李冬生，胡 倩，李 惠，兰成明

(1.大连理工大学 土木工程学院，大连 116024;2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨 150090)

目前，大部分桥梁斜拉索是采用高强平行钢丝制作而成，它暴露在环境大气中，遭受环境腐蚀和交变荷载作用，易发生累积疲劳损伤，严重威胁桥梁结构的安全性。斜拉索随着服役时间的增加，其抗力发生衰减、力学性能降低。因此，研究多龄期斜拉索的疲劳损伤演化可为在役拉索的安全评定提供理论基础。

目前，对斜拉索的疲劳研究都是基于崭新未腐蚀的平行钢丝来进行的，大多数都是对平行钢丝进行常规的力学性能研究。邵永波等［1］通过声发射技术对制绳钢丝进行高周疲劳研究，表明疲劳裂纹的孕育及成核期约占整个疲劳寿命的70%，而裂纹扩展占30%;Petit等［2］通过对直径为1mm的高强度细钢丝进行疲劳试验，研究了其疲劳裂纹的演化;Navaei等［3］研究了在可变荷载作用下钢丝的疲劳损伤累积过程。Casey等［4］利用声发射的幅值和频率分布研究了钢丝绳的疲劳损伤过程，发现高幅值撞击数与断丝存在一对一的关系;Martin和Berger［5］进一步研究表明钢丝断裂声发射传播非常复杂，它存在多个模态，但随着信号处理技术的发展，这个问题能够得到解决。从目前相关文献检索来看，对多龄期斜拉索疲劳损伤演化监测还缺乏有效的研究手段。

传统的无损检测手段能检测出斜拉索损伤的存在，并不能反映其疲劳损伤发展的历程，而声发射技术作为一种动态的无损检测方法，能被动地接收来自声发射源的信息，动态地反映构件内部的变化，是研究疲劳损伤内部动态演化的有效手段［6-7］。

因此本文拟采用声发射监测技术来研究国内某大桥多龄期斜拉索疲劳损伤的演化过程。

1 腐蚀钢丝力学性能及其试验分析

本次试验通过对国内某大桥斜拉桥换下的斜拉索进行疲劳试验，获得拉索内腐蚀钢丝和未腐蚀钢丝的应力-应变曲线，如图1所示，试验所用钢丝均来自于一根拉索，样本长度500 mm，试验加载速率3 mm/min，斜拉索包含腐蚀钢丝和未腐蚀钢丝。

图1 试验钢丝应力应变曲线Fig.1 Relationship between stress and strain of wires

图1试验结果表明腐蚀钢丝屈服强度有一定的下降，极限应变变小、延性也变小，而且屈服强度和极限应变具有离散性，可以推知腐蚀斜拉索的疲劳损伤特性也与未腐蚀的斜拉索有区别，因此，研究多龄期斜拉索的疲劳损伤演化，对桥梁斜拉索安全评定、服役寿命预测和全寿命设计方法有着重要的意义，也为斜拉桥拉索的安全评定提供理论基础。

2 多龄期斜拉索疲劳损伤声发射特征及其损伤演化分析

本文试验所用的斜拉索是从国内某大桥上卸下的多龄期斜拉索(服役18年)。斜拉索采用69根公称直径为5 mm的平行钢丝，钢丝强度级别为1 570 MPa，拉索长度为1 750 mm、自由段长度为1 190 mm，锚头按照实际拉索锚头构造制做的冷铸镦头锚，由柳州欧维姆机械股份有限公司生产制造，试验用拉索尺寸及构造示意图见图2(a)。疲劳性能试验采用力控制，拉索疲劳性能试验初始应力幅为360 MPa，应力比为0.5，断丝后仍保持荷载幅不变。

在进行疲劳试验时，将斜拉索固定于MTS疲劳试验机上，对其进行疲劳试验，进行声发射全过程监测。测试仪器采用美国PAC公司8通道声发射系统，用AEwin软件进行数据采集。具体的声发射参数设置为:前置放大器增益为40 dB、主放大器增益为20 dB、采样频率为5 MHz。由于整个试验是在室内进行的，经测定，环境噪声水平较低，处于45 dB以下，故采用固定阈值，设为45 dB。整个试验示意图如图2所示。

图2 整个试验示意图Fig.2 Schematic diagram of the experiment

2.1 多龄期斜拉索疲劳损伤整体演化过程分析

声发射技术的一个最本质、最重要的问题就是根据声发射信号来获得有关声发射源或材料损伤的信息。声发射参数分析方法是指利用声发射信号波形的各项特征参数来分析和解释声发射信号。

Baram和Rosen等人在应用声发射技术对材料疲劳损伤及断裂过程进行长期的研究后，发现声发射能量参数是最能够反映材料性能变化的特征参量，因为它们与材料中位错的运动、夹杂物的断裂以及裂纹扩展所释放的应变能成比例。因此，本文选用声发射能量参数来描述材料在疲劳过程中各个不同阶段性能的变化情况。

由于这次试验所用斜拉索是服役十多年且有腐蚀的钢拉索，从图3中可以看出，在整个疲劳损伤试验过程中声发射信号都很丰富，但是根据原始信号能量累积图，其整个阶段的信号特征表现得并不明显，因此考虑过滤掉整个声发射过程低能量信号，以显示整个疲劳过程演化过程。采用这样的滤波方法:将均值以下的信号置0，保留能量较高的声发射信号，然后再绘制声发射参数能量累积图，如图4所示。

从图4中可以清楚地了解多龄期斜拉索整个疲劳损伤的演化过程大致由三个阶段组成:OA阶段(节点0～节点 16 844)、AB阶段(节点 16 845～节点56 824)、BC阶段(节点56 825～节点93 846)，而这三个阶段在图3中并不能被清楚地表示，因此滤波后能从大量的信息中提取出有用的AE信号，清晰地显示整个疲劳损伤的发展过程。

3 各阶段多龄期拉索疲劳损伤声发射信号分析

小波分析方法是一种信号的时频分析方法，能自动调整时频窗，而且有很好的表征信号局部特征的能力，运用小波分析来构造故障诊断所需的特征因子，寻找到斜拉索破坏过程声发射参数的变化特性。

如果构件存在损伤，将会导致相应的小波系数发生变化，分析小波系数的奇异性以及奇异点出现的位置和大小来确定构件的损伤位置是比较快速有效的。

3.1 信号奇异性检测原理

一般地，信号的奇异性大小可用李普西兹(Lipschitz)指数来描述，简称Lip指数，也称奇异性指数［8-9］。设有非负整数n，n≤α≤n+1，如果存在常数A＞0，以及n次多项式pn(t)，对于t∈(t0-δ，t0+δ)使得，则称f(t)在t0是Lipα的，如果f(t)在t0的Lip指数α小于1，则t0称为f(t)的奇异点。对于小波分析而言，在小波变换中，局部奇异性可定义为:

定义 1:设f(x)∈L2(R)，若f(x)对∀x∈δx0，小波φ(x)满足且连续可微，并且具有n阶消失矩(n为正整数)，有:，(K为常数)则称:

α为x0点的奇异性指数(也称Lipschitz指数)。

本文将待分析信号进行小波分析，从细节信号的分解图中可以看出信号突变的变化情况，并结合能量的幅度范围分布特点，便可清晰地了解多龄期拉索疲劳损伤演化几个阶段中信号突变的情况。

将声发射时间和能量参数进行小波奇异性分析，应用Db3小波对其进行5级分解，得到不同尺度下的分解图。

图5 声发射能量与时间细节图(d5)Fig.5 Detail of AE energy and time at level 5

由于在疲劳试验声发射监测中不可避免地夹杂一些噪声信号，如不过滤掉这些信号，它将会把有效的声发射信号进行掩盖，从而影响结果分析。而小波分析技术具有良好的降噪功能，采用小波降噪后声发射能量与时间细节分解如图5所示，滤波后的小波分解结果更能表征多龄期拉索损伤整个演化过程。每个阶段信号出现诸多信号突变点，即各阶段都有损伤产生且区域大小不尽相同。从分解结果来看，多龄期斜拉索疲劳损伤明显分为三个过程，其结果与采用声发射累计能量参数描述多龄期斜拉索损伤演化较一致。

此外还根据每个阶段突变点产生的位置来确定损伤发生的时刻，提取各损伤时刻的波形，用FFT将其表示在频域上，综合分析各损伤时刻的波形特征和频率分布范围。

3.2 不同损伤阶段声发射波形及其声源类型分析

(1)OA阶段

分析OA阶段中的奇异信号，将这个阶段主要的特征波形和其频率分布范围提取出来，如图6所示。

从图6中可知，OA阶段的声发射波形以低幅度宽脉冲为主，频率分布在0～500 kHz的范围内，主要频率集中100～200 kHz，这个阶段声发射源主要是由于钢丝表面腐蚀损伤裂纹在疲劳荷载作用下进一步扩展，表面局部应力集中引起局部塑性变形。这个阶段多龄期斜拉索以塑性变形为主。

(2)AB阶段

分析AB阶段中的奇异信号，提取这个阶段主要的特征波形和其频率分布范围，如图7所示。随着疲劳损伤的发展，一方面损伤区域有所增加，即不断有新的损伤区域出现，钢丝为加工硬化材料，在新疲劳裂纹产生初期出现循环软化现象，并与位错运动相互作用，使得AE活动频繁，由此引起的波形以低幅度宽脉冲为主，如图7(a)，频率主要集中100～200 kHz。

另一方面原裂纹持续扩展，出现屈服现象，塑性变形加剧，位错运动的自由度大大减少，由此产生的波形频率范围变宽，如图7(b)，与OA阶段相比，其频率范围变宽，分布在0～1 000 kHz的范围内，主要频率集中在120～200 kHz。因此AB阶段中既有新损伤的萌生又有旧裂纹的持续扩展，且以旧裂纹的持续扩展为主。

除了上述两种波形外，在AB阶段中还能观测到少量的高幅度窄带信号波形，如图8所示，说明在疲劳荷载持续作用下产生少量的断丝。断丝信号的端前相对较平稳且衰减较快，频率成分丰富，范围较宽，具有高频分量。

(3)BC阶段

分析BC阶段中的奇异信号，这个阶段主要的特征波形和其频率分布范围如图9所示。

在循环荷载作用下，钢丝表面最大切应力处，择优滑移系经过前两个阶段的应变积累后逐渐演变成为主导裂纹，使得钢丝进入裂纹快速扩展阶段。从图9中可以看出，这阶段声发射高能量范围所占比重明显增高并一直持续到钢丝完全失效，但也有较低的声发射能量信号的产生。在裂纹快速扩展阶段，钢丝由于主导裂纹的存在而产生横向分力，这使其有一往复的弯折运动，从而导致二次裂纹的出现并不断变宽变大，这是BC阶段中较低范围的声发射信号产生的主要原因，由此产生的特征波形以图9(a)为主，其特征波形为宽脉冲，频率范围较宽，分布在100～400 kHz的范围内。

但BC阶段中声发射信号以断丝信号为主，如图9(b)所示，波形表现为高幅度窄脉冲，波形衰减较快，频率分布在0～1 000 kHz的范围内，主要频率集中100～500 kHz。

4 结论

本文采用声发射技术对多龄期斜拉索疲劳损伤演化进行了全过程监测，分析了损伤的形成原因，实现了对多龄期斜拉索损伤声发射源类型的确定，其主要结论如下:

(1)腐蚀钢丝的屈服强度有一定的下降、极限应变变小、延性变小，而且屈服强度和极限应变具有离散性。

(2)运用声发射监测技术得到了整个试验过程的特征参数，从声发射能量累积图中可以看出其疲劳损伤演化大致经历了三个阶段。

(3)采用小波奇异性检测确定每个阶段损伤的产生，并对损伤波形进行波形和频谱分析，不同损伤模式的信号频率分布范围和波形特点都存在明显的差异，疲劳过程中破坏机制对声发射信号的特征有显著的影响。

从以上的试验及其分析结果可以看出，声发射疲劳试验过程中由于夹杂大量的噪声信号，如何从强噪声环境中得到有效声发射信号对试验结果影响比较大。此外本文分析结果都是基于一个通道传感器所接收的信息来进行分析研究的，没有充分利用其它通道的声发射信号，应该寻求一种有效的信息融合方法将多通道传感器信息进行有机的组合，从而更加突出主成分信号，使最后的分析结果更加准确，这也是以后研究的主要方向。

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