物联 声发射技术应用于桥梁钢丝绳断丝在线监测

物联 声发射技术应用于桥梁钢丝绳断丝在线监测
谢杰辉 ，王艳阳，刘雅婷
（清诚声发射研究（广州）有限公司，广州 510520）

关键词：声发射；断丝；桥梁钢索；物联 ；在线监测
中图分类号：TB51；TB52 文献标识码：B

Application of Internet of things acoustic emission technology in on-line monitoring of broken wire of bridge steel wire rope
Xie Jiehui Wang Yanyang Lui Yating
(QingCheng AE Institute (Guangzhou) Co., Ltd, Guangzhou 510520)

Abstract: At the invitation of Shenzhen Municipal Design and Research Institute Co., Ltd., the work of this paper is to carry out a full-scale cable loading wire breaking experiment on the bridge cable (bridge suspender) produced by a cable manufacturer and the actual bridge suspender 1:1. The time domain waveform and frequency domain waveform characteristics of the broken wire signal are experimentally studied, and the appropriate sensor and amplifier are determined; The sensor is installed at different distances from the outer surface of the cable sleeve to the broken wire position and the anchor head position, and the effect of the distance and position on the broken wire monitoring is tested;

The parameter characteristics are studied and a reasonable criterion of wire breaking is established; Simulate a variety of noises, study and test the effective way of wire breakage monitoring under noise conditions. In this experiment, the saeu3h acoustic emission acquisition instrument and raem1 Internet of things acoustic emission system of Qingcheng Acoustic Emission Research (Guangzhou) Co., Ltd. are experimentally studied and verified. The data and results show that the acoustic emission test can effectively detect the broken wire phenomenon.

Raem1 Internet of things acoustic emission monitoring system can accurately and effectively monitor the wire breakage phenomenon. The wire breakage alarm of this experimental data can achieve 100% accuracy, no missed alarm, no false alarm, no missing wire breakage phenomenon, and can automatically push the wire breakage and wire breakage rate to mobile phones SMS and email boxes.

Key words: Acoustic emission; Broken wire; Bridge steel cable; Internet of things; Online monitoring

1 前言

拱桥吊杆(系杆)、悬索桥缆索、斜拉桥斜拉索在长期使用过程中受过大载荷、环境腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢脆等影响，目前已经发生过数起吊杆骤然断裂事故。根据《JT/T 1037-2022公路桥梁结构检测技术规范》的要求，出现断丝应触发超限二级 警，断丝率达到2%应触发超限三级 警。

传统的监测方法有许多的不足。振动/位移监测是属于整体监测方法，除非在非常极端的情况下，否则振动数据很难与结构的健康状况有直接的联系。应变监测是一种局部监测方法，只能监测缺陷附近的应力、应变状况，在通常情况下很难把应力、应变与缺陷的损伤程度与实际活动状况直接联系起来。载荷监测、风速与温度监测只是判断有可能造成结构损伤的因素之一，仅作为结构健康状况评价的辅助参考量，与结构健康状况本身没有必然联系。

声发射（Acoustic Emission）又称应力波发射，是指材料内部在受力状态下以弹性波的形式释放应变能的现象。桥梁拉索（吊杆）发生断丝时产生的弹性波沿钢丝绳传播，被安放在一定距离内的声发射传感器探测到并将其转换为电信号传输到声发射采集器，声发射采集器通过对信号的处理，识别断丝，将断丝预警上传到云平台进而推送到手机，实现实时监测断丝的目的。

声发射监测是一种整体与局部双重监测方法。可在大范围内监测局部缺陷的状况，与结构的健康状况及损伤机理有直接的联系。与断丝的实际活动情况有必然联系，可监测吊杆断丝的动态变化过程，与传统的监测方法如应变及载荷监测并用将获得更好效果。

2.1 拉索（吊杆）
依托工程所用吊杆为挤压锚固单丝涂覆环氧涂层预应力钢绞线拉索（如图1所示）

图1 挤压锚固单丝涂覆环氧涂层预应力钢绞线拉索

吊杆主要技术参数如下表：

表1 挤压拉索主要技术参数

表2 试验吊杆选型

2.2 加载拉断装置
验场地由吊杆生产厂家柳州桂桥缆索有限公司提供，在其地槽里开展试验，加载装置如图1所示，通过千斤顶进行张拉，等速张拉，加载速度不超过100 MPa/min，直到钢丝破断，停止加载。拉断装置如下图所示：

图2 加载拉断装置

2.3 试件制作
试验吊杆按照实桥吊杆原型进行加工，截面形式、防腐措施、锚头等均与实桥一致。

试验前，将靠近张拉端锚杯端部0.1m范围内的PE护套割除，露出钢绞线。每次张拉前，选择1~3钢丝，用砂轮打磨深度约1~2mm的损伤，以控制断丝发生在靠近锚头位置。

3 断丝位置与测点位置

如下图所示：P1为断丝位置，选取靠近张拉端锚杯端部10cm范围内，割开PE护套，对钢丝进行初始损伤，使此处的钢丝首先断裂，符合实桥此处的吊杆钢丝最易破断的规律；149为彩虹桥人行道顶面到下锚垫板底面的距离，300是传感器安装位置到人行道顶面的距离，故S2、S4测点是必要的；S1、S5测点在锚头处的钢构件上，传输效果最好，起验证作用；S3测点在S2与S4中间位置，用于研究信号的传输规律。
传感器敏感面与吊杆间涂抹适量耦合剂，并采用胶带绑扎的方式将传感器固定在吊杆上。定制传感器D104具有与吊杆外径一致的曲面，通过钢卡箍锁紧，可以与吊杆紧密贴合。

图3 声发射传感器安装位置示意图

4 SAEU3H声发射仪的吊杆拉断断丝实验研究

4.1 实验设备
1）SAEU3H-16型声发射检测仪：16bitAD，最大10M点/秒采样率。
2）SAEU3H-16使用的传感器：

表3 试验传感器信息

传感器安装：

图4 SAEU3H现场图

4.2 SAEU3H声发射仪的采集设置

4.3 SAEU3H的传感器布置位置及滤波器

表4 传感器布置信息

4.4 SAEU3H的典型断丝信号时域波形和频域波形

图5 典型断丝信号时域波形图和频域波形图

不同传感器在不同位置上收到同一断丝信号的电压和频率如下表所示：

表5 各测点典型断丝信号电压汇总

表6 各测点典型断丝信号频率汇总

4.5 锚头及PE护套衰减特性
由于定制传感器只有两只，为研究信号衰减，取G40传感器统计两端锚头及PE护套的衰减特性，如下表所示：

表7 PE护套及两端锚头幅度（dB）衰减特性

表8 PE护套及两端锚头能量（kPj）衰减特性