桥梁索缆断丝声发射监测系统应用及改进

 
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。
关键词：声发射 索缆断丝 桥梁结构

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。

2 声发射技术及产品现状
材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象称为声发射，也称应力波发射。借助灵敏的电子仪器将声源信号进行探测、记录、分析并利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，其系统主要由声发射采集仪（卡）、前置放大器、传感器和基于Windows操作平台的电脑及软件构成。目前声发射简化波形特征参数分析方法是自二十世纪五十年代以来广泛使用的经典的分析方法，几乎所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数。一般仅记录和分析超过设定触发阈值的声发射数据，实验室和工程应用中普遍认为阈值设置的越低越能更好的捕捉信号，但就钢丝材料试验机拉伸、模拟钢丝拉断、及桥梁吊索噪声测试情况而言，经实践证明可以不必追寻此规则。
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。
3 索缆断丝基础测试
3.1 模拟单根钢丝崩断
   3.1.1 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
  3.1.2. 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。

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

3.1.3 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：

距离/m 测量值/dB	0	0.1	0.5	1.0	2.0	3.0	5.0	7.0	9.0	11	14
S2（150K谐振）	100	92	86	79	80	79	72	69	64	59	45
S8（宽频）	99	90	82	77	73	67	62	60	55	46	/

3.1.4 试验结果
实验过程共进行4次拉断测试，最初为一根已预制开槽缺陷的新钢丝，后续进行断口搭接焊后再次预制缺口重复进行，因钢丝断口进行多次焊接，且固定点结构的多次拆解安装，后续3次拉断在验证断丝声发射特征参数种类的同时，附带产生一些干扰源信号。在断铅信号测试衰减情况下，谐振窄带传感器接收距离更远，其频响范围也更针对金属裂纹特性，故判据参数的种类选择参考150kHz传感器。为获取钢丝崩断的频率特性，避免谐振传感器谐振点对信号频带分布带来的误判，频域处理时，选用的传感器为宽频传感器。

断裂前宽频传感器接收时域信号	断裂前宽频传感器接收频域信号
断裂瞬间宽频传感器接收到时域信号	断裂瞬间宽频传感器接收到频域信号

时域

频域

时域

频域

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 实桥索缆衰减测试
根据上部分单根钢丝的测试情况和高频信号传播距离短的理论基础，选用谐振频率为40kHz，频域范围为15～70kH传感器做实桥索缆声发射信号衰减测试。实桥位于现郑州东站附近，选用边跨主缆进行试验，其结构情况见如下示意图：
4.1 防腐层的信号衰减
SR40M（15～75kHz）传感器放置在第一锁夹结构上半部，在距传感器为10cm的两地方分别给断铅信号，每个位置断铅5次，取3个最大值幅值计算平均值，位置定义为P1及P2，P1位置在锁夹上，P2位置在主缆外防腐层上。
表3 防腐层衰减数据

位置 测量值dB	P1位置	P2位置
第一次	91	76
第二次	89	75
第三次	88	77
平均值	89	76

 

4.2锁夹结构的信号衰减
传感器固定在锁夹上半部，分别在锁夹的典型位置给断铅信号，初步测量锁夹结构对于声发射信号的影响
表4 锁夹结构衰减数据

断铅位置编号	测量幅值
P1	90 dB
P2	87 dB
P3	80 dB
P4	73 dB
P5	68 dB

4.3 传播距离测试
传感器安装在桥头锚固锁夹（第一锁夹）进行静态噪声采集，当时测试桥梁处于已完工未通车状态，且油漆层面不得破损，噪声信号小于32dB，因后续会登上猫道进行人工敲击给出模拟信号，将门槛阈值设定为40dB。因防腐层和油漆带来的衰减影响，断铅信号不足以被远处传感器接受，改为以螺丝刀敲击锁夹为模拟源信号，螺丝刀敲击力度适中，保证敲击信号强度低于单根钢丝断裂瞬间的信号强度且不造成油漆层的损伤，敲击位置为每一个锁夹，分别为第一、二、三、四、五、六、七锁夹。除桥头第一二锁夹水平间距7米外，其余锁夹均为5米间距。 通过螺丝刀刃口端向下，50cm自由落体到锁夹上表面为人工模拟源，每个锁夹位置自由落体5次，记录每个锁夹前3个最大幅值计算测量值，数据列表如下：
 

位置   幅值dB	锁夹1	锁夹2	锁夹3	锁夹4	锁夹5	锁夹6	锁夹7
第一次	100	78	55	52	43	43	/
第二次	100	80	53	56	41	45	/
第三次	100	87	53	50	47	41	/
平均值	100	82	54	53	44	43	/

4.4 本段小结
1. 主缆防腐层较厚，油漆层对于信号衰减约10dB，缠绕包裹防腐结构25dB；
2. 未服役桥梁的锁夹结构对于声信号的衰减较大，每增加一级结构衰减约7dB；
3. 通过螺丝刀50cm自由落体提供的敲击信号，可被27米外的传感器接收到。

5 噪声水平测试
声发射技术属于被动接收形手段，且必须有外部激励让缺陷“动起来”才可以被识别，对于桥梁索缆而言，其主要激励为箱梁及路面铺装的质量、车辆通过时的重量及共振；其主要噪声源来自车辆通过、风噪及鸣笛、雨雪冰雹天气等。惯用的处理方法是通过设定门槛值，将除断丝信号以外的噪声进行排除，结合单根钢丝的拉断和结构衰减测试数据，断丝瞬间声发射表现为高幅值、高能量及高振铃计数，且可以一定距离上传播，做噪声测试判定仅通过设定阈值方式是否可行。
通过在悬索桥一短长度约3米的吊索根部结构及上锁夹部分别安装同信号传感器，测试不同位置对同一信号的响应情况，数据显示在长度3米的吊索上锁夹上安装的传感器在车辆通过时噪声水平小于45dB，在吊索底部接收到信号水平小于60dB，信号频域分布小于30kHz。

	吊索上锁夹部	吊索根部
传感器位置图
门槛值	40dB	40dB
小客车	幅度：无	幅度：45dB
大型货车	幅度：44dB	幅度：60dB

6  悬索桥吊索断丝监测
6.1 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：

传感器 ★ 针对性贴合式设计 ★ 中心频率：50KHz ★ 频率范围：40KHz-100KHz； ★ 工作温度范围：-30℃~70℃; ★ 符合JT/T 1037-2022标准的要求；

图11 断丝专用传感器

 
云平台功能界面

（a）云端远程配置采集参数	（b）断丝报警设置
（c）云端实时参数/历史参数时间历程图	（d）云端实时/历史波形
（e）云端设置断丝率功能	（f）云端断丝根数及断丝率

6.2 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。 静态噪声及穿插人工钢块撞击模拟断丝的数据采集约40分钟，在“清诚云平台”查看声发射参数变化趋势图，发现未施加人工撞击信号时段，噪声水平能控制在80dB以内，施加的2组钢块撞击索具根部的6下信号在“幅度”、“能量”、“RMS”上均可得到良好的对应关系。（12时46分连续4下；12时48分连续2下）。 6.3 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。
6.4 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。

7 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；

8 展望
1. 在役桥梁索缆断丝真实的声发射信号表征具体情况？无法进行模拟，目前无文献和经验可借鉴；
2. 对于索缆断丝判定依据声发射没有通用判据，要具体问题具体分析；
3. 行业闭锁或数据安全方面导致的声发射研究人员没法深度接触数据；
4. 桥梁结构健康监测是一个多手段的集成，声发射技术与其他手段的融合贯穿；
5. 声发射技术在不同规格索缆的有效监测距离没有实践支持，如何演化进行？
6. 索缆断丝位置和数量的真实性仅凭声发射无法确定。

参考文献
[1] 中华人民共和国交通运输部. 《JT/T 1037-2022公路桥梁结构检测技术规范》. 2022