基于特征量反演的拉索损伤声发射监测理论与试验研究

Acoustic emission (AE) is a phenomenon of elastic wave releasing when a material undergoes deformation or crack. At present, the research on AE monitoring of bridge cables usually considers the position near to the damage, and not take into account the effect that wave propagate from damage position to monitoring instrument. However, the length of bridge cable is different, which will lead to different identification result because of the wave propagation. Through the study on the propagation characteristics of stress waves in cables, this research aims to build a damage identification model for long distance monitoring of cables based on the inversion of characteristic quantities. The characteristic quantities can be obtained through AE experiments using different kind of sound sources, such as friction, corrosion and wire breakage. First, the research is focused on the characteristics of wave form by doing wave propagation experiments in long wires and cables. Then, considering the wave features from different damage sources in wires and cables, a mathematical model of wave propagation will be built through the regression analysis of waveform characteristic quantities. Finally, the source identification model will be established based on the inversion of characteristic quantities by combining waveform characteristics of different kind of source damages. The results of this research will not only provide theoretical foundation and method for designing AE monitoring system for cables, but also have reference value for the monitoring of other cable-supported structures.

声发射是材料产生变形或断裂，以弹性波形式释放应变能的现象。目前基于声发射监测的拉索损伤识别研究，监测位置通常靠近损伤源，没有考虑波形从损伤源传播到监测点这一过程变化，而实桥拉索长度不等，不同的损伤波传播距离将产生完全不同的识别结果。本项目通过研究声发射应力波在索内的传播规律，建立基于特征量反演的远距离损伤源识别模型。通过进行摩擦、腐蚀及断丝等不同损伤源声发射试验，提取可量化的不同损伤源波形特征；以量化的波形特征为研究对象，进行单根钢丝及拉索波传播试验；根据不同损伤源应力波在钢丝及拉索内传播的全波形变化规律，由多个波形特征量回归分析得到索内应力波传播数学模型，最终建立源识别特征量反演模型。研究成果将为拉索声发射监测系统的合理设计提供理论依据和方法，同时对拉索以外的其它索支承体系的损伤监测问题也具有参考价值。

桥梁索结构是桥梁结构整体受力的关键构件。然而，由于索结构长期处于高应力状态，环境侵蚀损伤及自身应力损失均会影响到结构受力的安全性和耐久性，因此，开展桥梁索结构的安全监测及检测方法研究对保障索承体系桥梁的正常使用功能至关重要。. 本课题基于声发射弹性波理论进行桥梁索结构的损伤检测及监测技术研究。通过有限元模拟及实验方法研究了弹性导波在单根钢丝及钢绞线中传播时的模态变化规律，并建立了导波传播能量衰减模型，提出了钢绞线腐蚀、应力水平等无损检测方法。研究内容及成果如下：. 1、基于固体中的超声波理论，求解了有边界约束条件下钢绞线中导波模态分布。目前在应用声学领域，仅有针对自由圆杆的弹性波传播理论，本课题在此基础上，通过简化钢绞线中多根钢丝间的力学接触条件，将弹性波在钢绞线中的传播过程转化为单根钢丝在有约束条件下的波传播过程，并理论求解了有约束条件下导波模态分布。结果表明，随钢丝表面约束刚度增大，一阶纵向导波频散曲线整体向高频部分偏移，且低波数部分偏移现象明显，在频率300KHz附近出现模态转角。. 2、通过单根钢丝及拉索导波传播试验，建立了导波在拉索中传播的能量衰减模型。分别在单根钢丝及91根平行钢丝制成的拉索上进行导波传播试验，由导波传播方向不同距离处实测全波形分析，建立了能量随传播距离的指数衰减反演模型，比较了有张力索和无张力索中能量衰减差异。索结构中能量衰减表现为指数衰减规律，且受张拉力影响，张紧的拉索能量衰减因子为0.447，远小于无张力索。. 3、基于导波传播模态分析，提出了钢绞线腐蚀、预应力损失无损检测方法。通过在不同腐蚀程度及不同预应力水平钢绞线中开展导波传播有限元仿真计算及试验研究，提出了基于小波包能量谱变化的钢绞线腐蚀无损检测及基于导波模态分叉角的预应力水平检测。基于导波能量熵谱的钢绞线张拉力识别指标与钢绞线张拉力之间符合线性变化关系，外围钢丝的拟合直线K值较中心钢丝下降了37.6%，采用中心钢丝进行张拉力识别效果更优。