桥梁缆索声发射监测数值模拟与试验研究

Cable damage is one of the typical diseases of cable supported bridges. In order to apply acoustic emission(AE) technique to the health monitoring of bridge cables, this research intends to study the propagation characteristics of AE signals in bridge cables, which is a key problem for this technique. First, the propagation characteristics of AE signals in a steel wire will be simulated by finite element method and the results will be compared with those calculated by the elastic wave propagation theory to confirm the finite element model. Based on the single wire model, a refined finite element model will be established to simulate AE signals propagating in a multi-wire cable. Second, a decoupling method for AE signals will be studied and a useful method for analysing waveform characteristics will be established. Third, a laser ponit source, which can be quantified accurately, will be used to analyse AE signals propagating in bridge cables. The experimental results is helpful to confirm the finite element analysis. Finally, based on the finite element simulation and laser ultrasonic experimental results of AE signals propagating in a multi-wire cable, the theoretical model of AE signals propagating in a real bridge cable will be established.The results of this study, with a promising engineering value, will lay a solid theoretical foundation for applying AE technique to the health monitoring of bridge cables.

拉索损伤是缆索承重体系桥梁的典型病害之一。为了将声发射技术运用于桥梁缆索健康监测中，本课题拟研究声发射信号在桥梁缆索中的传播特性这一关键问题。首先，以声发射信号在单根钢丝中的传播为对象，以解析解验证有限元模拟方法，以此为基础建立声发射信号在多根钢丝中传播的精细化有限元模型；研究声发射信号的解耦方法，提出实用的波形特征分析方法；通过可以精准定量激励源的激光超声试验，验证声发射在桥梁缆索中传播的有限元模拟方法的准确性，并研究相关参数的影响；最后根据声发射信号在多根钢丝中传播的有限元模拟和激光超声试验结果，建立声发射信号在整根拉索中的传播模型。本课题的研究成果将为桥梁缆索声发射监测技术奠定理论基础，具有明确的工程应用价值。

拉索损伤是缆索承重体系桥梁的典型病害之一。为了将声发射技术运用于桥梁缆索健康监测中，本课题拟研究声发射信号在桥梁缆索中的传播特性这一关键问题。研究内容及成果如下：.1、声发射信号在多根钢丝间传播的有限元模型研究。基于Padé近似改进了实心圆杆频率方程的求解；推导了半解析有限元法框架并得到单根钢丝中导波的频率方程，讨论了材料阻尼和初拉力对信号传播特性的影响；基于半解析有限元框架建立圆杆受激励的瞬态响应计算模型；基于弹性体赫兹接触理论建立多根钢丝的半解析有限元模型，发现多根钢丝整体波导结构中出现了单根模态组合的新模态，在波数频率曲线上表现出明显的模态转换；在有限元软件中建立了单根钢丝和多根钢丝束的有限元数值模拟模型，分析发现单根钢丝中信号传播规律与理论解吻合，多根钢丝中出现了新模态，新模态能量会在激发钢丝和相邻钢丝间相互传递，总体上各钢丝能量有趋同的趋势。.2、声发射波形数据分析方法研究。基于切比雪夫多项式的改进二维傅立叶变换，将多点的时间空间域信号转换到频率波数域内，获得更细的频谱；提出根据频率波数曲线的多重模态滤波方法用于信号模态分离；提出基于时频分析的声发射互相关定位方法，可以确定信号间相干性最强的频率以及对应的时间延迟，再结合频散曲线可以确定信号源的位置。.3、有限元模拟结果的激光超声试验验证。开展声发射在单根钢丝和多根钢丝束中传播特性的激光超声试验，发现单根钢丝试验中信号的时频分布与理论时频曲线吻合良好，多根钢丝束试验中在“强耦合”条件下，多根钢丝出现了单根模态组合的新模态，在波数频率曲线上出现明显的模态转换；在“弱耦合”条件下，多根钢丝中新模态特征不明显，更加接近单根钢丝波动特性，相邻钢丝中的声波模态与中心钢丝相同。.4、声发射信号在整根拉索中的传播模型研究。开展了导波在拉索结构中的传播试验，建立了能量随传播距离的指数衰减模型，发现有张力索能量衰减因子为0.447，远小于无张力索。