李 翔，辛荣亚，张启伟

（同济大学桥梁工程系，上海市200092）

0 引言

近三十年来，我国桥梁建设事业飞速发展。索支撑桥梁在跨径200 m～2 000 m的范围内具有竞争力，覆盖了桥梁跨径范围的90%。缆索作为索支撑桥梁的主要承重构件之一，拉索的质量状况对于索支撑桥梁的运营安全有直接影响。我国的行业标准规定，当缆索内钢丝腐蚀造成该拉索钢丝总面积损失超过10%时，必须换索[1]。电磁无损检测技术广泛应用于钢丝绳、管道检测领域，在桥梁缆索检测方面上也在不断发展。

在电磁无损检测的过程中，当检测设备运行到被检材质端部区域时，端部磁场传播的几何环境发生变化，电磁信号会产生一定的漂移，这种现象在电磁无损检测中称为端部效应。

目前，在电磁无损检测中，根据损伤的不同性质和状况，可以将损伤分为两大类：局部缺陷（Local i zed Faul t）和金属面积损失（Loss of M at el l i c Area），并分别简称为LF型和LM A型。通过漏磁检测识别LF型损伤，通过磁通检测识别LM A型损伤。端部效应在两种损伤模式的表现不同。

在漏磁检测方面，张武翔、康宜华、武新军等人基于单线圈开路磁化的方式分析了钢棒漏磁检测的端部效应[2]，端部盲区约有0.53 m；在磁通检测方面，金健华、康宜华、杨叔子等人基于磁桥路法[3]对油管壁厚的测量进行了研究，观测到油管端部0.8 m范围内的端部效应[4]，发现磁通信号出现较小幅度的漂移。

笔者采用LRM-XXI钢丝绳诊断系统对无损的桥梁缆索试件进行磁通检测。该诊断系统磁通检测原理与磁桥路法相近，通过测定回路磁通的磁通分量进行损伤识别，当缆索出现一定长度的钢丝锈蚀或磨损，钢丝的有效金属面积发生折减，测得的磁通量也随之减小，无缺陷时，测得的磁通量理论不发生变化。在试验中，发现端部磁通信号存在较大幅度的上升，且信号漂移区较长。

目前在钢管和钢棒探伤领域已经研究出了相应的端头检测技术，通过在端部添加引体[5]改变端头磁场区域特性。由于桥梁缆索端部处于相对封闭的的环境中，这种添加引体的技术难以在桥梁缆索中得以应用，因此需要对桥梁缆索中的端部效应进行研究。

本文通过模型试验对桥梁缆索的端部效应进行分析，以期找出端部效应的机理和变化规律。

1 桥梁缆索端部效应的形成原因分析

桥梁缆索端部效应的原因主要有以下三方面：

（1）在电磁无损检测的过程中，当检测设备运行到桥梁缆索端部区域时，在钢丝缝隙中，钢丝与外部空气间的漏磁场产生变化，漏磁场的变化与缆索钢丝端部的几何形状和边界条件有关，这将影响电磁无损检测的精度。

（2）在磁化过程中，钢丝被磁化后在端部形成磁极，并产生与外磁场方向相反的退磁场。在端部退磁场的变化也将影响电磁无损检测的精度。

（3）桥梁缆索是由近百根钢丝组成的实体，在磁性检测中具有大提离、难磁化的特点[6、7]，为了检测桥梁缆索的缺陷，得到重复性良好的稳定信号，需要对桥梁缆索反复磁化以使钢丝得到磁锻炼。由于铁磁性材料的磁滞特性，缆索内部将产生较大的剩磁[8、9]，剩磁的分布与缆索钢丝的几何形状和磁化历史有关，这也将影响电磁无损检测的精度。

在电磁无损检测分析中，大多采用等效磁路法和有限元法。但等效磁路法仅考虑钢丝相互间、钢丝与外部空气间漏磁场作用下的端部效应，无法考虑退磁场效应和剩磁的影响，且等效磁路法精度受限于等效路径的选取和等效磁阻的定量模拟；有限元法虽能计算钢丝相互间、钢丝与外部空气间漏磁场和磁化过程中钢丝自身退磁场共同作用下的端部效应，但难以计量反复磁化后缆索钢丝内部的剩磁。

现采用LRM-XXI钢丝绳诊断系统，进行磁通检测模型试验，探究这种复杂磁场变化的端部效应。

2 磁通检测模型试验

2.1 磁通检测模型试验的原理

在磁通检测模型试验中，先使用永磁体或通电线圈对缆索构件进行励磁至磁化饱和状态，再测试磁回路中磁通量的大小。该模型试验采用LRM-XXI钢丝绳诊断系统，通过测定导出磁通量进行损伤识别，检测原理如图1所示。

图1 导出磁通量检测原理图

桥梁缆索采用的钢丝为铁磁性材料，其导磁能力显著高于钢丝的锈蚀产物与钢丝磨损产生的碎屑。当缆索出现一定长度的钢丝锈蚀或磨损，钢丝的有效金属面积发生折减，磁回路中磁轭的磁通信号随之变小，与磁轭并联的导流装置中的导出磁通量也随之变小。

当桥梁缆索钢丝无截面积损伤时，理论上，测试的磁通信号应不发生变化，呈一条平整的直线。

2.2 磁通检测模型试验平台的搭建

在磁通检测模型试验中，采用4m长度的短索模型和10.5m长度的长索模型分析端部效应。短索模型采用铝管作为模型的骨架，铝的相对磁导率与空气相近。铝管作为骨架不会干扰磁性检测信号，通过填充钢丝模拟桥梁拉索，填充钢丝根数103根，该拉索可视为φ7-103平行钢丝索，短索模型断面如图2所示。长索模型在缆索厂订做，采用φ7-121平行钢丝索。

图2 短索模型断面图

短索模型试验平台主要由索体、励磁设备、电动绞盘及电源、信号采集系统和计算机构成（见图3）。短索模型水平放置，励磁设备通过电动绞盘的牵引在短索模型上不断前进。短索模型长4 m，检测设备可自由行走段约为2.5 m，采样间隔2.5 m m。

长索模型试验平台构成与短索模型试验平台构成类似，但是需要更长的检测空间。长索模型斜向放置，模型一端固定在混凝土墙体，一端固定在地面。长索模型检测设备自由行走长度约为9.0 m，采样间隔2.5 m m，试验平台如图4所示。

图4 长索模型试验平台之实景

2.3 试验流程与内容

磁通检测模型试验分为两部分：

试验A：测试短索模型与长索模型在不同采样距离下的磁通信号，试验共分为2组，分析了长度变化对端部效应的影响。

试验B：测试不同直径下短索模型端部磁通信号波动幅值。在试验中，通过抽出铝管骨架的钢丝来模拟直径的变化，以对称抽出4根铝管骨架中的钢丝为一组试验，试验共分为6组，测试了抽出钢丝数从0～20时端部磁通信号波动幅值的变化。分析了直径变化对端部效应的影响。

2.4 试验A结果的分析

在模型试验中，测试了不同采样距离下，短索模型和长索模型磁通信号曲线。长索模型采样距离较长，为避免信号的溢出，信号采集系统采用了不同的灵敏度进行磁通检测试验。以自由行走长度起点为零点，绘制不同采样距离下的磁通信号曲线。

在不同采样距离下，短索模型磁通信号的变化曲线如图5所示。

图5 短索模型磁通信号变化曲线图

由图5分析可知，短索模型在自由行走长度内无平缓段，在端部磁通信号明显上升。此时，设置灵敏度为S1，端部效应产生的信号波动约为57.95 m v。为评价该波动对磁通检测损伤的干扰，测试了单根钢丝引起的磁通信号波动。短索模型中单根钢丝引起的信号波动约为10.40 m v，端部效应产生的信号波动相当于单根钢丝信号波动的5.57倍。经过换算，考虑到短索模型中钢丝根数为103根，单根钢丝对应的截面积损失率为1/103，端部效应引起的信号波动所对应截面积损失率为5.41%。

在不同采样距离下，长索模型磁通信号的变化曲线如图6所示。

图6 长索模型磁通信号变化曲线图

由图6分析可知，长索模型在自由行走长度中部区域有平缓段，在端部2 m～3 m范围内磁通信号明显上升。此时，设置灵敏度为S2，端部效应产生的信号波动约为130.43 m v。为评价该波动对磁通检测损伤的干扰，测试了单根钢丝引起的磁通信号波动。长索模型中单根钢丝引起的信号波动约为81.51 m v，端部效应产生的信号波动相当于单根钢丝信号波动的1.60倍。经过换算，考虑到长索模型钢丝根数121根，单根钢丝对应的截面积损失率为1/121，端部效应引起的信号波动所对应截面积损失率为1.32%。

在模型试验中，缆索钢丝无截面积损伤，但测试的磁通信号在端部区域均存在漂移现象。以单根钢丝产生的信号波动为标定值，则短索模型的端部效应更为显著。随着长度的增大，端部效应减弱，端部效应引起的信号波动所对应的钢丝总面积的波动变小。

2.5 试验B结果的分析

在模型试验中，通过抽出短索模型铝管骨架中的钢丝来模拟缆索直径变化。在同一灵敏度下，测试了抽出不同钢丝根数时，磁通信号随采样距离的变化曲线，计算了抽出不同钢丝根数时端部效应的波动值ΔU，等效分析了直径变化对端部效应的影响，如图7所示。

图7 端部效应幅值随抽出钢丝数量变化曲线图

由图7分析可知：抽出钢丝量越多，即缆索等效直径越小，端部效应的波动值ΔU越大，端部效应越显著。这说明缆索直径越小，端部效应越强。

3 结论

（1）在永磁激励开路磁化方式下，桥梁缆索的端部区域存在信号漂移现象，信号漂移区覆盖端部2～3 m范围。

（2）短索模型中端部效应引起的信号波动大概相当于5.41%的截面积损失率；长索模型中端部效应引起的信号波动大概相当于1.32%的截面积损失率。

（3）端部效应随着缆索长度的增加而减弱，随着缆索直径的增大而减弱。