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第57期从索式桥梁结构垮塌的“凶手”谈斜拉索/吊杆的腐蚀检测 ... ... ... ... ...

2019-10-22 17:08

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52监测网，监测专家报告分享第57期，报告来源，朱尚清教授在检师学社公众号发布的《从索式桥梁结构垮塌的“凶手”谈斜拉索/吊杆的腐蚀检测》文章

52监测网专家报告分享-第57期

从索式桥梁结构垮塌的“凶手”谈斜拉索/吊杆的腐蚀检测

朱尚清北京市政路桥管理养护集团有限公司瑞通十九处总经理助理

编前语

以下文章来源于检师学社，检师学社（微信号：jianshixueshe）为检测工程师提供基础设施养护管理相关的先进理念、知识、技术、软件以及检测设备等信息，为推动行业科技进步贡献力量。

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专家简介

朱尚清，北京市政路桥管理养护集团有限公司瑞通十九处总经理助理，硕士，教授级高工，主要从事桥梁检测、监测以及科研项目的研究工作。参加《桥梁混凝土结构无损监测技术规范》的编写。朱尚清学术报告的题目《毫米波雷达技术在桥梁工程中的应用》。

内容简介

桥梁结构是重要的生命线工程，桥梁一旦垮塌将给将会造成重大的人员伤亡，同时因交通的中断造成重大的经济损失和不良的社会影响。2019年10月1日台湾南方澳跨港大桥的垮塌事件成为了社会的热点问题。朱尚清在检师学社发了“南方澳跨港大桥垮塌背后检测管理再次敲响了桥梁安全的警钟！”，短短两天时间浏览量超过了7000。本文从索式桥梁的垮塌的案例分析造成其垮塌的“凶手”——拉索/吊杆的腐蚀，介绍目前拉索/吊杆腐蚀的一种检测方法—磁致伸缩导波传法。

索式结构桥梁垮塌的案例

1、南方澳跨港大桥

南方澳大桥结构形式为双叉式单栱的钢拱桥，主跨140m，拱肋设有13根吊杆，桥梁建于1987年。桥梁于2019年10月1日垮塌，主要原因是由于8#吊杆破坏引起其它吊杆内力重分布而导致（可能是吊杆锚头腐蚀或吊杆内部腐蚀），见图1。

注：桥梁垮塌原因根据视频和网上资料推断，具体原因以公布为准。

图1 南方澳大桥吊杆分布情况

2、重庆湛江县彩虹桥

桥梁结构形式为中承式钢管混凝土钢拱桥，桥长140m，主跨120m，桥梁于1996年2月竣工。桥梁运营3年后，1999年1月桥梁出现整体垮塌，造成40人遇难。桥梁垮塌主要原因：吊杆锚索问题、主拱钢管焊接问题、钢管混凝土问题、设计问题。

图2 重庆湛江彩虹桥垮塌事故

3、四川宜宾南门大桥

桥梁结构形式为钢筋混凝土中承式系杆拱桥，桥长384m，单孔跨径240m，桥面有17根钢缆吊杆悬挂。桥梁于1990年6月建成通车，2001年11月，连接拱体和桥面预制板的4对8根钢索吊杆断裂，北段长约10m，南端长约20m桥面预制板坍塌。桥梁事故主要原因为吊杆锚固失效。

图3 四川宜宾南大门桥坍塌事故

4、四川攀枝花金沙江大桥

桥梁结构形式为中承式钢筋混凝土箱型肋拱桥，桥长208m，主跨160m，1995年4月建成通车。该桥于2003年曾全部更换过吊杆，2012年12月10日，1根吊杆突然脱落，桥面发生坍塌。事故主要原因为：桥北向南第7根吊杆脱落。

图4 攀枝花金沙江大桥垮塌

5、新疆孔雀河大桥

桥梁结构形式为中承式钢筋混凝土系杆拱，桥长150m，桥梁于1998年建成通车。2011年4月12日桥梁发生垮塌事故，桥面约10m，宽约12m桥面垮塌。事故原因为主跨第2根吊杆断裂。

图5 新疆孔雀河大桥垮塌

6、福建武夷山公馆大桥

桥梁结构形式为中承式刚架拱桥，全长301m，于1999年11月建成通车。2011年7月，大桥发生北段坍塌事故，1人遇难，22人受伤。事故主要原因为吊杆、系杆断裂。

图6 武夷山公馆大桥垮塌事故

通过以上典型索式结构桥梁垮塌事件主要集中在钢筋或钢管混凝土系杆拱桥。系杆拱桥因吊杆、锚头失效导致桥梁垮塌或局部桥面坍塌事故发生的频率较高，而其他索式结构桥梁如斜拉桥发生事故率较低，这于系杆拱桥的受力特点有关。因此系杆拱桥吊杆腐蚀以及锚头的准确检测是确保此类桥梁安全运营的关键参数。此外斜拉桥拉索的内部腐蚀会引起拉索的疲劳破坏，因此拉索的内部腐蚀检测也是该类桥梁检测的关键项目。

目前国内的索式桥梁检测对拉索/吊杆主要进行外观检测，一些国内大他行桥梁也进行了拉索/吊杆的腐蚀检测。但国内很多大桥对于索式结构拉索/吊杆内部腐蚀检测重视不够，这应该引起桥梁主管部门的重视，在此类桥梁的检测中安排专项费用进行检测。

拉索/吊杆的腐蚀检测方法—磁致伸缩导波法

检师学社曾发表了一篇文章“台湾南方澳跨港大桥垮塌的启示——拉索检测的参数及方法”，其中介绍了拉索腐蚀的检测方法：漏磁法、弱磁检测法、电涡流检测法、磁致伸缩导波检测方法和射线检测方法。下面重点介绍磁致伸缩导波检测方法。

检测的原理

磁致伸缩导波检测方法就是用磁致伸缩导波检测仪对拉索内部腐蚀情况进行检测，主要检测拉索内部钢丝的腐蚀、断丝情况，评定拉索的损坏程度。

导波(guidedwave)具有单点激励即可实现长距离快速检测的优点，近年来得到了广泛的应用。导波指在有界介质（如管、板、杆等）中平行于介质边界并以超声或者声频率传播的机械波（或弹性波），导波传播介质称为波导。导波在传播过程中遇到缺陷或边界突变等时会发生发射，从而可以应用于检测。由于能量被限制在波导内部，导波能够传播很长距离，例如，在状况良好的拉拉索中导波一般可传播数十甚至上百米的距离，因而使用导波技术可以从总体上提高检测效率和降低检测成本。导波的传播需要对象横截面上全部质点的参与，因而能够检测拉拉索整个端面。导波检测的优势如图7所示。

图7 导波技术相对传统检测方法的优势

磁致伸缩导波传感器利用电磁场和铁磁材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现能量耦合和信号转换，检测时允许一定的提离距离（一般可达几厘米）而不需要与被检对象直接接触。由于传感器的提离距离可达几厘米，在检测过程不需要拆除PE，因此它尤其适用于带PE保护层拉索杆的在役检测。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。铁磁体在外磁场中被磁化时，其外型尺寸会发生变化，即产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发应力波，这种应力波实际上是结构导波，也是一种弹性波。反过来，当铁磁中存在缺陷时其声阻将发生变化，从而引起导波的反射、透射等，进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化，而变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化，通过测量电压信号即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹、破损等缺陷。

根据磁致伸缩导波检测原理和信号处理要求设计的检测系统结构框如图8所示。整个检测系统由主机、激励传感器、接收传感器和前置放大器组成，通过弹性波激励和接收，实现构件的检测。利用系统实现检测的过程是：首先将激励传感器和接收传感器安装在待测构件上，待测构件可有包覆层且表面无需处理，再利用便携计算机控制信号发生单元产生特定频率正弦波信号。正弦波信号输入到门控电路，在计算机的控制下产生特定宽度和间隔的门控信号。正弦波信号在门控信号的控制下经功率放大器放大后传输到激励传感器，通过磁致伸缩效应在待测构件中产生弹性波，接收传感器利用逆磁致伸缩效应将弹性波信号转换为电信号，信号经前置放大器后进入放大滤波单元处理后通过信号采集端口进入数据采集单元，经其中的A/D转换器后进入计算机，经计算机处理后得到构件的检测结果。

采用已有的检测系统如图9所示。整个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。激励和接收线圈适应于直径5-200mm范围内的索杆检测。磁化器也需要根据管道规格进行多个搭配使之处于最佳的工作状态。连接线缆保证主机与传感器的距离可达30m以上。

图8磁致伸缩导波索杆检测系统结构框图

图9 磁致伸缩导波检测仪

桥梁磁致伸缩导波检测仪可以在不拆除外层PE和不锈钢保护套的条件下，实现在役拉索索体及锚固区缺陷的快速检测，同样适用于拉索和摩天轮等类似结构的检测，其主要特点如下。

（1）可检测出自由段拉索中钢丝的腐蚀、断丝等缺陷；

（2）可检测出锚固段拉索中钢丝的腐蚀、断丝等缺陷；

（3）现场检测无需耦合剂；

（4）传感器安装部位PE保护套厚度可达20mm；

（5）传感器安装部位可保留不锈钢护套；

（6）传感器结构采用可重构设计，现场安装方便；

（7）无需封闭交通，交通不影响检测。

主要技术参数

桥梁索杆磁致伸缩导波检测仪的主要技术参数如下：

（1）适合直径为5mm-180mm的平行钢丝索杆和钢丝绳索杆；

（2）激励频率5K-200KHz可调；

（3）最大输出功率10 kW，占空比低于1%；

（4）主机重量13kg；

（5）检测仪持续工作时间不少于12小时；

（6）传感器与主机距离最远30m；

（7）可检测出5％金属截面积损失断丝或腐蚀缺陷；

（8）适用于索体保护层最大厚度20mm（注：仅指采用PE或小于2mm厚不锈钢作为护套（层）的索杆，不含采用钢管作为护套的索杆）；

（9）缺陷定位精度接近1个波长。

检测方法及评定

1、现场安装

1）首先检查检测仪器是否能够正常工作。安装前检查仪器电池（电量表）、笔记本电池（操作系统面板内）的电量是否充足；

2）根据索杆直径和外护套的类型选定激励端和接收端分别安装6-8个磁化单元模块，安装时保证磁化器的方向一致和激励传感器与接收传感器的间距；接着安装激励和接收线圈，确定连接器安装紧密，从主机连接线缆，保证BNC接头的完好接触。

3）根据现场的实际情况，连接屏蔽地线。

4）安装完毕后，连接好所有线缆，确定计算机与检测主机的通讯正常。

2、检测仪器操作要点

1）传感器安装并检查完毕后，开始根据设定的激励接收参数进行数据采集；

2）在检测过程中，时刻注意采集的信号，如出现未采集到信号的问题，应立即停止采样，利用万用表检查所有的连线，经确认无误后，再次开始采集。

3）如检测过程中发现仪器非正常中断，应立即关闭电源查找原因。

4）在传感器移动过程中无需关闭仪器。

3、数据的处理

后期数据处理主要利用特定的信号处理软件进行分析处理，得到每根索杆的检测波形，找出存在异常回波的索杆检测信号，根据异常回波的到达时间和幅值确定对应位置和大小，并根据结果对拉索进行分级，最后形成检测报告。

某拉索检测下锚头回波波形图（图10），拉索在14m处出现了下锚头回波，但幅值较低，可能是传感器到下锚头区域钢丝开始劣化或材料本身差异导致导波能量在传播过程中衰减较大；由于索体较长，随着传播距离的增加，导波能量大幅下降，未发现明显的上锚头回波信号。上锚头方向无超过参考评定线的回波信号或其他异常回波信号，可以初步判断该拉索传感器至上锚头区域拉索自由段索体内部钢丝无明显断丝病害。

图10 拉索检测下锚头回波波形图

4、检测评定标度

2011年中华人民共和国交通运输部颁布《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21-2011），对悬索桥的吊杆，斜拉桥的吊杆，中承、下承式拱桥的吊杆等内部锈蚀断丝的检测及评定标准做了初步的规定；2012年国家质量监督检验检疫总局颁布《无损检测磁致伸缩超声导波检测方法》（GB/T28704-2012）对磁致伸缩导波检测技术的应用进行了一定的规定。桥梁索杆磁致伸缩导波内部缺陷检测评定，结合GB/T28704-2012中条文9.3的要求，根据选用的距离-波幅曲线进行评价。

拉索腐蚀检测示例

某斜拉桥采用磁致伸缩导波检测仪对拉索的腐蚀情况进行检测，拉索构造见图11。其中检测某根拉索，索长为293.408m，索的规格型号为PES7-283，拉索检测信号见图12。

图11 拉索构造示意图

图12 某拉索导波检测波形

1、检测信号说明

检测信号图中共有红、黄、绿三条线，其中绿色线为信号衰减线，而红色线为根据上锚头回波信号描绘的参考判废线，黄色线为参考评定线。

2、检测结果分析

由图12可知，该拉索在14m处出现了下锚头回波，但幅值较低，可能是传感器到下锚头区域钢丝开始劣化或材料本身差异导致导波能量在传播过程中衰减较大；由于索体较长，随着传播距离的增加，导波能量大幅下降，未发现明显的上锚头回波信号。上锚头方向无超过参考评定线的回波信号或其他异常回波信号，可以初步判断该拉索传感器至上锚头区域拉索自由段索体内部钢丝无明显断丝病害。