拉索断丝磁致伸缩导波检测信号特性实验研究

邹易清 武新军 蒋立军 龙跃 黄永玖 植磊

摘 要：在钢丝缺陷检测的基础上对拉索断丝磁致伸缩导波检测信号特性进行研究，通过对平行钢丝拉索制作断丝缺陷，详细分析研究不同断丝数量下导波检测信号的特性，得到缺陷回波反射系数与拉索缺陷截面损失率（即断丝根数）的关系，即断丝根数越多缺陷回波信号幅值越大，可对拉索金属承载面积进行检测，避免出现重大损失，为钢丝拉索的损伤磁致伸缩导波无损检测的工程实际应用提供了数据基础.

关键词：信号特性；拉索断丝；磁致伸缩导波检测；缆索体系；有效金属承载面积

中图分类号：U443.38 文献标志码：A

0 引言

缆索体系广泛应用于现代土木工程结构领域，包括悬索桥主缆、吊索，斜拉桥拉索，拱桥吊杆和系杆，大型场馆、展厅悬索及拉索等[1]；其失效的最主要原因是钢丝的锈蚀、疲劳及其耦合效应在外部风雨激振等产生的振动影响下引起的缆索内钢丝的断裂[2-4]；其有效金属承载面积直接关系到整体结构的安全和使用寿命，一旦出现有效金属承载面积损失，将会严重降低结构的安全性和耐久性，并且可能造成桥梁结构发生灾难性的突发破坏事故，如2011年新疆库尔勒孔雀河大桥垮塌、福建武夷山桥梁坍塌等桥梁事件均是由于缆索断裂引发的，造成极大的社会影响[5].因此对缆索体系的金属承载面积进行有效性检测非常必要.

磁致伸缩导波检测方法是利用铁磁性材料的磁致伸缩效应及其逆效应实施检测的一种方法.近年来，磁致伸缩导波由于具有单点激励即可实现长距离检测的优点得到了广泛而深入的研究，其在缆索损伤检测方面，具有检测效率高、非接触式、可以检测传统检测技术难以到达的区域、安装方便等优势[6]，逐渐成为应用广泛的缆索新型无损检测方法.

本文在钢丝缺陷检测研究的基础上[6]对拉索断丝磁致伸缩导波检测信号特性进行研究.通过对由钢丝紧密排布成束、外层包裹HDPE层的型号为PES7-61钢丝拉索制作人工断丝缺陷，利用磁致伸缩导波检测仪器采集1根～24根不同断丝根数的导波信号，并详细分析其特性，研究缺陷回波反射系数与拉索缺陷截面损失率（即断丝根数）的关系，从而达到对拉索金属承载面积损失进行检测的目的，避免出现由于拉索断裂引发的重大损失，为钢丝拉索的损伤磁致伸缩导波无损检测的工程实际应用提供数据基础.

1 拉索断丝磁致伸缩导波检测信号特性实验

1.1 实验对象

缆索体系主要包括主缆、拉索、斜拉索、吊杆、系杆等种类，钢丝作为基本构件在国内各种类缆索都得到普遍使用；本研究为了使实验样本可涵盖更多种类缆索并具普遍性，以及能在钢丝缺陷磁致伸缩导波检测信号特性研究的基础上进一步展开研究，选择了PES7-61平行钢丝拉索作为实验对象.

1.2 实验装置和试样

拉索断丝试样、实验装置及安装示意图如图1所示，实验装置是磁致伸缩导波检测仪器，其工作原理是计算机控制磁致伸缩导波检测仪器使激励线圈产生瞬态磁场，根据磁致伸缩效应，在线圈包围的拉索中产生双向弹性波；当遇到缺陷时，会产生反射回波，反射回波通过接受线圈时，基于逆磁致伸缩效应，在接受线圈中会感应到应变引起的电信号，该信号通过磁致伸缩导波仪器处理在计算机中呈现，通过对该信号进行分析，即可得到拉索状态信息；磁化器是为提高磁致伸缩换能效率[7].

实验试样为61丝平行钢丝拉索，其总长度为4 950 mm，两个线圈之间距离为1 000 mm，激励线圈距离拉索右端2 500 mm，缺陷距离激励线圈1 000 mm.利用切割机制作了环形表层钢丝，1根～24根不同数量的断丝缺陷如图2所示.所有实验数据均在此布置条件下采集.

2 磁致伸缩导波拉索断丝检测信号分析

2.1 拉索断丝磁致伸缩导波检测信号图（激励频率：50 kHz）

当拉索断丝7根，每根占61丝钢丝拉索截面积的1/61，换算横截面面积损失率AL=11.48%时，拉索断丝缺陷的磁致伸缩导波检测实验信号如图3～图4所示.可见磁致伸缩导波仪器能够对断丝缺陷进行很好地反馈和展示，对信号滤波处理后可以进一步消除噪声的干扰.

2.2 断丝缺陷回波反射系数和缺陷横截面面积损失率的关系

使用如下方法计算导波反射系数R[1]：

R=■ （1）

其中Vf为缺陷回波波包的峰峰值，Vp为通过信号波包的峰峰值.通过反射系数来研究缺陷面积对导波反射规律的影响.激励频率 30 kHz，40 kHz 和 50 kHz 滤波后反射系数与拉索断丝缺陷横截面面积损失率关系的实验数据如图5～图6所示.从实验结果可以看出：当面积损失率为6.56%（即断丝根数为4根）时，信号对缺陷已经有明显反馈；当面积损失率为11.48%（即断丝根数为7根）时，缺陷回波信号幅值较大；随着面积损失率的增加，即断丝根数的增加，缺陷回波反射系数随之增加，这为工程中对缆索断丝根数的检测提供数据基础.不同激励频率下的缺陷回波反射系数与缺陷面积损失率存在一定的对应关系：不同激励频率下，完好拉索（无断丝）本底噪声信号不同，从而反射系数起始值不同；激励频率越大，反射系数增速越快.

3 結论

缆索体系作为主要承载部件被广泛应用于现代土木建设，其在役使用状态定期检测、维护及更换能十分有效地防止整体结构的破坏和使用寿命的缩短.本文在钢丝缺陷检测研究的基础上对拉索断丝磁致伸缩导波检测信号特性进行研究，通过对由钢丝紧密排布成束、外层包裹HDPE层的钢丝拉索制作断丝缺陷，详细分析研究不同数量断丝下导波检测信号的特性，得到缺陷回波反射系数与拉索缺陷截面面积损失率（即断丝根数）的关系，即断丝根数越多缺陷回波信号幅值越大，达到了对拉索金属承载面积损失检测的目的，避免出现由于拉索断裂引发的重大损失.

参考文献

[1] 李平杰.多支承索杆振动参数识别研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2] 林阳子，游棉州，李春早，等.桥梁索杆内部锈蚀断丝无损检测技术运用[J].公路交通科技（应用技术版），2013（9）：98-100.

[3] 陈维雄，汪正兴，王波，等.沪通长江大桥主航道桥超长斜拉索阻尼减振方案比选[J].桥梁建设，2015，45（6）：7-11.

[4] 李暾，严宁.斜拉索风雨激振非线性分析[J].广西科技大学学报，2017，28（1）：1-5.

[5] 武新军，贲安然，徐江.桥梁缆索金属损伤无损检测方法[J].无损检测，2012，34（4）：12-16.

[6] 邹易清，武新军，龙跃，等.钢丝缺陷磁致伸縮导波检测信号特性实验研究[J].广西科技大学学报，2016，27（S1）：197-201.

[7] 邹易清，武新军，徐江，等.磁致伸缩导波技术在桥梁缆索腐蚀检测的研究进展[J].预应力技术， 2015（4）： 9-15.

Abstract：An experimental study of magnetostrictive guided wave detection signal characteristics based on cable broken wires is conducted. Through making the broken wire indication at parallel wires cable， we analyze the guided wave testing signal characteristics under different number of broken wires to get the relationship between the defect echo reflection coefficient and the loss rate of the sectional area （the number of broken wires）. The more the number of broken wires， the larger the defect echo signal amplitude is. The method can be used to test the metal loaded area and provides data basis for engineering application of the steel wires cable damage based on magnetostrictive guided wave nondestructive testing.

Key words： signal characteristics； cable broken wires； magnetostrictive guided wave detection； cable system； effective bearing area of the metal

（学科编辑：黎 娅）