z e df a u l t ，简称l f 趔) ，娃指钢丝局部位置上产生的损伤，土要包括内 外部断丝、锈蚀斑点、局部形状异常等。 2 金属截面积损失型( l o s so f m e t a l l i cc r o s s s e c t i o n a la r e a ，简称l m a 型) 是指造成钢丝横 截面上金届截面积减小的损伤，主要包括磨损、锈蚀，绳径变细等。 1 2 2 钢丝无损检测技术的分类 所j 日钢丝的无损检测，就是在不破坏钢丝使的情况f ，应用一定的检测技术和分析方法，对 钢丝的状态特性加以测定，井按一定准则对其评价的过程”“。 撮原始、最简单的无损检测方法是 工目测检测法。人工目测检测法( v i s u a l i n s p e c t i o n ) 是这样 进行的：检测人员站在钢丝绳旁，手抓而纱井打磨钢丝绳，钢丝绳以检测速度运行，若出现持纱 则疑为断丝井将钢丝绳停止在该位置仔细观察。由于该方法非常简单，故至今仍被广泛应用。然而， 随着钢丝绳生产t 艺和材料的发展，制绳用的的钢丝经过了预麻力处理，使得钢丝断口具有收敛性 而不外翘：另一方面钢丝绳的润滑使得其表面形成较厚的油泥，这些均给人t 目视检测带来困难。 在这种情况下，人1 目法只得对铡丝绳逐段仔细检查，虽然如此，铜丝绳内部缺陷仍然无法发现， 这就要求研究其他的钢丝绳。 东南大学硕七学位论文 由于人工目测检测法检测钢丝绳缺陷时可靠性较差，国内外学者又研究并提出了很多适合于钢 丝绳状态检测的无损检测方法：其中具有代表性的有这样几种：1 ) 声学检测法；2 ) 机械检测法；3 ) 射线检测法；4 ) 电流检测法：5 ) 光学检测法；6 ) 电涡流检测法；7 ) 超声波检测法；8 ) 振动检测 法：9 ) 声发射检测法；1 0 ) 电磁检测法。在上述方法中，前四种或因检测信号易受干扰，或因检测 结果难以记录，或冈设备成本太高，或因检测性能太差，至今也没有能够走出实验室。其他方法均 有在应用上成功的例子。而电磁检测法，是目前公认的最可靠的钢丝绳检测方法，又因该方法长期 受到重视，它也是最为成熟的一种方法。钢丝绳大都采用导磁性能良好的高碳钢制成，很适合子利 用电磁检测法进行检测。同时，电磁检测法还具有成本低，易于实现等优点，故而目前实用的钢丝 检测技术和方法几乎都采用电磁检测法。 1 2 3 钢丝无损检测技术的发展 1 9 0 6 年，南非人m e c a n n 和c o l s o n 共同开发了第一台钢丝绳电磁无损检测装置，该装置使用交 流螺旋管对钢丝绳进行磁化，根据检测线圈感应电动势的变化来测定钢丝绳截面积的变化，这种方 法采用交流( a c ) 励磁，称为a c 方法。由于集肤效应，a c 方法的测量精度很差。1 9 2 5 年，德国的 c h a p p u z e a v 又首次提出了基于漏磁的钢丝绳电磁无损检测方法，该装置利用直流线圈磁化钢丝绳， 利用检测线圈检测漏磁场，则可以测量钢丝绳的局部损伤缺陷。后来，这种方法在分离式径向感应 线圈面世之后，得到了广泛的应用。由于采用直流( d c ) 励磁，故称为i x ；方法。在i x ；方法的基础 之上，1 9 2 2 年到1 9 5 5 年国外开发了很多钢丝绳无损检测仪器，但这些仪器的检测信号信噪比比较 低，检测结果可靠性较差。同期形成的无损检测技术和仪器都不成熟，研究工作处于钢丝绳电磁无 损检测技术的探索时期。 从2 0 世纪6 0 年代开始，钢丝绳无损检测技术进入了一个新的阶段一一系统研究阶段，各国学 者全面研究了励磁装置、检测装置和缺陷特征，取得了一系列成果，使得电磁无损检测技术日益成 熟，并形成了相应的检测仪器，同期我国也开发出第一代t g s 型钢丝绳探伤仪。在这一系统研究阶 段，重点是研究能够得到稳定、可靠、明显的钢丝绳缺陷信息的检测方法及其装置。测取的信号是 模拟信号，采用笔式记录仪或磁带机记录，检测信号的解释主要依靠人工进行，以至于检测结果受 人为影响较大，所研制的仪器均处于模拟仪器或电子仪器阶段，精度和智能化程度都不高，但它们 是钢丝绳检测技术上的一大进步，成为钢丝绳检测的辅助手段。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着材料科学、数字技术和计算机技术及集成电子电路的迅速发展，为 钢丝绳损伤的自动定量检测奠定了坚实的基础，钢丝绳的检测技术进入了一个崭新的发展阶段。这 一时期的研究，主要集中在检测信号的分析处理方法与研究上，信号处理装置向集成化、数字化方 向发展。m j b e r g a n d e r 博士研究了利用检测信号有关数据估算钢丝绳缺陷的数字计算方法，并在实 践的基础上推导了定量确定缺陷的计算公式，但由于该方法自身的局限性使得很难在现场实现。 e k a l w a 博士和k p i e k a r s k i 教授对钢丝绳检测装置进行了多种方式的改进，并进行了大量的试验研 究，找到了缺陷特征与检测信号之间的一些对应规律。美国n d t 公司的h r w ei s c h e d e l 博士【l 弘b j 深入研究了钢丝绳各种检测装置，对检测线圈又做了进一步的改进，增加了积分电路。这种检测装 置可定量检测钢丝绳截面积损失，定性分析断丝等局部缺陷。加拿大矿业能源技术中心的e k a l w a 博士【1 6 。2 1 】重点研究了应用霍尔组件检测钢丝绳漏磁通和主磁通的方法，通过大量的实验，深入分析 了钢丝绳局部缺陷与检测信号的定量关系，找出了部分缺陷定量特征与检测信号之间的一些关系。 我国直到上个世纪六十年代才开始对钢丝绳无损检测技术的研究，目前国内开发的钢丝绳探伤 仪主要是断丝检测装置。华中理工大学的杨叔子等人1 2 2 - 2 5 1 从8 0 年代开始重点研究了钢丝绳断丝的定 量检测。他们采用电磁检测法，用永久磁铁将钢丝绳磁化至饱和，用集成霍尔元件采集钢丝绳周围 轴向的漏磁通信号，用码盘控制采样的间距，用计算机或单片机处理数据，大量研究了励磁磁路、 信号处理的方法，并研制成功了m t c 9 4 探伤仪，可以定性地检测钢丝绳的局部异常缺陷。在此基 础上，他们又研制了g d j y 系列钢丝绳断丝定量检测仪，并在传感器上采用“磁聚”技术检测漏磁 场，实现了漏磁探伤检测技术的突破。可以对断丝进行定量检测。2 0 世纪8 0 年代末，洛阳涧西矿 冶机电研究所成功研制了g x t 型断丝检测装置，采用动态感应线圈检测断丝信号，主要用于检测 4 第一章绪论 局部损伤。1 9 8 6 年，抚顺煤炭分院从英国引进l m a 2 5 0 型钢丝绳探伤仪并在消化其关键技术的基 础上，同哈尔滨工业大学合作，采用单片机系统，成功研制了g s t 型钢丝绳探伤仪，这是国内第一 个可同时进行l m a 和l f 检测的探伤仪。后来，国内又陆续出现了相似类型的探伤仪。 目前可以说，钢丝绳无损检测技术向着多功能、高精度、操作简单、智能化、微控制器辅助检 测方向发展。我国学者已经掌握了钢丝绳电磁无损检测的基本原理和关键技术，并在该领域的某些 方面具有独到之处。但是同国外相比，我国钢丝绳无损检测技术的成熟程度还有待提高，国产探伤 仪的生产工艺、系列化程度、集成化程度与国外同类产品相比还有一定差距，这也为我们提出了研 究方向。 1 3 课题背景与论文意义 本课题隶属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进制造领域智能机器人技术主题的立项 资助项目“桥梁悬索检测机器人关键技术研究”( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 2 3 4 ) ，是其中的一个研究部 分。在电磁无损检测理论和方法研究的基础上，以对悬索钢丝充分励磁以及检测其漏磁信号为研究 目标，研究能对其充分励磁、均匀励磁的装置，并且寻求最简捷有效的数据处理方法对检测信号进 行分析，提取漏磁信号。 经以上分析我们基本可以明确斜拉桥悬索损伤检测系统的研究目标和方向。首先我们选定电磁 无损检测方法作为我们研究的基石，然后在此基础上，结合实际斜拉桥悬索的具体情况，设计能适 应对其进行励磁检测的装置，最后我们的目标就是尝试使用不同方法对检测到的信号进行处理，得 到直观的损伤信号，在不同方法的比较中找出最有效、简单的。 课题研究的任务可由理论研究、结构设计和最后的实验环节三部分组成。在理论研究的基础上 设计出有效的励磁检测装置，最后通过实验验证装置的有效性，并通过对实验数据的处理得到可靠 的数据处理方法。 本课题的研究意义在于： 1 提出一种方便而又有较高准确性的方法来检测斜拉桥悬索，从而保障大型基础设施的安全， 具有很大的工程实用意义和巨大的经济效益。 2 将斜拉桥悬索损伤检测系统设计成为一个模块，以桥梁悬索爬升机器人为搭载平台。在此基 础上，可以利用悬索爬升机器人这个平台，设计各种不同的模块，对桥梁悬索进行不同方面的检查。 根据现有的研究成果分析，课题的技术难点有： 1 从电磁检测理论的应用来看，大多是对小直径钢丝绳的检测，对大直径悬索进行检测的研究 不多，所以这样的检测方法是否在大直径悬索的检测上行之有效是研究的一大难点。 2 对大直径悬索的励磁不难，但是一旦搭载在爬升机器人上，就要求励磁器必须轻便，这就增 加了研究的难度。且斜拉桥的悬索规格不一，对于不同直径的悬索，能否设计出一个通用的励磁检 测传感器就有了难度。 3 由于是对桥梁悬索进行检测，故试验现场的很多实际问题与不确定性让检测信号中包含了许 多干扰信号，如何采用合适的数据处理方法提取有用的信号会比平时困难。 4 在悬索的检测过程中，需要数据处理程序可以实时的反映损伤信号。 1 4 本章小结 本章简单的介绍了斜拉桥，阐述了其由于自身的优势而被广泛采用，用时也指出了因为斜拉桥 悬索的损坏而带来的重大事故，描述了悬索钢丝损伤的检测技术以及国内外的研究现状。详细论述 了课题研究的背景与研究意义。最后根据已有的研究成果，总结了本课题需要面i 临和解决的问题难 点。 5 东南大学硕士学位论文 2 1 悬索结构 第二章悬索结构及检测原理 2 1 1 悬索钢丝 斜拉桥问世近五十年来，己相继诞生了几百座斜拉桥，悬索的材料也产生了钢丝绳、平行钢丝、 平行钢绞线几种形式。目前，7 m m 钢丝编制的平行钢丝束仍是主要采用的悬索形式。悬索钢丝是斜 拉桥的主要承重构件单元，所采用的7 m m 高强钢丝属于低松弛级的产品( 1 0 0 0 小时松弛损失不大于 2 5 ) 。斜拉桥对钢丝的要求基本一致，每座桥并无专用性。 悬索钢丝的制造是用经过热处理( 斯太尔摩控冷、铅淬火、盐浴处理) 的高碳钢线材( s w r s 8 2 b 琴钢丝线材) ，经过拉拔后热镀锌，最后再经过拉拔和稳定化处理制成。 早期的0 7 m m 悬索钢丝的强度一般为1 6 0 0 m p a ，随着斜拉桥跨度的增加，钢丝强度要求提高 至1 6 7 0 m p a 。由于钢丝规格较大，进一步提高强度有一定困难，因为钢丝制造采用的线材规格一般 为1 3 舢m 1 4 m m ，拉拔压缩率仅7 0 左右，镀锌过程还会损失部分强度，继续提高线材规格受 到拉拔设备的限制，成品钢丝强度一般在1 7 0 0 m p a 左右。然而随着斜拉桥的发展，镀锌丝强度的提 高也是必然趋势1 2 引目前在一些特大跨度斜拉桥( 跨度大于8 0 0 米) 的前期设计中对钢丝强度提出了 1 7 7 0 m p a 的要求。既然提高线材规格不现实，比较有效的方法是提高线材的原始强度。另外在工艺 安排上，增加镀锌前半成品钢丝尺寸，可有效地提高最终成品钢丝的强度。因为一方面，镀锌前半 成品尺寸增大，意味着镀锌前的冷加工拉拔压缩率减少，热镀锌过程中的强度损失也相应减小，另 一方面，镀锌半成品尺寸的增加，加大了成品拉拔中的压缩率，使加工硬化率提高l z7 。 斜拉桥悬索要承受车辆的静、动载荷和风振造成的脉动循环应力，特别是铁路车辆，运行要求 更高，大桥悬索除了应具有高强度、高韧性、高稳定的弹性模量外，为了保证桥梁的使用寿命，还 要求有高耐疲劳性能和防腐能力，这些均与悬索制作质量有着密切的关系，特别对于斜拉桥桥主缆 而言，因其不可更换的特点，设计要求的寿命都在1 0 年以上。 一座大型斜拉桥每根悬索由多达数百根钢丝组成，为保证悬索的强度和弹性模量，悬索采用的 是平行钢丝束的形式。目前为止，平行钢丝束的架设大致采用p s 法嵋引，又称预制平行钢丝束法，大 约在2 0 0 3 年开发成功。此法是在工厂内将规定根数的钢丝拥扎而成预制钢丝束( 又称p w s ) ，将此p w s 绕在卷筒上以后运输到现场，然后在现场展开进行架设。 斜拉桥镀锌丝性能在很大程度上影响了桥梁性能，合理地规定钢丝性能对斜拉桥的设计很重要， 经归纳，镀锌钢丝的主要性能有以下几方面1 2 观： 1 线径及其偏差。设计时往往是根据悬索断面的理想排列，先确定钢丝根数，再反求线径，一 般线径选定在5 0 0 一- 0 5 5 0 m m 之间。单丝钢丝一般取0 0 5 m m ，线径及偏差均指镀锌后。除了单 丝的允许偏差外，为保证悬索的安装精度及线形，设计中还规定了整个悬索的平均线径允许偏差， 整缆o o l m m 。 2 强度。悬索钢丝的强度是设计的重要指标，除极限强度外，还有屈服强度的规定。目前普遍 采用的极限强度为1 6 7 0 m p a 。屈服强度一般规定为残余应变为0 2 时的强度或应变为0 7 时的强度， 这两者数值接近，一般为设计强度的7 0 0 o - 8 0 ，屈服强度反映了出现塑性流动前的强度。不作特别 说明时，计算强度的面积是包含锌层在内的钢丝截面积。 3 弹性模鼍。弹性模量对斜拉桥悬索来说是项很重要的指标，悬索索股的预制、安装，成桥 后的线形控制、受力和变形均与弹性模量有商接的关系。设计要求弹性模量有较高的数值，并且不 能有过大的离散性。然而弹性模量理论上是材料的一种固有特性，与加工工艺及组织状态联系不大， 而与材料内部的原子排列有关。设计一般规定镀锌丝的弹性模量为1 。9 2 1 x 1 0 5 m p a ，弹性模量计算 采用的是包含锌层在内的钢丝横截面积。 4 韧性指标。镀锌丝的韧性指标包括延伸率、扭转、反复弯曲和缠绕。延伸率是主要的塑韧性 6 第二章悬索结构与检测原理 指标，一般要求大于4 。扭转曾经是一个有争论的指标，有人认为它是与反复弯曲、缠绕性质相似 的性能，但大量的实验显示，反复弯曲、缠绕均合格的钢丝，扭转性能不一定合格，从本质上来说， 扭转是材料内外缺陷的综合体现。 5 松弛和疲劳。应力随时间推移而减少的现象称为应力松弛，它是材料在应力作用下发生蠕变 的结果。当钢丝承受的永久应力超过极限强度的5 0 时，松弛迅速增大，斜拉桥的设计中主悬索的 安全系数最小也达n 2 ，若恒载占8 5 ，永久应力也仅是极限应力的4 3 ，因而斜拉桥桥主悬索钢丝 不考虑低松弛要求，一般采用普通松弛或无松弛要求的钢丝，普通松弛要求7 0 初载1 0 0 0 d 、时的松弛 损失不大于7 5 。影响疲劳性能的关键因素是应力变化的幅度。 6 锌层重量及均匀性。镀锌层的阴极保护作用是钢丝及悬索防护的最重要的措施。对锌层的要 求有单位面积的锌层重量、硫酸铜腐蚀次数和锌层附着力。硫酸铜腐蚀实验是在一定温度及浓度的 硫酸铜溶液中，镀锌钢丝每次浸渍1 分钟所能试验的次数，光亮的锡在锌层最薄弱的一面首先析出， 它反应的是镀层的均匀性。锌层附着力试验是通过5 d 芯棒缠绕2 周以检验锌层是否开裂剥落。 2 1 2 悬索防腐 悬索系统腐蚀失效的原因可分为防护体系的失效和成品索病害1 3 叭。 悬索系统防护体系失效：1 ) 上端锚混凝土收缩裂缝，雨水顺缝流入悬索内，锈蚀钢丝，虽然采 用灌注黄油防护，但是由于黄油容易干缩老化，起不到防护作用或防护作用减弱，当水渗入就会锈 蚀钢丝。2 ) 短索防护钢管变形，引起上端拉开裂缝，雨水或者其他腐蚀性介质由缝隙进入，同时由 于钢管内水泥浆裂缝而锈蚀钢丝。3 ) 防护钢管灌入水泥浆，由于水泥浆泌水，留在上端不排出而锈 蚀钢丝，导致断索。4 ) 防护层老化、裂缝从而导致内部钢丝锈蚀失效。 成品索病害：1 ) 施工时，成品索未保护好，例如索体在施t 过程中不断受到拖拉，如果施工工 艺不规范就会造成保护层磨损。或者在吊装过程中防护措施不够就会把索体保护层勒裂。2 ) 护套强 度低，运营过程中被拉裂。3 ) 系杆拱下端预埋管积水，一种是水从外界进入预埋管，另一种是预埋 管内冷凝水结露水，导致索体和锚都锈蚀。4 ) 成品索钢束表面镀层破坏、锈蚀，有膨胀起鼓现象。 改革开放以来，我国修建了大量的斜拉桥，悬索系统的构成和防护体系也在不断更新和优化p ， 但悬索系统的损坏已经开始显露，有的已经由于悬索系统的腐蚀失效酿成事故，对此已经引起了相 关部门的高度重视。 目前常用的悬索钢丝防护体系为：1 ) 钢丝镀锌，据有关资料介绍，以4 0 0 9 m 2 计镀锌层的估计 寿命为2 1 年。2 ) 高密度聚乙烯( p e ) 护套，目前大量采用的p e 护层按照实验室数据来推断在大 气环境中防腐寿命一般在2 5 年左右。3 ) 防腐油脂，在平行拉索内填充防腐油脂或其他类似化合物， 能较好地解决当前拉索存在的防腐问题，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 拉索防腐体系截面图 7 东南大学硕士学位论文 2 2 钢丝无损检测原理 虽然前文中提到多种钢丝无损检测方法，但是很多方法或因检测信号易受干扰，或因检测结果 难以记录，或因设备成本太高，或因检测性能太差，至今也没有能够走出实验室。只有部分方法有 在应用上成功的例子。而电磁检测法，是目前公认的最可靠的钢丝检测方法，又囡该方法长期受至4 重视，它也是最为成熟的一种方法。钢丝大都采用导磁性能良好的高碳钢制成，很适合于利用电磁 检测法进行检测。同时，电磁检测法还具有成本低，易于实现等优点，故雨目前实用的钢丝检测技 术和方法几乎都采用电磁检测法。 电磁检测( e l e c t r o m a g n e t i ct e s t i n g ) 原理是基于铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率至少大1 0 0 倍l j 川，当用一定的励磁装置将被检测的铁磁材料磁化到临界饱和状态，一旦铁磁材料表面和内部出 现缺陷时，由于铁磁材料局部磁导率降低( 磁阻增加) ，一部分磁场将会从铁磁材料中外泄出来，这 一外泄的漏磁场( m a g n e t i cl e a k a g ef l u x ) 将被传感器检测出来，如图2 2 所示。 二八 逝i s 鼍藩盘 轭铁 、? ? 一 佃 、n 、岗一 _ s l 一 盯 l o( ：一j p 心 三 夕 图2 2 电磁检测原理 当材料中的磁力线遇到外面或内部缺陷产生的材料间断时，磁力线将会发生聚集( 畸变) 从而 引起可被检测的漏磁变化f 3 3 j 。如图2 3 所示是两种缺陷：外部缺陷( e x t e r n a ld e f e c t ) 和内部缺陷 ( i n t e r n a ld e f e c t ) 漏磁检测信号的特征。 u l 八人 一 外部缺陷内部缺陷 图2 - 3 内外部缺陷产生的磁场分布及其检测信号 铁磁性材料的磁化特性曲线如图2 - 4 所示。其中a b c d 为磁化特性曲线，d e f 为退磁曲线，d e f g h k d 回路构成磁滞回复曲线。根据材料在不同曲线上随磁场变化的特性，可以得到些特殊的检测方法， 而在磁检测中，主要应用的是a b c d 曲线和d e f 曲线。 8 第二章悬索结构与检测原理 曰j 剩磁、 b r 曲线一j 7 l r a i g h c 少回线7 图2 - 4 铁磁材料的磁特性曲线 从曲线图可以看出，磁化力日从a 点( 0 点) 增至b 点，磁通密度b 和日都呈非线性增大。从 a 点到b 点区域( 瑞利区) ，构成材料的磁畴从显示零磁通密度的网状取向变成相对趋向日方向的排 列，但其形状还未改变。当日从b 点向c 点增加时，磁通b 显著增大。此时有两个过程同时发生， 即那些与成较大夹角排列的磁畴重新趋向于与方向更接近的排列，并且那些与日取向接近的 磁畴通过合并邻近磁畴逐渐长大。从c 点到d 点，在较多磁畴改变为取向的同时，磁畴的数量进 一步减少，其结果是磁通曰量的增长越来越小。现在，这第二个机制，即磁畴生长机制，处于磁化 过程的支配地位。在此直至d 的区域，所有的磁畴方向基本排列整齐，而磁化仅随日缓缓增大。d 点称为磁饱和点。 在磁饱和后去除外磁场，磁化密度回到b r ( e 点) ，这就是剩磁，即h = o 时的磁通密度。剩磁对 晶体结构、材料应力和缺陷密度程度非常敏感，这些因素都有使磁通趋向于磁饱和的倾向。当日缓 慢倒向时，最初存在日为负而b 为正的局面。铁磁材料可以维持这种退磁状态，直至它不能再维持 磁通为止，此时外加的磁场有足够能量去克服维持磁通的力。当这种情况发生时，日的微小增量就 能使磁通倒向并几乎达到反向饱和。将磁通密度降至零所需的日值称为矫顽磁力h c 。 b h 比值定义为材料的磁导率。在国际单位制中，它被描述为： 旦：玩l u 式2 1 百2 j l i 瓦2 j 式中为自由空间磁导率，为相对磁导率。 材料的磁导率本身没有意义，但在特定的日或b 值下，其数值却是有意义的。在磁性无损检测 中不连续的附近局部地区的口和的数值可能改变，这样可通过漏磁通检测方法来评定材料的缺陷 尺寸。在作剩磁场检查时，必须确知被检测对象已被充分磁化，可在缺陷处产生漏磁场。 福斯特模型是漏磁通检测技术的理论基础。如图2 5 所示，在气隙中的磁场强度n g 是均匀的， 磁场强度或漏磁通随着距狭缝口的距离增大而减小。 9 东南大学硕士学位论文 漏磁场 气隙 x ( l g ) 在被检测对象上方的泄露磁通可由下式给出： 皿( 竽) ( 寿) 姐2 q - ( 竽) ( 南) 靓3 式中以为气隙中的磁场强度，l s 为气隙宽度。 在气隙正上方的漏磁场n d , n 由式2 2 中的x = 0 给出，其结果是： 皿o ：o ) ：盟 式2 4 由式2 4 可知，漏磁场的大小与提离值y 成反比，与以乞的乘积( 气隙内部的磁场强度与气隙宽 度的积) 成正比。因此，对于相同的以值，当缝宽增大时，此缝的漏磁场也将增大。 由式2 3 可知： 一d h , ：盟堡 式2 5 出丌 ( x 2 + y 2 ) 2 在x = 0 处，它给出与最大值信号成正比的值： f ，堡1 ：鸳 姬6 id xlt r y 2 一。 在此情况下，传感器对缝隙漏磁场的灵敏度按y 2 关系随提离而降低。 第二章悬索结构与检测原理 2 3 钢丝的磁化 在磁性无损检测中，磁化是实现检测的第一步，它决定着被测对象能否产生出可被测量和可被 分辨的磁场信号，同时也影响着检测信号的性能特性和检测装置的结构特性。因此针对被测构件的 结构特点和测量目的，选择磁化方式和磁化强度是磁化的关键。 作为一种由优质高碳钢材料制成的钢丝，它具有高的导磁性能，其相对导磁系数近1 0 0 0 ，是 一种典型的铁磁性材料。故其磁化曲线特征、内部磁感应强度和磁导率大小随外部磁场强度变化规 律等都可参照铁磁性材料的相应磁特性来研究。 2 3 1 钢丝磁化方法的选择 在钢丝的电磁无损检测原理的应用中，钢丝的磁化方法多种多样，从所选择的励磁源的性质来 分，有交流励磁法和直流励磁法。交流励磁法由于在钢丝表面产生集肤效应或涡流，现已逐渐被淘 汰。根据采用的直流励磁源不同，直流励磁方法分为直流有源励磁和永久磁铁励磁两种情况，直流 有源励磁具有励磁强度可以调整的优点，但是一般重量较大、结构复杂，而且工作时，还需提供配 套的直流供电设备。永久磁铁的励磁强度一般不能调整，在相同的励磁效果下，对于中小直径钢丝 绳( 直径小于4 0 r a m ) ，采用永久磁铁励磁方式无论在体积、重量、使用方便性，还是在检测成本上， 与直流有源励磁方式相比都有明显的优越性。特别是随着近几年新型永磁材料的开发和应用，永久 磁铁励磁正越来越多地代替直流有源励磁方式。鉴于以上优点，在钢丝的断丝探伤传感器的励磁装 置中，本论文研究选用永久磁铁作为励磁源。 现有的磁化钢丝用的励磁同路一般都如图2 6 所示，它由永久磁铁、软磁连接体、极靴、钢丝、 气隙等五部分组成。励磁回路要求以最低的成本、最小的体积、最轻的重量、最优的性能，使钢丝 中的磁场强度达到设计要求。为减小回路体积，提高励磁同路性能，一般选用高剩磁、高矫顽力、 高磁能积的永磁材料。结合钢丝探伤检测实际，综合考虑各种永磁材料的特性，选择稀土材料的永 久磁铁是比较理想的。稀七永磁材料矫顽力h e 很大，同时剩磁肼较高，基本能够满足钢丝绳磁化饱 和的要求，而且最大磁能积及磁稳定性均属优良，温度系数低，可在大范围温度下稳定工作。本研 究中选用的是钕铁硼稀士永磁材料作为励磁同路的励磁源。因为烧结钕铁硼永磁材料一方面冈其具 有创纪录的高剩磁、高矫顽力、高磁能积；另一方面又因为钕铁硼磁铁是一种铁基材料，成本低廉 而倍受世人关注。 恢 图2 _ 6 永磁励磁回路 软磁材料是励磁同路中形成磁力线通路不可缺少的组成部分，其在励磁磁路中用来改变磁力线 方向，减小回路系统的磁阻，增大关键部位的磁通密度，聚集磁场。软磁材料磁轭一般选择最大磁 导率与饱和磁通密度都高的材料，如工业纯铁等。本研究所选用的软磁材料为工业纯铁。 2 3 2 钢丝磁化强度的选择 磁化强度的选择是以缺陷或结构特征产生的磁场能否被检测到为前提，一般要求以足够强的磁 东南大学硕：t ：学位论文 场进行励磁以获得磁敏元件可以测量的磁场。另外，检测信号的信噪比和检测装置的经济性也应成 为考虑的因素。很明显，随着磁化强度的加强，检测装置的体积、重量和成本将随之升高，因此， 必须多方面综合考虑，择优选择磁化强度。 磁化应针对铁磁性材料的磁特性进行，图2 7 为铁磁性材料的典型磁化特性曲线和磁导率随磁 场强度变化的曲线。 0砌3691 2 磁场强度( a c m ) 8 0 0 4 0 0 2 0 0 图2 7 铁磁材料的典型磁化特性曲线 图2 7 中，砌为材料的最大相对磁导率点，m 点在磁化曲线上，对应于p m 点，为磁导率取最 大值时的磁场强度。一般来讲，相对磁导率随材料被磁化的强度呈非线形变化，远大于空气隙磁导 率( 1 0 0 0 0 0 3 1 0 0 0 0 0 4 ) 。从有利于缺陷信号检测来看，材料的外加磁场强度应大于砌，此时材料 的磁导率处于砌点右侧。这是因为当材料中的磁场强度小于h m 时，材料的磁导率处于砌点左 侧，这样材料的磁感应强度还会有增进的余地。若某处出现缺陷，缺陷附近的材料中的磁场将增强， 磁导率也将增大，这样，缺陷断口附近空气隙外泄的漏磁通量相对减小，从而减小了该传感器对缺 陷的敏感度。当材料的磁化磁场强度大于砌后，缺陷产生的漏磁场强度将随着激励磁场强度的增 大而增大，当磁化到饱和区以后，材料的磁感应强度变化缓慢，增加的激励磁场强度几乎全部