桥梁缆索金属损伤无损检测方法

武新军，贲安然，徐 江

（华中科技大学 制造装备数字化国家工程研究中心，武汉 430074）

近年来，缆索在斜拉桥、悬索桥和拱形桥等大跨度桥梁建设中得到广泛应用。作为上述结构的关键承力部分，其有效金属承载面积直接关系到桥梁的安全和使用寿命。如最近新疆库尔勒孔雀河大桥部分垮塌、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，造成了极大的社会影响。目前对桥梁缆索的常规检测方法主要有视觉检测、索力测量和模态法等。视觉检测是通过人工视觉观察缆索护套情况进而判断其内部损伤状况，存在劳动强度大、效率低、人为因素影响大等问题［1］；索力测量法［2－3］（包括液压表读数法、压力传感器法、频率振动法、磁通量法等）主要是测量各索受力情况，从整体上判断桥梁应力分布，保持各索受力平均，防止因受力不均而引发缆索逐根断裂，但上述诸方法很难实现对在役缆索的实时监测；模态法［4］采用系统响应的方式，通过在桥梁上布置多个测量点，获取检测信号，通过信号分析获取桥梁的模态参数，如刚度、阻尼、振型、模态等，进而达到检测桥梁的目的，但该方法主要是从整体结构上对桥梁进行评价，无法实现桥梁单元部件，如缆索的损伤检测，同时存在易受环境影响等问题［3］。综上所述，对于桥梁缆索金属损伤，目前仍缺乏合适的检测方法。因此，有必要开展针对桥梁缆索金属损伤的无损检测方法研究。

1 缆索检测难点分析

大跨度桥梁中，缆索直径最大可达数百毫米，增加了检测缆索金属损伤的难度。如图1所示，桥梁缆索主要有钢丝索、钢绞线索和钢筋索等结构型式［5］，钢丝或钢筋相互之间有较大空气隙。同时，由于防腐的需要，早期采用在套管内灌注水泥浆，或在索体外缠绕聚酯卷带的方式，导致缆索内部材料属性差异大，电磁介质复杂，缺陷分辨难度增大。近期的缆索外部均有聚乙烯橡胶护套（PE），护套厚度从几毫米到几十毫米不等，提离距离增加，降低了传感器的检测灵敏度。因此，从缆索结构方面讲，直径大、内部介质复杂以及PE护套等是缆索无损检测的难点。

图1 桥梁缆索结构型式

另一方面，在桥梁缆索使用过程中，作为连接部件，缆索是通过锚头与桥面连接进而实现力传递，如图2所示，其中必然有一段缆索安装在保护管内，对检测传感器的可达性和检测方法提出了难题。

图2 缆索锚固区安装结构示意图

2 无损检测方法

根据上述分析，从检测工程应用的角度出发，可用于缆索金属损伤的检测方法有声发射法、射线检测法、磁性检测法和导波法等。

2.1 声发射检测法

声发射技术（Acoustic Emission，简称AE）利用材料在受力条件下产生缺陷时以弹性波形式释放出应变能的现象实现构件缺陷检测。在缆索上布置检测传感器，当缆索内部有应力腐蚀或疲劳裂纹产生时，以瞬时弹性波的方式向外释放能量，声发射波沿固体介质传播，在介质表面处产生机械振动；传感器将机械振动转化为电信号，经放大器放大、滤波后，由信号处理器分析，在显示记录装置上显示测量结果。1971年，Pollock和Smith［6］教授利用声发射技术对一座桥梁进行了测试，并确定了缺陷的具体位置。1996年，Mohammad R［7］在实验室通过模拟实际工况，进行吊杆和缆索的钢丝断裂试验，有效地捕捉到了索中钢丝断裂，同时可以动态监测钢丝的变化。丁幼亮［8］等利用声发射仪器对四川峨边大渡河拱桥的吊杆进行了全面的在线监测，并通过声发射参数分析方法比较了吊杆的损伤程度，获得了良好的检测效果。

与其他损伤检测和监测技术相比，AE技术可以实现动态实时检测，并且可以对损伤发生发展过程动态监测。应用到缆索检测，需要研究传感器的固定安装、缆索钢丝之间的摩擦引起的声信号造成的信号信噪比低、长期监测过程中的能源供给、仅能给出相对检测结果等难题。

2.2 射线检测法

射线检测法利用X、γ等射线在穿透物体过程中，因材质不同而衰减不同的现象检测构件内部缺陷。当待检物内部存在缺陷时，该局部区域的透过射线强度就会与周围有所差异，把胶片或其它成像器件放在适当位置使其在透过射线的作用下成像，成像器件上相应部位就会出现对比度不同的影像，即可以检测出缺陷。1988年，射线检测即被应用于缆索的锚固区检测，但由于存在检测时间长、耗费高的问题而未被广泛采用［9］。2004年，Telang等［10］采用低能量的X射线法对实验室缆索进行了检测，能检测缆索中所有的缺陷，但是由于缆索内部材质复杂，图像的解释困难。

射线检测法应用于缆索检测时，能够检测缆索索体和锚固区的内部缺陷，但一方面由于检测效率低、图像解释困难、造价高、尤其是存在辐射污染的问题；另一方面，需要辅助移动装置将检测设备带到检测部位。因此，大规模应用于现代桥梁缆索检测存在一定困难。

2.3 磁性检测法

磁性检测法主要包括漏磁检测法和磁通量检测法等，检测原理如图3所示。衔铁、永磁体、空气隙、被测缆索构成磁化回路，衔铁和永磁体构成的磁化器将缆索磁化到饱和状态，并相对于缆索轴向扫查。当缆索存在断丝、腐蚀等局部缺陷时，会引起缆索内部磁场变化，部分磁场“泄露”到空气中，两磁极之间的检测元件即可检测到相应的漏磁信号；当缆索存在大面积腐蚀时，磁路的磁通量发生变化，两磁极下方的检测元件即可得到相应的磁通量信号。

图3 磁性检测原理示意图

Christen和 Andrea Bergamini等［11－12］研究的检测装置采用线圈磁化缆索，检测缆索内部缺陷。整个装置由绞盘拖动沿缆索上下运动，具有检测灵敏度高、定位准确等优点。但由于没有相应爬升装置，检测时需检测人员在桥梁塔顶安装滑轮，增加了检测人员的危险性，降低了检测效率。因此，有必要研究一种能够沿缆索自主爬升并检测缆索内部缺陷的磁性检测装置。

华中科技大学［13－14］的研究人员基于磁性检测原理，设计了一种在役缆索内部缺陷检测装置，如图4所示。检测装置包含沿缆索对称分布的三个检测模块和分别位于检测模块上下两端的外部框架。检测模块分别安装在外部框架的卡槽内，以保证三个检测模块同步地沿缆索爬升。检测模块为模块化设计，由主动单元、检测探头、磁化单元和从动单元组成。磁化单元为检测模块的主体部分，用于磁化缆索，同时保证检测模块吸附于缆索表面；主动单元和从动单元分别安装于磁化单元两端，用来驱动检测模块沿缆索上下运动；检测探头安装于磁化吸附单元中间位置，用于检测缺陷产生的信号。当被检缆索直径较大时，可通过在检测模块之间安装辅助检测探头的方法防止漏检；辅助检测探头可快速安装拆卸，增加了检测装置的灵活性。

图4 缆索漏磁检测装置

检测装置利用磁化缆索的磁化力作为爬升运动的压紧力，同时只有三个检测模块，使整个装置结构紧凑、体积小、重量轻、便于携带，且对缆索表面护套无损伤。同时，检测装置为模块化设计，易于拼装重组，安装方便；磁化吸附单元可根据缆索直径不同相应替换，适用于不同直径的缆索检测。

图5为检测装置在已制作内部断丝缺陷的缆索上进行检测得到的信号。位于通道1所对应探头的正下方，当检测探头扫描经过断丝位置时能够获得明显的漏磁信号。

图5 缆索缺陷漏磁检测信号

2.4 磁致伸缩导波检测法

磁致伸缩导波方法检测缆索的原理如图6所示。信号发生器产生的脉冲信号经放大器放大后，驱动激励线圈在缆索中产生瞬态磁场。根据磁致伸缩效应，该瞬态磁场在线圈包围的缆索中产生弹性形变，成为超声波的振源，在构件中产生弹性波。当遇到缺陷时，会产生反射回波。反射回波通过检测线圈时，受逆磁致伸缩效应的影响，在检测线圈中会感应到应变引起的电信号。该信号经预处理、A／D转换后进入计算机，通过对该信号进行分析，即可获取缺陷信息。另外，为提高磁致伸缩的能量转换效率，须在磁致伸缩效应产生区域通过磁化器施加偏置磁场。

图6 磁致伸缩导波检测原理示意图

1990年，美国西南研究院无损评估组Kwun［15－16］等首次利用磁致伸缩效应成功激励出了导波，用于斜拉桥缆索的缺陷检测，并开发出了相应的导波检测仪。Rizzo等［17］与美国联邦公路管理局无损检测验证中心合作开发了磁致伸缩导波传感器，并较为细致地研究了缆索中的应力测量、缺陷检测及导波的传播特性。华中科技大学［18－19］的研究人员利用自主研制的磁致伸缩导波检测系统在试验室对缆索进行了大量的试验。图7为该系统在检测具有内部断丝缺陷的缆索时获得的缺陷信号。

图7 缆索断丝导波检测信号

图8为该系统在江苏省润扬长江大桥的吊杆检测照片及现场检测信号波形，能够准确获得两吊杆之间用于固定的卡箍的回波信号。

图8 磁致伸缩导波缆索检测系统现场照片

3 结语

综上所述，声发射技术已成功应用于在役缆索损伤监测，但长期在线监测耗费昂贵，并不适合大部分桥梁；射线检测对环境污染，检测时有可能需要对桥梁封闭，影响正常交通，并不适合于桥梁缆索检测的大规模现场应用。从检测原理上讲，磁性检测法和磁致伸缩导波检测方法是缆索损伤检测比较有前途的方法，特别是将两种方法结合起来，一方面利用磁致伸缩低频导波对索体进行快速扫查，发现可疑部位后，再用磁性法进行精细扫查，可提高缆索检测效率；另一方面，也可直接用磁致伸缩高频导波对缆索锚固区检测，实现缆索的无盲区检测。该研究将促进桥梁缆索无损检测技术的深入发展。

［1］Henriksen C F，Knudsen A，Braestrup M W.Cable corrosion：undetected［J］.Concrete International，1998，20（10）：69－72.

［2］郝超，裴岷山，强士中.斜拉桥索力测试新方法——磁通量法［J］.公路，2000（11）：30－31.

［3］吴海军，陈思甜，龚尚龙，等.斜拉桥索力测试方法研究［J］.重庆交通学院学报，2001，20（4）：19－25.

［4］施洲，蒲黔辉，佘川.钢管混凝土拱桥自振特性分析及其检测应用［J］.公路交通科技，2005（1）：62－65.

［5］严国敏.现代斜拉桥［M］.成都：西南交通大学出版社，1996.

［6］Pollock A A，Smith B.Stress－wave emission monitoring of a military bridge［J］.Non－Destructive Testing，1972，5（6）：348－353.

［7］Mo hammed R.An insight into the NDT of steel cables by acoustic emission［C］.Proceedings of the 14th World Conference on Non－Destructive Testing，New Delhi，1996：201－210.

［8］李冬生，欧进萍.声发射技术在拱桥吊杆损伤监测中的应用［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2007，23（1）：6－10.

［9］Suzuki N，Takamatsu H，Kawashima S，et al.Ultrasonic detection method for wire breakage［J］.Kobelco Technology Review，1988（4）：23－26.

［10］Tabatabai H.Inspection and maintenance of bridge stay cable systems［R］.NCHRP Synthesis 353，Transportation Research Bord， Washington DC：2005.

［11］Christen R，Bergamini A，Motavalli M.Three－dimensional localization of defects in stay cables using magnetic flux leakage methods［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2003，22（3）：93－101.

［12］Rocio Maldonado－Lopez，Rouven Christen.Positioncontrolled data acquisition embedded system for magnetic NDE of bridge stay cables［J］.Sensors，2011（11）：162－179.

［13］武新军，康宜华，杨叔子.斜拉桥缆索缺陷检测机器人的研制［J］.机械与电子，2001（1）：47－48。

［14］袁建明，武新军，康宜华，等.可重构斜缆索磁性无损检测机器人技术研究［J］.武汉理工大学学报，2008，32（3）：442－445.

［15］Kwun H，Teller C M.Detection of fractured wires in steel cables using magnetostrictive sensors［J］.Materials Evaluation，1994（52）：503－507.

［16］Elliott J，Kwun H，Sluszka P.Recent developments in inspection and monitoring of cable－supported bridges［C］.Conference on Operation，Maintenance and Rehabilitation of Large Infrastructure Projects，Bridges and Tunnels，Copenhagen，Denmark，Zurich，Switzerland：ETH Honggerberg，2006.

［17］Rizzo P，Lanza di Scalea.Load measurement and health monitoring in cable stays via guided wave magnetostrictive ultrasonics［J］.Materials Evaluation，2004，62（10）：1057－1065.

［18］徐江，汤欢，武新军.桥梁缆索断丝导波无损检测系统研制［J］.无损探伤，2010，34（3）：19－21.

［19］林阳子，武新军，张宇峰，等.基于磁致伸缩技术的桥梁缆索损伤定位研究［J］.公路交通科技，2011，28（6）：109－112.