高强钢丝断裂声发射试验研究

钱 骥， 孙利民， 蒋 永

(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

拉索是索承结构体系桥梁最重要的受力构件之一，在受外界复杂环境条件及桥梁自身的动力荷载作用下，索体的安全性和耐久性越来越受到重视。由于实桥索体受PE层保护，很难直接观测到钢丝的破坏状态，而采用声发射等间接手段进行索体健康监测是一种有效的方法。声发射作为一种实时动态的被动无损监测方法，其所监测的信号直接来自于损伤源，通过对传感器实测信号的数据分析，可以实时判断结构损伤源的类别和严重程度[1]。

目前，声发射技术已经广泛应用于航空航天、机械制造、化工和土木工程等诸多领域。在桥梁工程中，主要用于混凝土裂纹[2]、预应力钢筋缺陷[3]及拉索状态的监测[4]。早期对声发射的研究主要采用参数分析，是在全波形中提取部分特征信息，其对于连续的损伤发生过程做趋势性分析比较适用，但对于一些突发性损伤的识别不够精确。Casey等[5-6]曾详细讨论了钢索构造、尺寸及断丝数量等对声发射监测结果的影响。Drummond等[7]采用声发射监测拉索的疲劳过程，建立了特征参数分布与疲劳过程的关系。Nair等[8]采用声发射进行损伤预警时，也是基于声发射参数的统计分析结果。李冬生等[9-10]在进行桥梁吊杆钢绞线的损伤研究时，运用声发射特征参数相关图，识别断丝与非断丝信号，将声发射特征参数的分形维数变化作为钢绞线的失效判别依据，并建立了基于声发射累积能量的拉索疲劳损伤演化规律。声发射分析的另一张方法是基于全波形采集，根据声发射过程中采集到的全波形数据进行损伤识别，其不同于参数分析的特点是信息完整，能给出更为精确的损伤特征，但是数据分析量大，过程复杂。Jin等[11-12]对拉索中钢丝的破坏做过一些试验，并用有限元模拟了钢丝中弹性波的传播过程，结果与理论时频分布有诸多相似性。 Rizzo等[13-14]等采用波形的时频特性分析了7根钢丝中纵波和弯曲波传播时的幅值衰减和频散效应，提出了钢丝束中易于进行远距离损伤识别的波形模式。

索内钢丝的破坏，基本都是有损伤条件下的单根钢丝失效，对单根钢丝断裂过程及在索内传播后的波形特征分析，是拉索断丝损伤源识别的基础。该文通过高强钢丝及拉索的拉伸破坏试验，获得钢丝裂纹扩展及断裂瞬间的声发射波形，以及声源波在索中传播一段距离后的波形特征。

1 试验方法

试验分两部分进行，第一部分为单根钢丝张拉试验，第二部分为拉索张拉试验。AE采集设备为美国PAC生产的PCI-2声发射采集系统，信号采样率均为1MHz，传感器采用R15，门槛值为60dB，前置增益20dB，传感器直接黏贴于钢丝及拉索表面，采用专用耦合剂耦合。

单根钢丝张拉试验设备如图1所示。试验钢丝为桥梁索中常用的直径5 mm镀锌高强钢丝，强度为1 860 MPa，钢丝长度50 cm，中间位置预制环向0.6 mm深刻痕，两传感器对称布置在离中间刻痕点10 cm位置处采集AE信号。

拉索张拉设备如图2所示。拉索采用工厂定制，总长度为14 m，截面包含91根5 mm直径平行钢丝(图3)，PE层为工程常用厚度，索内有5根钢丝预制刻痕，刻痕位置如图4所示，刻痕深度为环向0.6 mm。钢丝与拉索的张拉设备均采用液压千斤顶，逐级张拉，直至刻痕钢丝破坏。

2 试验结果分析

图3 索截面图

图4 刻痕点布置图 (单位：cm)

钢丝在张拉起始阶段，裂纹处于萌生状态，位错塞积所产生的AE能量很小，其信号通常泯没于环境噪音之中，难于被接受到，随着张力的增大，微裂纹缓慢扩展，能被系统识别到的AE信号也增多，当更多的裂纹产生并相互贯通之后，裂纹处于失稳扩展状态，大量高能量的AE信号被采集，由于裂纹贯通造成有效截面减小，最终钢丝会出现半脆性断裂。破断所产生的AE信号明显有别于前期的裂纹扩展信号，提取钢丝破断前的一段AE波形如图5所示。

图5 断丝信号全波形图

2.1 单根钢丝裂纹扩展信号

单根钢丝张拉试验，信号来自于离刻痕点等距离的两个传感器，从两个传感器接受到信号的时间来看，小波包到达传感器的时间完全相同，可以认定这些应力波均来自于中间刻痕点，属于裂纹扩展及断丝信号，而不是两端锚具的滑移及其它噪音。从图5中可以看到，在一个非常短的时间内，断丝前沿就出现了多个裂纹扩展所释放的波包，随机选取其中能量相差较大的两个波包分析比较，高能量波包波形、频谱及时频图如图6～8图所示，低能量波包波形、频谱及时频图如图9～图11所示。

图6 高能量裂纹扩展波形

图9 低能量裂纹扩展波形

从波形图6及图9中可以看到，裂纹扩展所产生的AE信号，其幅值衰减较快，不同裂纹所释放的应力波幅值和能量相差非常大。

裂纹扩展频率分布在四个频带内(图7,图10)，主频带在50-60 kHz，包含了绝大部分的能量，次频带在80 kHz左右，160 kHz和25 kHz左右也包含少部分能量，没有出现200 kHz以上的频率成分，总的来说，裂纹扩展信号所包含的频率成分非常丰富。

从时频图(图8,图11)中可以看到明显的时域周期性，第二条能量带应该是第一条能量带的端部反射波，两条能量带在高频位置时间间距短，低频位置时间间距长，表现出明显的频散特性。该波在200 kHz的频率范围内，随频率增高，波速会增大，结合圆杆的频率方程，认为第一条能量带中包含的主要能量为一阶弯曲波。经过多次反射，高频部分能量会逐渐耗散，频率越高，耗散越快，最后只余下50 kHz左右的主频部分。从时频图中可以看到，这两个能量相差较大的裂纹扩展信号，具有相似的频带分布及时频特征。

总共进行了15根钢丝的拉伸破坏试验，每次试验取8个幅值不同的裂纹扩展波包进行分析，综合各次试验结果中两个传感器接受到的不同裂纹扩展信号，结果发现，不同次试验的信号特征非常相似，试验具有可重复性；不同幅值的裂纹扩展信号之间能量可能相差有30倍以上，但是其频带分布和时频图的主要特征却相似，说明裂纹扩展信号的时频特征受其裂纹位置，开裂时间及裂纹大小等因素的影响较小。

2.2 单根钢丝断丝信号特征

大量裂纹相互贯通之后，钢丝发生破断，钢丝破断时产生的AE波形，其能量比裂纹扩展波形高许多，图5断丝部分包含有一系列高幅值的波包，文中只分析第一个和第二个波包，后续波包均是夹持端的反射波，不予分析。

图12 波包1全波形

图15 波包2全波形

比较图14与图8，可以看到二者具有一定的相似性，频域均包含4频带，位置相同，时域内的周期性也很明显，而比较图14与图17，二者则具有明显的差异，考虑波包1为断丝之前的一次裂纹失稳扩展波形，是钢丝发生破断的前兆，其幅值接近断丝波形，而能量则远小于断丝信号。

波包2为断丝波形，从图15～图17中可以看到，断丝信号波形具有高幅值，高能量，长持续时间，等幅值延续等特征，其频谱能量比较集中，峰值频率非常突出，主峰值出现在43 kHz左右。整个持续时间范围内，能量基本都分布在43 kHz的水平线上，其它频带所包含的能量非常小，在波形的起始阶段，包含有少量的高频成分。

15根钢丝张拉破断试验结果表明，时频图呈水平线分布这一规律具有一致性，而其它频带的小能量频率分布，不同试验有一些差异。

2.3 索中断丝信号特征

拉索张拉试验在上海浦江缆索厂液压千斤顶试验台座上进行(图2)，逐级加载持续张拉过程中，索内带有刻痕的钢丝会提前破断，断丝信号经相邻钢丝传到PE上，再被PE外侧的传感器接受，整个传播路径非常复杂，理论上很难建立应力波在这一传播过程中的物理模型，通过试验的方法获得离声源不同距离处的波形特征。

离断丝点较近的传感器接受到的波形，类似于单根钢丝张拉破断波形，离断丝点较远的传感器上，波形发生了变化。图18～图20为离断丝点1 m距离处传感器接受信号，图21～图23是离断丝点7 m距离处传感器接受信号。

从图18～图23中可以看到，离声源较近传感器接受到的声源波形，类似于单根钢丝张拉破断声源，其频谱峰值非常突出，主频率在43 kHz，时频图的绝大部分能量分布在一条水平的等频率能量带内，与单根钢丝破断声源的不同之处在于，其频谱峰值更突出，其它频段的频率能量更少了，这应该是应力波穿过PE层时，一些小能量频率成分因PE层的强塑性而被耗散。

断丝应力波在索中经过一段距离的传播，幅值出现衰减，所包含的能量也大幅减小，但其剩余部分的能量仍远高于仪器所能识别的精度。声源波在索内传播14 m后，频谱中主频的位置没有变，但是出现了22 kHz和9 kHz的频率成分，并且9 kHz的低频成分在高频消失之后仍然持续了一段时间，说明断丝声源应力波随传播距离的增加，全波形中的低频能量会相对增加。

图18 距离断丝点1 m处波形

图21 距离断丝点7 m处波形

2.4 不同声源波形特征的异同点

通过试验获得了单根钢丝裂纹扩展、断丝及拉索断丝信号，其AE波形分别具有不同的特征。

裂纹扩展波形相互之间幅值和能量相差较大，最大幅值接近断丝信号，频率成分丰富，包含有4个频带，主峰值出现在50-60 kHz，时频图呈现明显的周期性，大部分能量包含在一阶弯曲波内，不同的裂纹扩展波形具有相似的时频特征，不受裂纹大小及位置影响。

断丝波形具有高幅值、高能量、长持续时间等特征，频谱中的能量分布非常集中，峰值频率出现在43 kHz，时频图呈现一条等频率的时间带。

索内断丝声源传播到PE外侧时，离声源较近的AE波形特征类似于单丝断丝波形，远距离处则出现明显的幅值衰减，低频部分所包含的能量相对增加，高频衰减较快。

3 结 论

通过对单根钢丝和拉索的张拉破坏试验，分别获取了单根钢丝中裂纹扩展、钢丝破断及索中断丝点附近和远距离处的AE全波形，比较不同声源的波形、频谱及时频图特征如下。

(1)断丝波形具有高幅值，高能量，长持续时间，等幅值延续等特征；裂纹扩展波形能量较小，衰减迅速；索体断丝点附近测得波形类似于单丝破断，较远处幅值和能量均出现大幅衰减。

(2)断丝信号的频谱能量分布比较单一，出现在43 kHz左右；裂纹的频谱包含几个频带，主峰值在50-60 kHz，并伴有160 kHz的高频成分；索中断丝点附近波形的频谱峰值也非常单一，传播一段距离之后，会分离成几个频带，主峰值频率不变。

(3)断丝信号的时频特征呈现为一条等频率的水平带，裂纹扩展的时频分布中，高频部分出现在波形的初至段，随时间增长，高频能量快速衰减，整体能量包含在一阶弯曲波中，不同裂纹具有相近的时频特征。

(4)断丝声源与裂纹扩展声源在波形，频谱及时频分布上均有明显的区别，采用反演声源处的波形特征可以区分不同声源类别。

致谢感谢土木工程防灾国家重点实验室对该研究项目的资助，同时也感谢上海浦江缆索厂在试验过程中提供的帮助。

参 考 文 献

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