断丝监测

发布时间：2023-08-28 17:05　阅读次数：

摘要：随着《JT／T 1037-2022公路桥梁结构监测技术规范》和相关行业标准征求意见稿的发布实施，声发射技术监测索缆断丝已从实验室环节推广到现场应用，索缆断丝已然成为桥梁结构安全重点监测关注对象，尤其是公路长大桥中悬索桥、斜拉桥、拱桥方面索缆。本文结合试验及现场声发射技术应用环节进行系统性阐述并对已实施项目中所遇到的问题提出可行性改进建议，以解决目前索缆断丝监测所遇到的瓶颈问题。

1 序言

国内学者经过多年对于桥梁索缆中钢绞线的力学试验及现场桥梁吊索主缆等结构的声发射检测验证，《公路桥梁结构监测技术规范》已由2016发布版本更新为现在的JT／T 1037-2022版本，其中8.5.5条目明确指出：断丝监测宜采用声发射监测方法,悬索桥吊索、主缆,斜拉桥斜拉索,拱桥吊杆(索)、系杆等裸露于空气中的钢索结构断丝可选用谐振频率较高的声发射传感器,工作温度范围宜为-30 ℃～70 ℃,工作频率范围宜在40 kHz ～ 100 kHz范围;埋设于混凝土内的预应力钢索断丝可选用谐振频率稍低的声发射传感器,工作频率范围宜在10 kHz ～40 kHz范围内。7.5.5条目：依据JTG/T H21术状况评定为“腐蚀”或“锈蚀”标度达到3及3以上的索桥主缆和吊索、斜拉桥斜拉索、拱桥吊杆(索)和系杆,宜布设断丝测点,测点可布设在头端部位置或易腐蚀断丝位置。表8结构变化监测内容采样频率表中提到2M采样率，触发采集。规范中只对硬件配置、报警内容及监测位置有所指出，对索缆上具体安装位置及声发射参数配置没有规定。本文综合试验测试和已安装的吊索断丝声发射情况进行阐述，并对已实施项目中所遇到的问题提出可行性改进建议。

声发射技术在由实验室成果转换工程监测应用过程中，主要面临两个技术难题：首先是市面所见声发射仪器普遍为多通道系统，无法根据实际监测点位需求配置通道数量，造成不必要的成本增加；其次是声发射仪器主要依靠基于windows操作平台的电脑才能工作，而电脑的死机重启将导致于声发射仪器的通讯中断，需要人为干预才能恢复。目前需要解决的问题是可以根据实际需求匹配对应通道数和不再依靠现场放置工控机电脑就能工作的声发射系统。

图1 声发射检测系统的转变

2 索缆断丝基础测试

2.1 模拟单根钢丝崩断

2.1.1 试验条件
通过厂房混凝土梁柱为支点进行单根钢丝的固定，试验对象为索缆常用单根直径7mm钢丝，预制开槽缺陷，手动葫芦为外力施加方式，人工收紧葫芦直至钢丝断裂，通过安装在钢丝上不同频率的传感器接收试验过程中声发射信号。所用声发射仪器及性能如下：

SAEU2S-8型声发射检测仪：10M采样率，16bitAD；
G150声发射传感器：中心频率150KHz，工作频域：60～400KHz；
WG50声发射传感器：频域范围：50～800KHz；
PAI型前置放大器：工作频域：20～1200KHz，40dB（100倍）放大

单根钢丝断裂安装示意图

图2 单根钢丝断裂安装示意图

2.1.2. 参数配置及安装
行业观点普遍认为碳钢材质裂纹信号频域主要分布在100—300kHz范围内，但受到试验对象尺寸结构和声波传到路径的影响，其频域特性可能发生变化，故在传感器频域上选择了适于金属裂纹检测的窄带传感器和便于频域分析的宽频传感器，在安装位置上做了相应考虑。

表1 传感器安装位置及AE参数配置

传感器编号	型号	位置	滤波器频带
S1	G150	距离固定点1距离为500mm；距离预断裂点1800mm	100kHz—400kHz
S2	G150	距离断裂位置300mm	100kHz—400kHz
S3	G150	距离断裂位置13500mm	100kHz—400kHz
S7	WG50	距离断裂位置5300mm	20kHz—1200kHz
S8	WG50	距离断裂位置300mm	20kHz—1200kHz
通用声发射配置：采样率=3000kHz、门限阈值=40db、HDT=2000us、PDT=1000us、HLT=20000us

2.1.3 衰减情况
以安装位置靠近的150K谐振传感器S2和宽频传感器S8为采集通道，通过折断直径Ф0.5硬度HB的铅芯为模拟源，对单根钢丝信号衰减进行测试。为模拟现实工况下声发射信号在钢丝上的衰减特性，通过手动葫芦对钢丝进行预拉紧，然后在钢丝不同位置进行断铅测试，现场及数据结果如下：

钢丝拉断实验现场

图3 钢丝拉断实验现场

3.1.4 本段小结
1. 声发射特征参数的中的幅度、能量、振铃计数累加值可以与断丝时刻吻合，上述3者可以用做断丝判定；
2. 在声发射幅度历程图中，钢丝断裂瞬间显示的数值为100dB，实际强度极有可能大于该值，该设想可在其他人发表论文中得到印证；
3. 钢丝断裂的声发射信号为相对宽频信号，单根钢丝的近点频率主要分布在50kHz—200kHz之间，但随着断点据传感器距离的增大，高频成分会随之降低。（此实验在2015年进行，在JT／T 1037-2016版6.4.3（b）中指出的：拉索断丝监测传感器满足谐振频率量程宜在100kHz ～400kHz范围内已于2022年版本进行修改为50-100kHz）；
4. 钢丝在固定点内的滑动信号FFT频谱峰值显示在50kHz，其一定程度可以当做实际吊索受力情况下多股钢丝间的摩擦信号。

4 悬索桥吊索断丝监测

4.1 仪器配置简述

选用清诚声发射研究（广州）有限公司自主开发生产的RAEM1型断丝智能声波监测系统，该产品是一款集信号采集控制、分析、储存和通讯为一体的智能物联网声波监测系统，现场不再依靠基于Windows操作平台的电脑，具有掉电自动重启功能，可24小时连续进行无人值守的自动数据采集、存储、分析、输出。其可以作为检测仪器使用，通过声发射波形及特征参数数据进行深度分析，也可将数据按要求上传到指定的云服务器进行功能展示和报警评级，在清诚自建云平台可以远程实现参数配置、查看声发射数据的时实及历史变化趋势图、根据《JT／T 1037-2022公路桥梁结构监测技术规范》的要求设定断丝报警条件及参数配置，是一款专用于悬索桥吊索、主缆，斜拉桥斜拉索，拱桥吊杆（索）系杆断丝监测；其软、硬件具体功能及参数如下：

断丝专用传感器
声发射采集器

云平台功能界面

图4 清诚云平台桥梁断丝监测系统功能

4.2 安装前测试

结合现场防腐层局部破拆后安装的可视化窗口，发现已经有个别钢丝发生腐蚀断裂，遂将声发射传感器安装在开窗上部一定高度，进行噪声测试和模拟断丝信号识别。选取交通量较大时段为测试窗口，尽可能最大限度的采集到噪声信号，采集器采样方式设置为阈值触发，阈值设定70dB，调试阶段因现场无市电供应，采用12V锂电池组给采集器供电，通过4G通讯方式在“清诚云平台”进行声发射定时参数的配置和数据查看。

图5 断丝监测测试现场

4.3 系统硬件安装

索缆断丝产生的基础诱因为根部防腐层破损导致材料腐蚀和安装环节的硬损伤，长此下来当遇到载荷的突然增加，应力无法均匀释放，薄弱钢丝以瞬间绷断的形式释放能量。此释放瞬间产生的声发射幅度值大于或接近100dB。通过之前信号衰减测试情况，防腐层或PE护套对于信号衰减约25dB，当传感器安装位置距离断丝位置较近时，声发射信号很容易出现100dB幅值。

可利用防腐层或者PE护套为衰减媒介进行大信号的衰减或底噪信号的消除；调整传感器在索缆上的安装高度和结构位置可一定程度上减少桥面噪声源的影响。声发射长期监测和传统应用的短期检测，都要求进行前端噪声的排查和消除，声发射传感器一般为接触式安装，灵敏度端面一般为白色保护片或者曲面，但敲击或者撞击传感器外壳也会导致信号过门限被记录，在桥梁索缆断丝声发射监测时需要对传感器外壳及一定范围内的索缆进行防护，确保外部诸如冰雹、砂石等外界因素不会触发阈值。

在确定传感器安装位置及高度后，采用胶类充当耦合剂及固定方式，在安装过程中要尽量避免颗粒物和凹凸面的存在，然后通过金属扎带将传感器捆绑到索缆，边缘能看到均匀挤出一定量为最佳效果。在传感器固定好且连接同轴电缆后，需要进行传感器护套的安装，其存在的意义是防止传感器接收到外来机械冲击，基本要求是安装牢靠、长久不老化。采集器的安装和摆放，受到目前行业内数据安全考虑，还是以先组局域网，再单点对外为主，对于声发射采集器的要求是必须有LAN口或WIfi组网功能。

图6 断丝监测系统现场安装图

4.4 断丝判定

对索缆内部单根钢丝的断裂监测，以阈值触发为采样方式，阈值在屏蔽噪声的同时，还要保证断丝瞬间信号能被捕捉到，公路长大桥索缆断丝监测可将触发阈值设置为70dB或者80dB，当信号触发阈值后，再通过特征参数中的能量、振铃计数和RMS等综合进行判定。相对理想的工况下，使用其中的一或二种即可进行断丝的判定，如高幅度、大能量、大计数等都是表征断裂的主要形式。当现场工况噪声较大，80dB阈值无法对噪声有效屏蔽，可先尝试降低硬件放大器倍数增加系统动态范围，目前声发射仪器及通用数据采集卡一般最大输入电压范围±10V，当选用常用40dB放大器时，断丝瞬间的信号将被限制，无法拉开与噪声之间的幅度差，但降低增益的同时信号的信噪比也同样被降低，传输距离也随之减少。当无法通过增大动态范围方式有效区分断丝信号时，也不可盲目增加幅度，可用能量、计数、RMS值辅助判定，必要时增加“幅度-ASL”、“振铃计数-上升计数”、“持续时间-上升时间”等比例对应关系进行。

5 总结

1．索缆中单根钢丝断裂在声发射信号上是一个高幅度、高能量、高振铃计数的表征；
2．可以用幅度、能量、振铃计数、RMS对时间的历程图进行过程展示；
3．单根钢丝断裂瞬间的声发射信号幅值强度大于100dB；针对于重点位置的断丝监测，可以将触发阈值设置为70或80dB；
4．防腐层和护套是对声高衰减的材料，约25dB左右，通过改变传感器安装位置可一定程度避除路面噪声源；
5．锁夹和锚具结构间声衰减较大，每过一个结构件衰减约7dB；
6．新建未服役桥梁的主缆27米处50cm螺丝刀自由落体落体到带漆层的信号可被声发射系统接收为43dB；