磁致伸缩导波在桥梁索体结构检测中的应用研究

冯云亮

北京九通衢检测技术股份有限公司，北京 100071

摘 要：缆索桥梁因具有跨越能力强、结构轻盈、造型美观等优点而被城市桥梁广泛采用，缆索系统是桥梁结构的主要承重构件也是结构的薄弱点，缆索系统的健康检测对维持桥梁有效运营具有重大作用。磁致伸缩导波无损检测技术拥有远距离检测、不会破坏构件、不受构件尺寸限制等优点，已经广泛应用于拉（吊）索桥梁锚固区的无损检测中。本文主要介绍磁致伸缩导波检测原理、检测设备以及实际工程应用，列举了大佛寺长江大桥、桃夭门大桥以及金塘大桥采用磁致伸缩导波检测桥梁索体结构的应用效果。

关键词：磁致伸缩导波；桥梁索体；无损检测；

1 引言

21世纪以来，缆索桥梁因具有跨越能力强、结构轻盈、造型美观等优点而被城市桥梁广泛采用，如斜拉桥、悬索桥等。缆索系统作为缆索桥梁的主要承重构件，是桥梁结构中的薄弱处，容易在外界环境的侵蚀下破坏损伤，进而影响桥梁结构性能及耐久性^[1]。所以要求桥梁管养部门加强对缆索桥梁的日常养护和检测，提前发现缆索系统的安全隐患，保证缆索系统处于安全健康的状态^[2]。

拉（吊）索桥梁锚固区由于其构造的限制，很少能够检测到，成为桥梁检测的薄弱部位；磁致伸缩导波技术是桥梁缆索无损检测技术的一种，将其应用于桥梁缆索扫描，可以快速得到桥梁损伤情况。实现现代城市桥梁无盲区检测。磁致伸缩导波无损检测技术拥有远距离检测、不会破坏构件、不受构件尺寸限制等优点，故将其应用于拉（吊）索桥梁锚固区的无损检测中。本文介绍磁致伸缩导波的桥梁拉索锚固系统无损检测技术原理、设备与重庆大佛寺长江大桥、桃夭门大桥、金塘大桥拉索锚固系统无损检测应用，为今后相关研究应用提供参考。

2 磁致伸缩导波检测原理

磁致伸缩导波检测原理的基础是磁致伸缩(或Joule)效应及其逆(或Villari)效应^[3]。磁致伸缩效应是指由外部施加的磁场引起的铁磁材料物理尺寸的微小变化(在碳钢中约为百万分之几)。对于磁致伸缩导波检测，它依赖于逆磁致伸缩(Villari)效应，指由机械应力(或应变)引起的铁磁材料磁感应的变化。

在实际应用中，传感器由粘结在被检测构件上的薄铁磁材料(如镍或铁钴合金)组成。薄激励线圈放置在薄铁磁材料上。薄铁磁材料具有偏置磁场，激励线圈向铁磁材料施加时变磁场，在薄铁磁材料中产生导波，然后耦合(通常通过环氧键)到被检查的材料中。材料的缺陷处会引起导波的反射、透射等，由于逆磁致伸缩效应，铁磁体内磁感应强度发生变化，进而引起接收线圈中的电压变化，进而形成电信号，经转换传输给计算机，计算机对接收到的电信号进行分析处理，得到导波在构件内的传播情况曲线，进而判断构件缺陷位置及程度^[4]。

3. 磁致伸缩导波检测设备

桥梁索杆检测样机由系统主机、激励和接收线圈、磁化器、前置放大器，连接器和连接线缆组成^[5]如图 1、图 2所示。

图 1系统结构框图

图 2 磁致伸缩导波检测系统样机

MsS超声导波技术是一种非常适用于适合对公路桥梁索体结构进行远距离检测和长期监测的检测技术。在磁场作用下，微观粒子在被检测构件中按照一定方向运动，产生的导波会沿着拉索传播，当传播至端部或碰到减震装置时，会反射一部分能量，通过反射能量形成的电信号来判断缺陷位置以及缺陷程度，测试原理如图 3所示。

图 3 超声导波损伤检测系统测试原理简图

3. 磁致伸缩导波检测应用

1. 1. 大佛寺长江大桥

（1）工程概况

大佛寺长江大桥位于重庆市，该桥总长1168m，桥面宽30.6米。主桥为跨径198+450+198m双塔双索面斜拉桥。每塔双面55对斜拉索，锚具均为冷铸墩头锚， 均居全国同类型桥梁之首^[6]。

（2）检测仪器及方法

本次采用基于磁致伸缩效应原理的超声导波损伤检测系统对斜拉索进行探伤检测，使用磁致伸缩超声导波无损检测仪（MsS3030R）进行检测。如图 4所示检测结果示意图，平行钢丝斜拉索缺陷预警门限设定为直通波幅值的 5%，用以判断斜拉索的局部腐蚀和断丝缺陷，绿线为检测门槛，若回波信号高于此门槛则为特征信号，表明端部、缺陷、反射、锚固区卡箍等。

图 4 检测结果示意图

其中：

X轴—代表距离，即钢索的检测长度；

Y轴—代表信号的幅度，即特征信号或损伤的能量发射大小；

（3）检测结果及建议

图 5 BS-10`斜拉索检测结果

图 6 BS-18`斜拉索检测结果

从图 5、图 6的检测结果来看，BS10’号索、BS18’号索下锚固区回波信号幅值高于绿色的锚固端部回波门限，存在缺陷，缺陷面积分别为索截面的5.2%、5.7%，如表 1。

表 1大佛寺长江大桥拉索检测结果

现场检查发现，BS10’号索下锚头钢板缺失，锚头生锈，钢绞丝生锈、黄油变质、缺少，还有少量漏水的现象；BS18’号索下锚头钢板周围钢筋裸露，锚盖锈迹，一根钢绞丝断裂脱落长度约为1.5m，如图 7、图 8所示。建议加强对拉索索力、桥梁整体变形变位的监测，保障桥梁运营安全。

图 7 BS-10`斜拉索开锚前后

图 8 BS-18`斜拉索开锚前后

1. 2. 桃夭门大桥

（1）工程概况

桃夭门大桥是舟山大陆连岛工程高速公路的第三座跨海大桥，桥梁全长888m，桥面宽27.6米。主桥为580米的双塔双索面半漂浮体系混合式斜拉桥^[7]。

（2）检测仪器及方法

同样使用磁致伸缩超声导波无损检测仪（MsS3030R）进行检测。

（3）检测结果及建议

本次检查对桃夭门大桥168根斜拉索锚头及索体进行了无损检查，通过对桃夭门大桥斜拉索采集数据分析情况来看，该桥斜拉索信号良好，在设备可靠灵敏度范围内，未发现超标的腐蚀及断丝信号，锚固区钢丝也无锈蚀断丝现象，以4XJ21号索为例无损检测结果如图 9所示。

图 9 4XJ21号索上锚头墩头检测结果

图 10为现场检测结果。病害表现为轻微锈蚀、油脂水化。锈蚀主要由于塔内不通风，温湿度较大，导致防护油脂水化。在防护不足或失效情况下导致锈蚀。目前未造成不利影响，采用油脂防护即可。

图 10 4XJ21号索上锚头墩头轻微锈蚀、油脂水化

1. 3. 金塘大桥

（1）工程概况

金塘大桥联结浙江省舟山市金塘岛和宁波市镇海区，是舟山大陆连岛工程中规模最大的大桥，全长21.029km，海上桥梁长18.27km。主桥为跨径布置为（77+218+620+218+77）m的连续双塔双索面半漂浮钢箱梁斜拉桥，且采用钢锚梁-钢牛腿组合结构^[8]。

（2）检测仪器及方法

同样使用磁致伸缩超声导波无损检测仪（MsS3030R）进行检查。

（3）检测结果及建议

对10根斜拉索上下锚头无损检测，斜拉索索体钢丝及锚固区钢丝未发现锈蚀断丝等现象。3XB1锚头无损检测结果，如图 11所示，回波信号幅值未超出阀门线，无缺陷或者缺陷微小。

图 11 3XB1无损检测结果

采用打开方式检查，如图 12所示，锚头防护油脂普遍缺失，主要由于塔内温度过高所致。油脂部分水化降低防护功能，建议定期进行更换；锚杯整体完好，墩头锚钢丝无锈蚀现象。

图 12 3XB1现场外观检测

5 结语

磁致伸缩导波检测技术在桥梁索体检测中应用广泛，能够快速准确定位病害位置及缺陷程度。该技术同样适用于石油、天然气、化工等不同工业领域的检测。缺点是要求直接接触粘合薄的铁磁层时，需直接进入表面层。桥索检测时可能会由于外覆的PE套层紧紧包裹着钢索，对导波信号传导造成衰减与干扰，造成误判。因此，实际检测时需要通过变化频率或更换信息采集探头的位置等方式进行甄别，需要进行现场的验证，对于严重的点运用其他检测手段来确定腐蚀缺陷的类型和大小。未来应该继续进行探头和仪器系统以及检测和数据处理技术的积极研究和开发，以进一步推动该技术的发展。

参考文献

[1]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(06): 109-112.

[2]高凯. 磁致伸缩导波的桥梁拉索锚固系统无损检测技术[D]. 重庆交通大学, 2014.

[3]王悦民，康宜华，武新军. 磁致伸缩效应及其在无损检测中的应用研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2005, (01): 75-77.

[4]钟恒. 基于磁致伸缩导波的桥梁拉索锚固系统无损检测试验[D]. 重庆交通大学, 2013.

[5]林亮亮，郭勇，刘健，等. 超声导波技术在管道腐蚀检测中的应用[J]. 石油和化工设备, 2021, 24(07): 125-127.

[6]张力. 重庆交科院大桥设计技术发展与重要工程实例综述[J]. 公路交通技术, 2005, (S1): 1-8.

[7]畅卫杰，刘舟峰，郭书峰，等. 桃夭门大桥结构健康监测传感器布点设计[J]. 山西建筑, 2018, 44(07): 163-165.

[8]王昌将，陈向阳，史方华，等. 金塘大桥结构设计与创新[J]. 公路, 2011, (08): 93-96.