悬索桥索夹螺杆轴力超声检测系统的研制_胡可宁.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 武汉市科技计划项目（）；浙江省科技计划项目（）。作者简介 胡可宁（），男，山东青岛人，高级工程师，硕士，研究方向：桥梁工程。引文格式 胡可宁，陈 义，伊建军，等 悬索桥索夹螺杆轴力超声检测系统的研制 公路工程，（）：，（）：悬索桥索夹螺杆轴力超声检测系统的研制胡可宁，陈 义，伊建军，荆国强，王 翔，（.宜昌市住房和城乡建设局，湖北 宜昌；.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉；.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉；.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉）摘 要 为解决悬索桥索夹螺杆的轴力检测难题，根据基于纵波的螺杆轴力超声测量原理，研制出一套悬索桥索夹螺杆轴力检测系统，介绍了包括压电超声探头与测量程序在内的超声检测系统构成，并设计了降低信号噪声的数字带通滤波器。实验室和工程现场测试结果表明，该系统能够用于悬索桥索夹螺杆的轴力检测，试验测试误差不超过.，工程测量误差不超过.。该系统设计了磁吸附超声探头，测量结果具有较好的稳定性与可重复性，为悬索桥索夹螺杆轴力的测量提供一种快速、有效的技术手段。关键词 悬索桥；索夹螺杆；轴力检测；超声探头；磁吸附中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，；.，.，；.，；.，.，.，），（），.，.，；公路工程 卷 引言近些年，悬索桥在运营期间的索夹滑移病害频繁发生，并易导致主缆钢丝外露、结构受力体系变化、主缆除湿防护系统失效等次生病害，因此逐步受到桥梁工程界的重点关注。国内的管养规范和标准 规定了要检查索夹是否松动、移位或破损，并将大于 的索夹滑移定性为严重病害，而索夹滑移的主要原因是螺杆轴力的不足和损失，因此需要进行螺杆轴力的检测和评估，降低该病害发生的几率。在索夹螺杆轴力的检测方面，除了传统的千斤顶“拔出法”，可以采用的检测技术还有扭矩法、电 阻 应 变 片 法、压 力 环 法 与 超 声 检 测 法等。扭矩法是工程中应用广泛的测量和控制高强度螺栓预紧力的方法，其原理是根据扭矩来间接控制螺栓预紧力，该法主要用于桥梁较短高强螺栓的快速施工和检测方面，用于较大规格的索夹螺杆存在实施难度。电阻应变片法是一种用于结构应力测量的方法，可以通过测量螺杆表面的应变，根据胡克定律计算出被测螺杆表面的应力。该方法测量精度较高，但一般用于室内试验测试，用于大批量索夹螺杆的轴力快速检测，成本高、效率低，且会破坏螺杆的防腐表层，带来隐患问题。压力环法是在螺杆紧固区内设置压力环作为受力传递结构，压力环数据直接等效为螺杆轴力，该法适用于长期监测，精度较高，但不适合大范围快速检测。螺杆轴力超声检测方法是基于声弹性原理，利用螺杆轴力与超声在螺杆内部沿轴向传播时间变化的关系，通过测量超声时间得到螺杆轴力数据。超声检测方法不但具有无损、快速、方便的特点，而且可以具有较高的精度，为索夹螺杆轴力的检测提供了一种较好的工程技术手段。目前，超声检测方法的具体测量形式有单纵波方法、纵横波方法，与波形装换方法。单纵波方法成熟稳定，高效可靠，但不能直接对已紧固螺杆进行轴力检测；纵横波方法可以直接检测已紧固螺杆的轴力，但是横波的激发传递与信号分析目前难以广泛应到索夹螺杆上，且对于温度的影响非常敏感；波形转换方法与纵横波类似，但是利用了横波激发至螺杆另一端面，然后超声波分离反射出横波与纵波两种波形，缺陷与纵横波方法类似，且更为敏感、依赖技术经验。另外，螺杆轴力的超声检测在悬索桥索夹螺杆的张拉紧固控制方面也越来越发挥着重要作用。综上所述，本文基于单纵波超声检测方法，研制了超声检测系统，提出对应的工程测量方法，并在实验室与工程现场进行了测试与应用。技术原理根据材料的声弹性效应，应力变化将导致超声波传播速度发生变化而进一步改变其超声波传播时间；另一方面，当螺杆受力产生伸长量而导致超声波传播时间发生变化。因此，通过对螺杆进行超声波传播时间的测试可以获得其应力状态。螺杆轴力与超声波在螺杆内的传播声时差存在线性关系：（）（）（）其中，为螺杆轴力；为材料弹性模量；为夹持长度；为公称直径，如图 所示；和 分别为当前温度和自由状态下的温度；为当前轴力状态与无应力状态超声声时差；为温度为、自由状态下的超声波传播速度；应力系数 和温度系数 只由材料决定，通过试验进行标定。在工程现场进行检测时，对于未安装紧固的螺杆，提前测量得到无应力状态下的超声声时；对于已紧固螺杆，可以通过现场千斤顶张拉至设计张拉力，测量此时的回波声时，然后通过式（）反算出无应力状态超声声时。图 索夹螺杆尺寸示意 检测系统组成索夹螺杆轴力检测系统采用压电式超声探头作为超声发出和接收的前端传感器；设计窄脉冲发生电路完成超声的激发，通过耦合层传输至螺杆内沿轴向传播，到达另一端面反射，然后再通过耦合层被超声探头接收，见图。考虑到精确获取反射回波的需求，采用高压脉冲的方式激励超声波探头，从而避免因为共振导致的回波模糊。通过控制开关器件通断，使充电电容在短时间内放电，就可以得到负高压窄脉冲激励。第 期胡可宁，等：悬索桥索夹螺杆轴力超声检测系统的研制 图 超声检测系统架构示意 本文涉及的超声探头是声波信号与电信号相互转化的电子器件，它的性能直接决定了超声在螺杆内部的传播时间是否能够高精度测量，从而决定螺杆轴力的测量精度。超声探头按照材料分类，一般有磁致伸缩超声探头和压电晶体超声探头，其中压电晶体探头的电声转换效率较高，成本低且不易老化等优点，得到广泛应用。本文采用压电晶体超声探头，晶片直径为 ，中心频率为.，检测所需耦合剂采用工业超声纵波耦合剂；为保证耦合剂层传播时间的一致性，需要保证探头压力的稳定，采取的解决手段是设计磁吸附式超声探头，具体是设计嵌套结构在探头端部加上环形磁铁，如图 所示。图 磁吸附压电超声探头 螺杆轴力超声检测系统的测量程序基于 平台开发，借助于平台所具有的工具函数库，快速实现了超声信号数据采集、波形显示、轴力计算、文件存储等功能，如图 所示。图 超声测量程序界面 数字带通滤波器设计数据采集完成之后，信号含有大量噪声，需要做初步的去噪处理，本文采取设计窄带滤波器的方法，让窄带超声信号能够通过，而滤除其他无效信号。一次激发完成采集的数据：，（）其中，。为了避免吉布斯现象，同时增加主瓣宽度，更多的衰减旁瓣，才用布莱克曼窗（）作为窗函数设计数字带通滤波器。窗函数如下：.|.|（）利用 窗设计的带通滤波器，其中 ，通带参数（.，.），主瓣宽度 公路工程 卷.，旁瓣衰减达到 ，如图 所示。图 窗带通滤波器 滤波器参数为：，（）滤波去噪后的数据为：（）（）（）（）滤波效果如图 所示，系统未接探头时的底噪数据经过数字带通滤波器后，系统带外噪声得到很大程度的滤除。图 带通滤波效果示意 实验室与工程现场测试为验证螺杆轴力超声检测系统的性能与测试精度，在实验室内使用与工程现场一致的千斤顶和张拉器进行测试，被测螺杆为工程现场的索夹螺杆见图。螺 杆 采 用 公 称 屈 服 强 度 为 的 材质，螺纹规格，长度 ，设计张拉力为 。选取 根螺杆进行标定试验，千斤顶分级加载，由装置在螺杆上的标定压力环读取螺杆轴力数据，压力环精度为。千斤顶加载油压与张拉荷载关系：油压.。图 实验室测试 进行试验时，千斤顶分级张拉，每 为 级，加载至 ，对应.。每级张拉到目标值以后，旋紧螺母并回油卸载，以保证螺杆轴力的稳定性。试验测试数据示例如表 所示。表 试验测试数据示例 序号千斤顶加载超声测量数据超声时间压力环数据与压力环偏差.由表 中数据可知，超声测量结果与压力环数据基本一致，最大误差不超过.，且为较小的螺杆轴力状态时。最大千斤顶加载油压 对应的张拉荷载约为 ，实际压力环数据为，相差了 。这部分损失来自油压卸载之后的螺母回缩，由于张拉测试平台为钢结构，回缩损失较小。本次试验测试过程中，探头吸附在螺杆端部后保持固定不动，保证了测试的高精度；从第 级张拉开始，与压力环数据的偏差甚至低于。因此，工程应用中超声探头在螺杆端部的放置位置尽量保持一致，可以提高轴力检测的精度。在伍家岗长江大桥施工阶段的工程现场，大桥上下游靠近主塔的第一个有吊索索夹（总计 个）更换了 根螺杆，增置压力环进行长期监测。压力环在初始使用时仍然需要使用千斤顶进行张拉标第 期胡可宁，等：悬索桥索夹螺杆轴力超声检测系统的研制 定，表 为螺杆轴力的超声测量数据与压力环监测数据对比，相对偏差约为 。本文超声检测系统在伍家岗长江大桥施工建设期间进行了测试应用，检测效率较好，每分钟可以完成 根的螺杆测量，成桥前的螺杆轴力检测结果满足设计要求。表 超声测量与压力环数据随机抽样对比 序号传感器编号压力环监测值 超声测量值 相差监测.监测.监测.监测.监测.监测.结论本文基于悬索桥索夹螺杆的轴力超声检测原理，研制了螺杆轴力的超声检测系统，系统采用压电超声探头，并设计了数字带通滤波器降低信号噪声。在实验室与工程现场对螺纹规格、长度为 的 索夹螺杆进行了试验测试与结果分析，得到以下结论：对于试验螺杆，本超声检测系统测量螺杆轴力的试验误差不超过.，工程测量误差不超过.；本超声检测系统检测效率高，能够快速地在悬索桥索夹螺杆轴力的检测工程中快速推广应用。参考文献 林阳子，孙向东，陆学村 桥梁索体系病害分析及特殊检测维修技术 广东土木与建筑，（）：唐亮，王熠，崔冰，等 悬索桥索夹螺杆应力无损检测研究公路，（）：伊建军，彭旭民，王波，等 悬索桥索夹螺杆轴力超声检测技术 桥梁建设，（）：张鹏飞 悬索桥索夹螺杆预紧力下降原因分析与预防性养护对策 公路，（）：曹昌玉 悬索桥索夹螺杆拉力检测及索夹补偿紧固施工技术探讨 交通世界，（）：，公路桥涵养护规范 ，公路桥梁技术状况评定标准 杨晓辉，伍川，庞景轩，等 螺栓拧紧扭矩对其扭矩系数的影响 中国工程机械学报，（）：丁旭，巴洪，武新军 用于螺栓轴力测量的电磁超声声时测量方法 仪器仪表学报，（）：丁旭，武新军 在役螺栓轴力电磁超声测量系统的研制无损检测，（）：，李栋，朱晓磊，陆晓峰 超声纵横波螺栓载荷在线检测方法研究 中国测试，（）：甘文成，王雪梅，倪文波，等 基于 和 的超声波螺栓应力测量系统设计 仪表技术与传感器，（）：刘家斌，王雪梅，倪文波 螺栓轴向应力 超声波渡越时间自动标定系统研究 中国测试，（）：徐春广，李焕新，王俊峰，等 残余应力的超声横纵波检测方法 声学学报，（）：潘勤学，邵唱，肖定国，等 基于形状因子的螺栓紧固力超声检测方法研究 兵工学报，（）：孙朝阳，王增勇，李建文，等 声弹效应测量螺栓轴向应力的有限元计算分析 振动与冲击，（）：陈明，伊建军，钟继卫，等 悬索桥索夹螺杆张拉施工控制技术研究与应用 世界桥梁，（）：杨晓燕，伊建军，荆国强，等 悬索桥索夹螺杆分组张拉工艺研究 世界桥梁，（）：（上接第 页）陈学民 钢桁梁活动纵梁病害分析及整治措施 铁道技术监督，（）：，：张晔芝，张敏 高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究 铁道学报，（）：卫星，李俊，强士中 钢桁梁整体节点典型构造细节的抗疲劳性能分析 公路交通科技，（）：姜言泉 我国公路桁架桥的发展状况 山东交通科技，（）：张兴志，朴泷，孙英杰 减小桥面系与主桁共同作用效应的技术措施方案比选 世界桥梁，（）：郑纪研，单法伟，华新，等 宽幅大跨钢桁梁主桁与桥面系共同作用解决方案研究 上海公路，（）：程高，张之恒，姬子田，等 半穿式钢桁梁桥上弦杆面外稳定性研究 公路工程，（）：，张晔芝，张敏 高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究 铁道学报，（）：童登国，艾宗良 连续钢桁梁桥节点刚度对结构受力的影响研究 铁道建筑，（）：任伟平，李小珍，李俊，等 大跨度钢桁梁主桁节点与横梁连接试验研究 钢结构，（）：乔晋飞，李凤芹 钢桁结合梁整体节点及细节构造设计与研究 铁道工程学报，（）：，门进杰，王家琛，樊冠磊，等 梁柱节点半刚性连接弯矩 转角关系模型研究 土木工程学报，（）：刘国龙 板桁组合结构钢桥关键节点受力特性分析研究 重庆：重庆交通大学，