桥梁拉索腐蚀损伤声发射监测及其评价

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1、桥梁拉索腐蚀损伤声发射监测及其评价#李冬生，丁穗坤*（大连理工大学，土木工程学院，大连 116024）51015202530摘要：针对桥梁拉索腐蚀损伤，本文使用直流加速腐蚀的方式对桥梁拉索进行加速腐蚀实验，全过程中进行声发射监测。声发射技术能够对腐蚀从静止、开始到发展全程动态实时监测。选取合适的信号处理信号方法可以减少波型效应的影响。采用小波分析技术，能有效从强噪声环境中提取有用声发射信号和给出不同损伤阶段频谱范围。不同腐蚀速度下和腐蚀阶段声发射信号具有明显的特征，文中并给出了不同损伤阶段下声发射特征信号及其评价方法。实验结果对桥梁在实际运营当中的腐蚀监测提供了一定的指导意义。关键词：桥梁与隧

2、道工程；声发射；拉索腐蚀；健康监测中图分类号：U447Acoustic Emission Monitoring and Evaluation of Bridgecables Corrosion DamageLI Dongsheng, Ding Suikun(School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024)Abstract: The corrosion test accelerated by direct current to bridge cable is made, using AEsys

3、tem to collect and storage signals generated in the corrosion process all the time. Finally, selectsome appropriate signal processing methods to analysis and study the law of corrosion. Theaccelerated experiments show that AE technology plays a good dynamic real-time monitoring tothe whole process o

4、f inaction, onset and deterioration of corrosion. Selecting appropriate signalprocessing methods can minimize the wave effect. It is effectively that useful AE signals areextracted from the strong noise environment by the wavelet analysis. The AE signals have obviousfeatures in different corrosion s

5、tages. In this paper, the AE characteristics and evaluationmethodology are propounded in different damage stages. The experiment results provide someguidance for bridges corrosion monitoring in the actual operation.Key words: Bridge and tunnel engineering; Acousitic emission; Cable corrosion; Health

6、monitoring0 引言作为桥梁主要承重元件拉索，其造价占全桥的 25%-30%。由于桥梁是跨越江河湖海，易受周围大气、温度、湿度其天气的影响而发生劣化以及长期承受动荷载等特点，35很容易发生腐蚀和疲劳损伤1-23-4灌注砂浆及钢套管结合不密实造成钢绞线与外界接触，空气中的水分和酸性物质与钢绞线发生化学反应，导致钢绞线锈蚀；（2）封锚混凝土不密实或开裂造成积水进入桥梁拉吊索并沿钢绞线束间隙渗入钢绞线内部造成其锈蚀，且中丝较外丝锈蚀严重；（3）锚头防护缺陷使空气、雨水与锚具、垫板等直接接触而产生锈蚀，并延伸锈蚀至钢绞线；（4）40钢绞线与套管摩擦损伤表面氧化膜加速其锈蚀。很多桥梁由于腐蚀，服

7、役十几年，甚至几年，就不得不进行换索，而换索的造价为新建的 3-4 倍。因此发展一种无损检测方法测试桥梁拉索腐蚀，具有重要的实际意义。目前，桥梁拉索腐蚀损伤检测方法有线性极化法、电阻法、腐蚀挂片试验法、超声波法、基金项目：教育部博士点基金新教师项目（200801411102），国家自然科学基金资助项目（50808030），作者简介：李冬生（1977-），男，讲师，主要研究方向：结构健康监测. E-mail: lidongsheng-1-。导致桥梁拉吊索及锚头发生锈蚀的主要原因有：（1）545505560腐蚀耦合损伤的检测，它们不能对桥梁拉吊索的腐蚀程度和腐蚀速度进行单一的检测；线性极化法和腐蚀

8、挂片法需要事先在桥梁拉吊索中埋入腐蚀探头；电阻法可以较方便地监测桥梁拉吊索的腐蚀程度和腐蚀速度；辐射显示法可以对桥梁拉吊索的腐蚀程度进行检测，但其设备较大，在桥梁拉吊索上应用有一定困难，此外，该方法对人体有一定的副作用。由于取样的困难，分析法实际很难在桥梁拉吊索腐蚀检测中应用。声发射技术作为一种被动检测方法，只要结构发生损伤，它必将释放能量，通过声发射换能器探测其信号，就能判断结构的损伤。678 9射技术区分了不同腐蚀类型及其腐蚀位置。本文首先通过拉索腐蚀试验，得到腐蚀损伤过程声发射特征参数，然后根据这些数据运用不同的评价方法判断其损伤演化和程度。1 实验概况及设置根据拉索加速腐蚀的电化学机理

9、，我们设计了如图 1 所示的腐蚀实验装置。图 1 中，拉索作为阳极与直流电源正极相接，不锈钢板作为阴极与电源的负极相接。实验过程中，钢绞线放于 5%的 NaCl 溶液中，通过稳流电源施加 0.15A 的恒定电流，以便模拟钢绞线在电流情况下的加速腐蚀。钢绞线一端打磨光滑，以便与声发射传感器有着良好的耦合。实验中使用声发射监测系统对钢绞线腐蚀过程中产生的信号进行实时采集和存储，实验时间维持约 8（具体为 187 小时）天。实验方案如表 1 所示。前置放大器WD传感器声发射仪钢绞线5% NaCl溶液水箱直流稳流电源A不锈钢板65图 1加速腐蚀实验实验装置Fig. 1 Experiment desig

10、n of accelerated corrosion test表 1 实验方案介绍Tab. 1 Introduction of experimental program电流大小(A)0.15实验天数(day)8理论腐蚀量(g)29.3实际腐蚀量(g)31.5误差7.5%70本实验中采用 PAC 公司生产的 WD 宽频传感器。响应频率约为 1001000kHz，灵敏度高，适用于全波形采集并进行频谱分析、波形分析等信号类型或噪声的鉴别。使用声发射仪器对腐蚀信号进行监测，其中最主要的便是声发射参数的设定。对于加速实验，通过断铅实验确定门槛值和定时参数（PDT、HDT 和 HLT）。峰值鉴别时间（PD

11、T），是指正确确定-2-声发射法等 。在上述各种腐蚀检测技术中，超声波法和涡流法实际是对疲劳损伤、疲劳和目前在腐蚀损伤监测得到了广泛的应用。Kim 通过 304L 钢材的腐蚀试验，证实了声发射技术监测其腐蚀裂缝。Kova 运用电化学噪声和声发射方法测试了预应力钢绞线的应力腐蚀。Megel 运用声发射技术测试了玻璃/高分子复合材料的应力腐蚀。Jomdecha 运用声发撞击信号的上升时间而设置的新最大峰值等待时间间隔；撞击鉴别时间（HDT），是指为正75确确定一个撞击信号的终点而设置的撞击信号等待时间间隔。撞击闭锁时间（HLT），是指在撞击信号中为避免测量反射波或迟到波而设置的关闭测量电路的时间间

12、隔。表 2 详细列出了实验的参数设置。表 2声发射实验参数详细设置Tab. 2 Detailed set of AE experimental parameters门槛（dB）40前置放大器（dB）40撞击长度（k）4采 样 率（MHz）2PDT（s）200HDT（s）800HLT（s）1000802 实验结果与分析MELCHERS et al 对钢筋在海洋环境中的自然腐蚀情况进行了研究，从钢筋的损伤程度和破坏程度表明钢筋的腐蚀可以分为 4 个阶段。腐蚀开始阶段 1、腐蚀速度下降最终趋于稳定阶段 2，腐蚀加速和迅速发展 3、4 阶段。其示意图如图 2 所示。阶段 1 腐蚀开始产生，85阶段 2

13、 由于腐蚀产物覆盖在腐蚀表面，以及新钝化膜的缓慢生成，使得腐蚀的速度下降最后趋于平稳。阶段 3 和阶段 4 由于腐蚀向内部渗透发生以及腐蚀产物的脱离使腐蚀速度迅速增大。1234图 2海洋环境中典型的钢筋腐蚀9095100Fig. 2 Typical corrosion for steel in marine environment2.1 声发射信号处理方法选取我们在这里选取声发射简化波形参数分析和全波形分析法相结合的方式进行分析。原因如下：（1） 简化波形分析方法作为声发射处理信号的经典方法，仍然作为声源判断的标准之一。同时由于 WD 宽频传感器的应用，弥补了该方法以前使用谐振式传感器造成的缺

14、陷。（2） 小波分析这类适合非平稳波形分析，具有强大时频分析能力的现代分析法，由于声发射波型效应的严重干扰，小波分析对处理信号反而有点不适合。全波形分析方法，通过波形在时域和频域上的分析，更偏重与信号在能量方面的分析，因而对波型效应的影响不是很大，更适合本文信号的研究。2.2 声发射信号简化波形特征参数分析法通过前人的研究表明，声发射计数、能量和持续时间随时间的变化相类似，有很好的相关性。提取实验参数（计数、能量和持续时间）经历图如图 3 所示。-3-腐蚀损伤20015010050阶段1 阶段2阶段3阶段4001234567100时间(s)(a)x 10580阶段1 阶段2阶段3阶段46040

15、200012345671052000时间(s)(b)x 10515001000500阶段1 阶段2阶段3阶段4001234567110时间(s)(c)图 3-13声发射参数时间历程图Fig. 3 Correlation figure between AE parameters and time计数、能量和持续时间的累计时间历程图如图 4 所示。10000x 1058000 阶段1阶段2阶段3阶段4600040002000001234567时间(s)(a)-4-x 105计数能量持续时间累计计数350030002500200015001000500001234567时间(s)(b)x 10515

16、105x 104001234567115时间(s)x 105(c)图 4声发射参数累计时间历程图Fig. 4 Correlation figure between cumulative AE parameters and time120125130135140从参数随时间的历程图和累计时间图我们看出，实验的阶段性很明显，且由于声发射仪器的高度灵敏性，能够对腐蚀从静止到开始进行全面的监测。因而，我们把试验划分为 4个阶段：腐蚀静止阶段、腐蚀开始发展阶段、腐蚀的相对平稳阶段和腐蚀的迅速发展阶段。对于加速腐蚀，钢绞线连接于电源的正极，不同时间段不同部位的活化区域不同，但主要发生的是钝化膜的破裂，金属

17、的腐蚀和腐蚀产物的剥离和脱落。至于连接于电源负极的不锈钢板，发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀的还原反应，因而氢气泡的析出和破裂所产生的信号不在传感器所接收的范围之内。由于单纯拉索在腐蚀溶液中的加速腐蚀机理较为简单，腐蚀信号主要为钝化膜的破解和腐蚀产物的脱落。使用声发射检测分析系统 SAMOSTM 的“ASCI 输出”功能导出每一时间的声发射参数值，在 26934.7805468s 时间点处，计数 33，上升时 71，持续时间 409，幅度56 和能量为 9，与前面的参数相比，差别非常大。前面采集到的信号计数均在 5 以下，能量和持续时间幅度分别小于 7 和 200。与 26934.7805468s 时间

18、点处的信号相差很大。而且第一次接收到信号的时间为 3594.7591842s，计数、能量和持续时间幅度分别为 4，1 和 59。在2594.7805468s 之前没有声发射信号。因而我们可以把 026000s 左右划分为腐蚀的第 1 阶段，作为腐蚀从静止到开始腐蚀的过渡时期。从在 26934.780546859024.974945s 这两点时间点处，由波形参数累计图和历程图可看出，这 1 阶段的信号与第 1 阶段相比有很大区别，59024.974945s 时间点计数、能量和持续时间幅度分别为 10，7 和 208，这点的信号波形参数与 26934.7805468s 处很接近，并从 26934.

19、780546859024.974945s 处这类信号居多。因而可以把 2600060000s 划分为腐蚀的第 2 阶段，作为腐蚀的开始发展阶段。这与 MELCHERSet al 研究的第 1 阶段很相似。在 189688.1214695s 时间点计数、能量和持续时间分别为 1、7和 407。从 59024.974945195755.9586307s（不含这两点）时间点处得信号计数、能量和持续时间都很小，计数、能量和持续时间普遍小于 20、7 和 200，多和 189688.1214695s 信号-5-阶段1阶段2阶段3阶段4阶段1阶段2阶段3阶段4累计能量累计持续时间参数值相类似，这与 MEL

20、CHERS et al 研究的第 2 阶段很相似，因而我们把 60000190000s划分为腐蚀的第 3 阶段，腐蚀由于腐蚀产物的覆盖从开始腐蚀到腐蚀速度的下降直到趋于稳定。195755.9586307s 时间点处，计数、能量和持续时间分别为 21、7、217，并从这点开始145腐蚀信号各种参数值均变得很大，并且高幅值信号的发生率变得非常密集，这与 MELCHERSet al 研究的第 3、4 阶段很相似，因而我们把 190000最后作为腐蚀的第 4 阶段。通过参数列表分析表 24 我们同样可以得到结论如下：表 2 4 阶段撞击计数在不同幅度区间所占比例Tab. 2 Distributions

21、 of AE hits in various ranges in 4 stages范围119204950150阶段一10000阶段二74.04%25.94%0阶段三2.70%00阶段四83.33%13.02%3.65%150Tab. 3表 3 4 阶段能量在不同幅度区间所占比例Distributions of AE energy in various ranges in 4 stages范围1671920100阶段一10000阶段二66.67%33.33%0阶段三2.70%00阶段四82.12%12.85%5.03%表 44 阶段持续时间在不同幅度区间所占比例Tab. 4 Distributi

22、ons of AE duration in various ranges in 4 stages范围119920059950阶段一10000阶段二48.15%51.85%0阶段三02.70%0阶段四69.27%22.22%8.51%155（1）阶段 1 为 026000s 左右，在该阶段腐蚀信号几乎没有，甚至在 2594.7805468s 之前没有声发射信号，代表着腐蚀由静止到开始的过度阶段。（2）阶段 2 为 2600060000s 左右，在这一阶段腐蚀信号与前一阶段很大不同。计数、能量和持续时间分别超过 19、6 和 199 的信号显著增加，几乎达到 30%50%。这一阶段的1601651

23、70信号与 26934.7805468s 处信号类似，表明腐蚀已经进入开始阶段。与 MELCHERS et al 研究的钢筋在海洋环境中的自然腐蚀第 1 阶段很相似。（3）阶段 3 为 60000190000s 左右，在这一阶段持续时间较长，在该阶段，腐蚀信号均很小，且由于腐蚀产物的覆盖和钝化膜重新开始生成，腐蚀速度慢慢趋于稳定，由累计参数时间经历图更能明显看出这点。（4）阶段 4 为 190000最后，在这一阶段持续时间最长，高幅度信号产生的频率很大，并且持续时间直到实验的结束。原因正如 MELCHERS et al 所分析的那样，由于腐蚀向钢绞线内部渗透，以及腐蚀产物的脱离，腐蚀被阻扰的因

24、素变少，腐蚀信号剧烈增加，并带有一定随机性。但从计数、能量和持续时间三个参数的累计经历图我们能够发现其斜率非常的大。由于声发射技术的高效灵敏性，使得我们对腐蚀的发展过程有一个良好的实时监测。这也是本实验四个阶段与 MELCHERS et al 有一些差异的原因所在，MELCHERS 对腐蚀损失的监测能够对腐蚀整个阶段的大致情况有个直观的了解，但在高效灵敏度方面有一些欠缺性。-6-2.3 声发射小波去噪和全波形分析由于 SAMOSTM 的“ASCI 波形输出”功能，我们能够提取各个时间的全波形声发射信号，提取各阶段的代表信号，使用小波去噪的强大功能并使用全波形分析，其结论如下：175第 1 阶段

25、信号非常的少，只有零散的 10 个信号。对其中某个代表信号运用小波去噪并进行小波全波形分析。从图 5 中可以看出这一阶段信号强度很微弱，波形图中的时域峰值为0.0010.002。频谱分析的频率范围为 0200kHz，且高频部分主要集中在 30150kHz,谱密度幅度非常低，只为 0.000040.00008。因而该阶段可以作为腐蚀发生前的阶段，声发射技术对腐蚀的产生有很高的灵敏度。20-2x 10-3(a)去噪信号-20246810121416181x 10-4时间(s)(b)去噪信号频谱分析x 10-40.5001002003004005006007008009001000180185频率(

26、kHz)图 5 1 阶段去噪后的代表信号Fig.5 Representative signal in stage 1 after denoising2600060000s 左右，作为腐蚀的开始发展阶段。腐蚀的开始起始于钝化膜的破裂信号。针对于钝化膜的破裂信号，我们提取具有代表值的时间点信号分析。小波去噪后的信号如图6。从图中可以看出信号强度和第一阶段相差很多，波形图中的峰值为 0.0050.015。频率范围为 30200kHz，且高频部分主要集中在 100170kHz，谱密度幅度变大为 0.00020.0004。对于第 2 阶段的信号，主要为钝化膜的破裂。(a)去噪信号0.020.010-0.

27、01-0.02-20246810121416186x 10-4时间(s)(b)去噪信号频谱分析x 10-442001002003004005006007008009001000频率(kHz)190Fig. 6图 6 2 阶段去噪后的代表信号Representative signal in stage 2 after denoising-7-电压(v)幅度电压(v)幅度针对第 3 阶段（60000190000s）的分析，从简化波形参数分析上，我们可以看出拉索的腐蚀进入了一个非常缓慢的过程。原因主要为腐蚀产物对腐蚀表面的覆盖使得腐蚀难于进195行下去。提取该阶段的代表波形，对信号进行小波分解和去噪

28、，结果如图 7。从图中我们可以看出，其波形图中的峰值为 0.0020.004。频率范围为 30200kHz，且高频部分主要集中在 100160kHz,谱密度幅度约为 0.00010.0002。针对在这阶段偶尔含有参数较大的信号，其值与阶段 2 中主要波形相似，可以认为这是该阶段离散的钝化膜破裂信号。5x 10-3(a)去噪信号0-5-2024681012141618x 10-4时间(s)(b)去噪信号频谱分析x 10-421001002003004005006007008009001000频率(kHz)200205图 7 3 阶段去噪后的代表信号Fig.7 Representative sig

29、nal in stage 3 after denoising第 4 阶段（190000s最后），从简化波形参数时间历程图可看出，这一阶段的信号与前三个有很大区别，不但大幅度信号数量增加很多，而且大幅度信号的发生频率也变得非常大。从累计参数历程图上也可看到，计数、能量和持续时间的斜率非常之大。这表明，由于腐蚀向钢绞线内部渗透以及腐蚀产物的脱落，钢绞线进入快速腐蚀阶段。这一阶段的信号也变得非常复杂，除了前面的钝化膜破裂，还有腐蚀产物的脱落、钢筋的腐蚀甚至还有腐蚀产物膨胀产生的气泡破裂等。图 8 为其小波分解和去噪后全波形分析。从图中我们可以看出，其波形图中的峰值为 23.4。频率范围为 0200k

30、Hz，频率非常丰富。谱密度幅度约为 0.050.15。(a)去噪信号420-2-4-202468100.20.150.10.05时间(s)(b)去噪信号频谱分析x 10-4001002003004005006007008009001000210频率(kHz)图 8 4 阶段去噪后的代表信号Fig. 8 Representative signal in stage 4 after denoising由于腐蚀产物的脱落和钝化膜的持续破坏，进入第 4 阶段的腐蚀所产生的高能量大腐蚀-8-电压(v)幅度电压(v)幅度215信号也将越来越频繁。最终将导致腐蚀表面趋于均匀化，腐蚀钝化膜将会破坏殆尽。如果已

31、知处于含有侵蚀性介质的溶液中，此时的钢绞线对腐蚀的抵抗能力将几乎为零。腐蚀的不断加剧，必然对构件造成极大的破坏作用。图 9 和 10 给出实验结束后的拉索，可以看出腐蚀对钢绞线的损伤已变得非常严重了。未腐蚀区域220图 9Fig. 9拉索未腐蚀区域Region of cable with no corrosion图 10Fig. 10拉索腐蚀区域Corrosive region of cable3 结论225230235240245250通过声发射技术对钢绞线加速腐蚀的实时监测，以及使用简化波形参数分析并结合小波去噪的强大功能进行全波形方法分析，主要结论如下：（1） 声发射技术的实时监测对钢绞

32、线的加速腐蚀的研究能提供良好的手段，使用参数分析方法可以分析判断构件不同的损伤阶段，分别为腐蚀静止阶段、腐蚀开始发展阶段、腐蚀的相对平稳阶段和腐蚀的迅速发展阶段。（2）通过参数分析和全波形分析，发现声发射技术的高灵敏度能够很好的监测出腐蚀的开始产生，并能够对各个阶段有个良好的判断。（3）在腐蚀的第 1 阶段，信号几乎没有，只有零散的 10 个。且其时域波形的峰值和谱密度都非常的小，可以忽略不计。第 2 阶段作为腐蚀的开始阶段，主要为钝化膜的破裂信号。第 3 阶段由于腐蚀产物的保护使得钢绞线的腐蚀变得极其缓慢，其损伤为偶然的钝化膜破裂信号。针对于第 4 阶段，作为腐蚀的大破坏阶段，其信号也变得非

33、常复杂。不单单包括腐蚀的钝化膜，还有腐蚀产物的脱落、钢筋的腐蚀甚至还有腐蚀产物膨胀产生的气泡破裂等。参考文献 (References)1 唐亚鸣,张河.大型桥梁拉索损伤与健康监测J.桥梁建设,2002,5:79-82.2 邓年春,欧进萍,周智.一种新型平行钢丝智能索.公路交通科技,2007,24(3):82-85.3 苏 达 根 , 韩 大 建 , 谭 哲 东 等 . 斜 拉 桥 拉 索 钢 丝 腐 蚀 失 效 研 究 J. 华 南 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学版),1996,24(8):108-112.4 杨文静.斜拉桥拉索结构中钢绞线腐蚀行为初探D.重庆：重庆大学，2006.

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