基于电阻传感的桥梁拉索腐蚀监测研究

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拉索作为现代大跨度桥梁的关键构件,对环境介质的侵害较为敏感,且防护体系破损情况不易检查,其腐蚀问题是桥梁工程运营维护的关注重点之一。目前对于服役期间拉索健康状态的检测与监测主要集中在拉索的损伤和断丝方面,而对于其早期腐蚀的检测与监测研究较少。由于电阻传感技术在金属腐蚀监测中具有较高的灵敏度,本文以拉索中含锌铝合金镀层的高强钢丝为研究对象,先后进行了基于电阻传感的钢丝腐蚀监测理论分析、相关参数标定试验、高强钢丝腐蚀监测验证试验,并由此制作了一种拉索腐蚀传感器。本文完成的主要工作及结论如下:(1)给出了高强钢丝电阻测试误差消除方法及电阻并联模型。经分析,选定四点测量法作为本次试验的电阻测量方法,并根据该测量方法的误差影响因素(包括热电势、非欧姆接触及电阻发热等),给出了相应测量误差的消除方法;同时,根据高强钢丝的材料结构及元素组成成分,提出了电阻法中高强钢丝的电阻并联模型。(2)研究了基于电阻法的高强钢丝腐蚀情况判断及电阻修正方法。提出了高强钢丝这种复合材料腐蚀参数的计算理论,以及两种基于电阻法判断高强钢丝腐蚀阶段的方法。根据金属的电阻影响因素(温度和拉力)以及高强钢丝电阻特点,提出了高强钢丝腐蚀电阻的修正方法。进一步根据高强钢丝在桥梁中的实际使用工况,对该电阻修正方法进行了简化。从数学角度证明了不均匀腐蚀对于电阻法监测单一金属腐蚀的影响,并预测了其对于高强钢丝腐蚀监测的影响。(3)开展了高强钢丝电阻法相关参数标定试验。得到了高强钢丝整体、高强钢丝镀层、裸钢丝在电阻法腐蚀监测中所需参数的基准值和不确定度,并进行了完整钢丝和裸钢丝的静力拉伸性能对比,为高强钢丝的电阻修正提供了数据支撑。(4)开展了不同腐蚀情况下电阻法与失重法的对比试验。通过稀盐酸腐蚀试验,验证了电阻法高强钢丝腐蚀监测理论以及不考虑拉力时高强钢丝电阻修正方法的可靠性。通过盐雾腐蚀试验,验证了不均匀腐蚀对电阻法腐蚀监测的影响,即理论上,电阻法得到的质量损失率总比实测质量损失率大。在本次试验中,该比值的均值为1.76。(5)完成了基于电阻传感的拉索腐蚀监测传感器设计与测试。针对拉索与锚具过渡部位这一重点腐蚀部位,提出了传感器的设想,并设计制作了一种拉索腐蚀传感器。为减小传感器的测量误差,用裸钢丝做为温度补偿探头,并通过试验验证了温度补偿的可靠性。通过传感器盐雾腐蚀试验,测量了镀层和钢丝内层钢材在盐雾试验中的平均腐蚀速率,试验结果表明,所制作的拉索腐蚀传感器能够很好地反映腐蚀探头的质量损失率,传感器能表征出完整钢丝万分之二的腐蚀量,即0.401μm的平均腐蚀深度。
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