孙 艳

[中部高速公路管理（山西）有限公司,山西 太原 030000]

0 引言

桥梁连接螺栓是桥梁结构中常见的连接元件，主要用于连接梁体、梁体与支座、梁体与墩台等部分。常见的桥梁连接螺栓有U 型螺栓、锚固螺栓等。这些螺栓通常通过螺母和垫圈与其他构件一起组成一个完整的连接系统[1]。在桥梁建设中，连接螺栓承担着桥梁结构的重要连接任务，其健康状态直接影响桥梁的稳定性和可持续性[2]。

通过桥梁螺栓健康监测与防锈维护，可有效保障桥梁的结构安全。通过定期监测连接螺栓的健康状况，可以及早发现问题并采取相应的修复措施，从而预防事故的发生[3]。同时，连接螺栓承受桥梁荷载的作用，长期使用后可能出现螺栓松动、腐蚀、断裂等问题。及时发现和处理这些问题，可以延长连接螺栓的使用寿命，减少维修和更换成本。为了减少桥梁维护成本，该文设计桥梁连接螺栓健康监测以及防锈维护系统，通过这一系统，精准地监测桥梁连接螺栓的异常变化，保障公众的交通安全和桥梁的运行效果。

1 螺栓健康监测以及防锈维护系统研究

1.1 桥梁连接螺栓锈蚀成因分析

受外围环境影响，桥梁钢构件的连接螺栓处十分容易发生锈蚀现象，而连接螺栓是保护桥梁钢构件连接性能的关键部件，尽管大多数螺栓在出厂时均进行电镀、热浸镀等防锈蚀处理，但随着外部环境的干扰，在桥梁运营过程中仍然会出现连接螺栓锈蚀问题[4]。当连接螺栓出现严重锈蚀时，不仅会影响桥梁的美观性，还会影响桥梁钢构件的使用寿命，为此，该文分析连接螺栓的锈蚀成因，具体分析内容如下：

（1）潮湿环境引发化学反应腐蚀：湿度是螺栓锈蚀的主要因素之一。目前连接螺栓通常位于桥梁基础部位，在连接处常常存在缝隙，在湿度较高的地区，如沿海地区或湿润的气候条件下，螺栓更容易受到锈蚀影响，导致螺栓缝隙处容易堆积雨水，在水分作用下，导致连接螺栓涂层脱落，出现腐蚀现象。

（2）安装时划伤螺栓表层防腐面：在桥梁建设施工以及螺栓安装时，容易引发碰撞与划伤问题，导致螺栓表面防锈蚀层破坏，从而影响螺栓使用寿命[5]。

（3）拉应力影响螺栓防锈效果：桥梁连接螺栓主要用于设备与构件之间的连接，当螺栓连接完成后，受到外部振动与拉应力的影响，会加快螺栓的锈蚀效果。

（4）氧化反应：当连接螺栓表面的保护层受到破坏时，接触到空气中的氧气，会发生氧化反应，形成氧化物，即锈。这种氧化反应会进一步促进锈蚀的发生。

（5）酸性或碱性环境：某些特定的环境条件，如酸性或碱性环境，会加速连接螺栓的锈蚀过程。酸雨、化学污染物、海水等具有腐蚀性的介质，会对螺栓表面的金属产生腐蚀性反应，导致锈蚀发生。

考虑桥梁连接螺栓易发生锈蚀问题，该文构建桥梁连接螺栓健康监测以及防锈维护系统，通过系统的监测，及时找出连接螺栓存在的问题，避免螺栓锈蚀对桥梁造成严重损害。

1.2 连接螺栓健康监测以及防锈维护系统架构设计

该文构建的螺栓监测与维护系统主要采用振动检测方式获取桥梁现场螺栓的相关数据，通过对检测数据的分析，获取连接螺栓的健康状态，从而实现螺栓防锈维护。为此，该系统主要分为两个部分：一部分为现场数据实时采集，另一部分为螺栓使用数据分析。该系统设计的整体架构如图1 所示。

图1 系统架构设计

在图1 的系统架构中，主要包含以下内容：

（1）工控机及采集子系统：该子系统用于现场实时采集连接螺栓使用状态，其中包括工控机、振动检测模块以及数据采集软件，通过这一子系统实现数据采集。而声音交互与监视子系统主要由麦克风、摄像头等设备组成，通过声音交互与监视，实现现场检测人员与远程管理人员的交流互动。

（2）服务器：服务器主要用于采集数据的处理与存储，将工控机采集到的数据存储在服务器数据库中，当使用者需要使用数据时，可自行导入、导出数据，同时在服务器上配备连接螺栓健康状态评估软件，经软件评估后判断螺栓健康水平。

在进行连接螺栓健康监测时，先通过振动检测子系统采集螺栓数据，之后经无线传输方式将数据传递给服务器，通过服务器分析螺栓使用情况，并给出健康评估报告，实现连接螺栓防锈维护。通过如下内容对该系统具体功能细节进行设计。

1.2.1 振动检测模块

通过振动检测模块实现连接螺栓的健康监测。该子系统主要通过图2 中的内容构成。

图2 振动检测子系统设计

图2中，具体每一模块功能如下：

（1）激振系统：这一系统用于向被测螺栓施加激励，使被测螺栓能够产生可用于检测的信号，该文所使用的激振设备为脉冲激振器。

（2）测振传感器：通过测振传感器接收连接螺栓传递的信号，并将其提供至中间电路。该文采用测振传感器为KD3001 型压电式力传感器，将该传感器安装在力锤上，对每一连接螺栓传递的信号进行采集。该传感器的主要参数如表1 所示。

表1 测振传感器参数分析

通过表1 可知，该传感器具有较强的采集能力，其电荷灵敏度保持较高水平，可精准获取不易捕捉的信号。

（3）中间电路：在中间电路对螺栓信号进行调制与放大等处理，使这一信号能够转换为便于处理的数字信号。

（4）信号显示、存储与分析：对转变后的螺栓信号进行保存，并经过适当处理后显示被测螺栓的特征信息。

1.2.2 数据采集软件设计

数据采集软件主要用于配合振动检测系统，通过数据采集卡，实现连接螺栓信号的采集与存储。该软件在采集数据时，主要通过以下步骤实现：

（1）启动连接螺栓振动信号采集工作。

（2）初始化数据采集卡。

（3）设置采集参数，确定采取螺栓所处的位置，并规定采集点数、敲击次数以及采样频率等指标。

（4）按规律敲击螺栓，获取信号后，分析信号有效性，同时显示信号波形。

（5）对每一螺栓采集三次有效信号，并对每次信号进行相干性判断，若相干有效，则存储信号，否则继续敲击。

（6）评估敲击次数是否达到已设定次数，若达到设定标准，则完成采集，若未达到，则继续敲击并相干数据，直至获取有效信号。

（7）相干完成后获取精准的螺栓信号数据，完成信号采集。

1.2.3 连接螺栓健康分析与防锈维护软件设计

在服务器中构建基于初相和谐波理论的准同步离散傅里叶变换（DFT）修正算法的连接螺栓健康分析软件，当服务器接收到工控机采集子系统传来的信号数据时，在服务器中实时计算相邻螺栓之间的相位差，从而评估连接螺栓的健康情况，通过图3 表示该软件进行螺栓健康监测的流程。

图3 螺栓健康监测的流程图设计

通过图3 步骤实现螺栓的健康监测与锈蚀维护，先初始化相关信息，并设置串口参数，当服务器收到工控机子系统传来的数据时，即可将数据解析并分别存入不同的缓存中，通过对不同连接螺栓相位差的对比，分析螺栓的健康状态，判断结束后，输出螺栓健康状态报告。为避免相位差对比出现误差，可在数据采集阶段重复采样，并进行迭代对比，以获取精度较高的螺栓状态监测结果。

2 实验分析

为评估该系统的连接螺栓健康监测与锈蚀维护能力，该文通过服务器模拟该系统应用状态，分析该系统对桥梁螺栓的监测效果。

应用该系统对桥梁中某一健康螺栓与锈蚀螺栓进行监测，并生成螺栓振幅波动图，验证该系统是否能够精准监测锈蚀螺栓的异常状态。分析结果如图4 所示。

图4 螺栓监测状态分析

根据图4 可知，在该系统的监测过程中，可明显看出正常螺栓与异常螺栓之间的振幅存在明显差异，且振幅差距相对较大，因此，利用该系统，可有效采集不同螺栓的振幅波动变化，还能够根据振幅波动判断出螺栓的健康状态，因此，该系统具有良好的螺栓监测能力，可为桥梁维护提供可靠帮助。

为评估该系统的应用优势，该文选取人工巡检以及超声波检测方式，与该系统进行对比，同时对100 个桥梁连接螺栓进行模拟监测，分析不同监测方法的应用效果，分析结果如表2 所示。

表2 不同监测方法应用效果对比

根据表2 可知，在人工巡检的监测下，精准度仅能够达到86.4%，虽然这一精准度已保持在较高水平，但仍然低于超声波巡检与该系统的监测效果，且人工巡检的监测速度较慢，在监测过程中需要耗费较大成本，浪费人工，因此人工巡检并不适用于桥梁连接螺栓健康监测。而超声波巡检方法虽然具有较高精准度，但其监测速度与精准度仍然低于该文监测系统，为此，该系统在进行螺栓监测时具有较大优势，可快速实现精准的螺栓监控监测。

3 结论

该文研究桥梁连接螺栓健康监测以及防锈维护系统设计，针对目前桥梁连接螺栓监测困难且存在监测精度不高等问题，利用振动监测手段，实时监测连接螺栓的使用情况，并积极分析连接螺栓的健康状态，经过该系统的监测，可快速、有效地获取螺栓锈蚀情况，为桥梁安全管理提供保障。未来，可针对该系统继续进行优化，为系统设计螺栓异常告警模块、螺杆监测等模块，避免桥梁发生安全隐患，从而延长桥梁使用寿命。