如何检测和监控电缆系统的损坏？
缆索结构体系是大跨度桥梁的主要承重构件，其安全性和耐久性对桥梁的正常使用和整体安全极其重要。由于缆索结构体系是缆索承重桥梁的生命线，一旦因耐久性和安全性不足而发生病害和劣化，其承载能力的丧失将导致公路桥梁坍塌的恶性事故，造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失。目前，许多已经建成并投入运营的桥梁都出现过振动过大、腐蚀严重或断缆事故，如广州海印大桥断缆、四川綦江彩虹桥整体垮塌、四川宜宾小南门大桥吊杆断裂等。还有一些桥梁已经更换或即将更换，如济南黄河大桥、四川前卫大桥、上海恒丰路斜拉桥、广东九江大桥、云南三大地大桥等。桥梁缆索系统耐久性和安全性不足的问题已经引起桥梁工程界的高度关注，正在积极探索和解决。如何监测和评估斜拉桥拉索和吊索(杆)的安全性和耐久性，已成为主管部门和工程技术人员十分关注的问题。
缆索系统的损伤主要有腐蚀、疲劳断丝、滑丝和断裂，它们的检测和监测技术也主要是针对上述损伤形式。下面简单介绍几种常用的检测方法。
1索体损伤检测技术
1.1手动检测方法
长期以来，人们对大跨度桥梁的索体检测主要采用人工检查，主要是检查索体是否腐蚀，紧固件是否松动，定期在索体各部位刷防护漆，对腐蚀钢丝及时除锈，检查腐蚀钢丝数量，判断腐蚀程度。目前，第三代电缆系统(PE保护电缆)大多采用目测法。先观察护套表面，再根据表面情况决定是否需要在部分部位开锚固区或切开护套，让钢丝露出来了解腐蚀和断丝情况。必要时，对部分钢丝进行取样，并进行相关的物理和机械试验，以确定电缆的状态。桥梁缆索结构常规检查的实际操作如图1所示。
常规检测方法根据电缆的腐蚀程度和等级，提出是否需要更换电缆。根据表1或建设部行业标准CJJ99-2003，对拉索的安全性提出了量化指标:以断丝面积的2%或钢丝总面积损失的10%作为拉索是否需要更换的阈值；对于悬索桥吊杆的更换，只规定需要更换的要进行力学分析，制定更换方案。
a、切开护套观察缆绳B、悬索桥主缆C楔入木楔，目测缆绳锚端腐蚀情况。
图1桥梁缆索结构常规检查(目测)
表1电缆腐蚀程度分类
1.2漏磁检测法
无损检测在检测构件腐蚀、裂纹等缺陷方面越来越成熟。在众多无损检测方法中，磁检测原理是最好的无损检测方法之一。漏磁法是无损检测的主要手段，通过测量磁化电缆表面泄漏的磁场强度来确定缺陷的大小。一旦电缆表面受损或断裂，就会有一部分磁场从电缆中泄漏出来，而这个泄漏的磁场可以被传感器检测到。当电缆遇到内部或内部缺陷引起的材料不连续时，磁力线会聚集(扭曲)，从而引起可检测的漏磁或磁场变化。
目前，该方法广泛应用于钢筋混凝土结构的钢筋定位检测和钢丝绳检测。图2显示了用于检测钢丝绳的商用漏磁检测仪器。因为斜拉桥和悬索桥的拉索外径(包括护套)可以达到甚至超过200mm。因此，如果采用图2所示的漏磁检测仪器，其庞大的体积和重量将使得必须使用专门的机器人进行检测。近年来，我国也在探索利用攀爬机器人检测斜拉桥的拉索。
图2商用钢丝绳漏磁检测仪。
在我国，多年来一直采用漏磁技术检测斜拉索的腐蚀、断丝和磨损情况。从结果来看，与钢丝绳检测相比具有以下特点:
1)电缆一般用防腐材料包裹，末端用浇注材料锚固。因此，即使是电缆最外层的断丝也会远离磁传感器，从断丝断口向外扩散的漏磁场强度从断口向四周呈指数递减，所以磁传感器能检测到的磁场强度会很弱；电缆内层断丝产生的可测磁场由于外层钢丝的屏蔽作用变弱，难以检测。
2)由于电缆外层包覆有不透明的PE材料，电缆断丝(内层或外层)的检测无法直接观察，只能通过仪器进行定量和定性分析，从而判断缺陷沿电缆轴线的位置和等级以及在截面上的分布。
根据漏磁检测技术的特点，检测斜拉桥和悬索桥吊索锚固区外部分的钢丝腐蚀和断丝是可行的，但在锚固区内检测会比较困难。
1.3辐射检测方法
辐射法可以检测索体的各种损伤，包括X射线和γ射线，可以检测索体的内部损伤和缺陷。X射线检测的原理是，当射线穿过被检测物体时，缺陷部分和非缺陷部分的吸收能力是不同的。一般情况下，穿过缺陷部分的射线强度高于非缺陷部分，因此可以通过检测射线强度穿过被检测物体后的差异来判断被检测物体是否存在缺陷。辐射法不仅可以检测损伤的存在，还可以在三维空间坐标中定位损伤。X射线检测装置主要由射线源、胶片和摄像机组成。为了屏蔽对人体的辐射，X射线装置往往比较大，但便携式X射线装置可以用于现场检测电缆的损坏情况。
表面缺陷也会影响底片上的图像，但通过现场观察表面缺陷，可以消除图像上的表面缺陷，更准确地得到索体和锚头内部的断丝、滑丝损伤。
1.4超声波检测
上世纪末，美国、日本等国研究了斜拉索锚固区钢丝断裂超声波检测技术，并将其应用于美国的Cochrane桥。图3为实桥中斜拉索锚固区钢丝断裂的超声波检测。据报道，当频率为5~10MHz时，超声波可检测到锚固区内2~5m长度内的缆索断丝。显然，这种测量技术是一种选择，但在检测斜拉桥的拉索和锚固系统以及悬索桥的吊索系统时，为了使结果理想，必须事先进行严格的标定。虽然理论上可以测量电缆的不规则度和截面损耗，但实际操作起来还是比较困难。另一方面，利用超声波检测技术对锚固区外的锚索进行检测仍然存在困难。
图3 Cochrane桥缆索锚固区钢丝断裂的超声波检测。
1.5磁致伸缩传感技术的检测方法
磁性引伸计技术使用两个磁性引伸计进行测试，其中一个用作发射器，另一个用作接收器，两者都由线圈和偏置磁场组成，如图4所示。
磁伸长技术可用于检测断丝、腐蚀等原因造成的电缆截面损失。49线电缆在国外已经进行了测试和研究，其有效性得到了证实。对长度为100m、直径为F15mm的钢绞线的测试表明，磁伸长传感器可以检测到大于2%的截面损失。然而，类似于漏磁传感技术的锚固区检测仍然是困难的。
图4用于电缆检测的磁伸长传感技术示意图
1.6电反射技术
电反射技术(包括电时域反射/ETDR和电频域反射技术/EFDR):电时域反射系统也称为“闭环”雷达，广泛应用于电力线路的探测，也用于岩土工程。电时域反射系统的工作原理是系统向电缆发送高频电脉冲，电缆沿线不连续、不匹配的阻抗会反射一些脉冲，系统可以记录反射的脉冲，根据阻抗的变化分析电缆沿线物质的物理特性。电频域反射技术在频域对反射信号进行处理，其分析会比时域更简洁明了，更容易去除噪声的影响。电反射系统在检查斜拉桥和悬索桥的电缆时，可以利用电缆的钢绞线或平行钢索作为电缆，同时平行布置另一根附属电缆作为接地线，如图5所示。
a、实际电缆b、理想化电缆
图5电缆电反射探测技术示意图(可探测电缆的一种模式)
目前，基于产品的电反射测试系统已经能够获得损耗超过7%的电缆的损伤数据。随着技术的发展，电反射系统的测试精度将会逐步提高。美国国家自然科学基金会资助的一项相关研究表明，电反射系统可以准确区分电缆的表面腐蚀和点蚀及其位置。由此可见，电反射系统检测电缆表面锈蚀、点蚀、断丝等损伤是完整可行的。事先校准后，电反射系统还可以测量电缆(铁磁材料)的应变。可见，电反射技术是一种适合电缆生产的检测技术，其实施需要与电缆生产相结合。但它对电缆本体用PE护套的热挤压要求高，用现有的挤出技术和设备还有许多技术问题需要解决。
此外，还有无损检测的磁弹性传感器技术；脉冲涡流技术；非线性声振动技术；能量收集和获取技术等。但是这些检测技术很多都有自己的工作条件和条件。基于对电缆检测工作条件和条件的分析，以上哪一种技术都不能完全覆盖，必须组合解决。
2电缆损伤监测技术
2.1声发射监测方法
声发射监测是一种“被动”监测，其基本原理是当固体材料内部缺陷发生并扩展时，能量以弹性波的形式释放并向四周传播，缺陷成为声发射源。索体的检测是指当高拉应力的索钢丝开裂、腐蚀或断裂时，局部高应力的释放会产生特定的应力波，声发射监测系统可以捕捉到这种应力波，并用来分析其物理过程。使用时，声发射监测系统必须连续工作，一旦出现应力波(声波)，就会被记录下来。图6显示声发射技术在实桥缆索状态监测中的安装。但从检测效果来看，弹性波在混凝土中衰减很快，因此声发射法不适合用于有粘结电缆的监测。
a、缆索用AEM传感器b、斜拉索上的AEM传感器c和锚固区中的AEM传感器。
图6声发射技术在桥梁缆索状态监测中的应用
2.2振动方法
振动法可以用来检测和监测拉索的内力。振动测试法是目前应用最广泛的索力测试方法。振动测试方法的前提条件是电缆的长度、线密度和边界条件明确，电缆不要过短、过长、过粗或有中间支撑。在这些前提条件下，只要使用得当，测试前标定索力与频率的关系，振动法就能准确测量出索力的静张力。为了突破传统振动法的局限性，振动法本身也在不断发展。振动法的发展还包括振动拾取技术(如激光、电磁感应等非接触式振动测试)和信号处理技术的进步。
振动测试中使用的传感器主要有两种。一个是加速度传感器，图7显示了安装在斜拉索上时的振动测试。另一类是压力传感器，主要通过在电缆末端安装通孔式压力传感器来实现。目前适用于电缆的压力传感器有两种:钢型压力传感器和应变传感器，其中钢型压力传感器长期稳定性好，但只能用于测试电缆的静张力；应变式压力传感器长期稳定性差，但可以同时测试电缆的静态张力和动态张力。随着新桥梁建设中健康监测系统配置的强劲趋势，一些新的缆索承重桥梁可能会安装这种传感器，这对确保桥梁的安全具有重要意义。然而，用压力传感器法来测试过去已建成的斜拉桥和悬索桥的索力显然不容易，也不经济。加速度传感器法安装在拉索上，旧桥新桥都可以用，显然现实得多。
图7斜拉索振动试验(拉索静张力)
以上介绍了桥梁缆索系统检测和监控的一些常用方法。这是一个复杂的过程，影响因素很多。目前人们只是在做研究和实验，希望找到一种理想可靠的检测方法。因此，这些常用的无损检测和监测技术还不完善，无法准确评估受损的电缆系统。只有结合起来形成体系，才能解决一些问题。
3结论与展望
从上面可以看出，测力原理不同，使用的仪器不同，测量结果也不同。同一根电缆用不同的方法测试，测得的结果往往差别很大。桥梁结构复杂，受力也很复杂。桥梁工作几年后，实际状态、设计状态、成桥状态都发生了很大变化，索力会重新分布。如何根据索力测试结果准确分析拉索的安全性是一个非常复杂的问题。拉索应力增大是结构变形还是钢丝截面减小造成的？钢丝截面减小往往很难判断是疲劳短丝还是腐蚀造成的。很难说。尤其是当电缆腐蚀严重，但电线没有断的时候，其检测结果往往给人一种虚假的安全感，令人担忧。即使知道有断丝，电缆的有效截面也已经减小。要找出断丝原因，只能用最原始的方法，打开锚固区，直接观察断丝。采用上述方法，虽然直接可靠，但可操作性强。但应打开电缆的保护层(包括水泥砂浆或硫磺砂浆；金属涂层或PE涂层)，费时费力，施工周期长，对交通影响大；修复后开放位置的可靠性也值得考虑。
因此，桥梁缆索的检测和监测是一个复杂的过程，影响因素很多。目前的无损检测技术没有一种能同时适用于锚固区内外拉索的检测，只有结合一个系统才能解决。该系统所涉及的技术、运行条件、工艺要求、数据处理和分析以及结果的准确性和可靠性都需要深入研究和测试，以准确评估电缆是否能够安全运行。而且什么时候进行检测监测，不仅要耗费大量的人力物力进行多次论证，而且结果往往不尽如人意。
为了彻底解决这些问题，对电缆的检测和监测进行了进一步的研究和试验。它的目的是希望电缆能随时向我们报告它的病害，以便我们随时判断电缆的使用寿命，及时维修更换。只有这样，才能及时避免桥梁垮塌的恶性事件。可以看出，近期电缆的发展趋势将是可控、在线检测的智能电缆。
更多工程/服务/采购招标信息，提高中标率，可点击官网客服底部免费咨询:/#/？source=bdzd