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无损检测让上海自然博物馆里的这头蓝鲸“飞”得更高

2021-02-14 12:45:03

无损检测让上海自然博物馆里的这头蓝鲸“飞”得更高


在博物馆中,由于场地空间限制及展出需要,大量模型均采用吊索悬挂的方式进行展出。吊索悬挂的方法施工方便,目前已被广泛应用于各类展品的展出中。由于吊索断裂前通常没有明显的征兆,难以通过观察来确定其是否安全,同时悬吊模型一般质量较大,一旦发生掉落,会对人员造成较大的伤害。据推断,在役钢丝绳中有12%存在安全隐患,因此其安全问题应受到重视。

以上海自然博物馆的一头巨大的蓝鲸模型(上图)为例,我们来了解一下悬挂模型吊索内力的检测。


悬挂模型吊索受力特点

悬挂模型吊索通常采用钢绞线,并对钢绞线表面进行耐腐蚀处理。作为悬挂模型的主要受力构件,吊索的受力特征与一般的刚性构件有着本质的不同,主要表现在以下几个方面:

(1) 吊索仅承受拉力,无抗压强度;

(2) 在较小的应力和应变下,吊索也会产生较大的平面外位移;

(3) 长期作用下吊索会产生松弛;

(4) 吊索的安装过程对索力的影响非常大;

(5) 断裂过程通常为索中钢丝逐根断裂。

由于吊索的这些受力特点,在实际工程中对索力进行检测有着十分重要的意义。在悬挂模型安装过程中,对吊索内力进行检测可以保证其拉力在预先设计的范围内,保证施工质量良好;在吊索使用过程中,通过索力检测可以对其安全性进行评估,保证吊索在正常使用状态下不发生断裂。


吊索内力的检测方法

以往的吊索检测方法通常为目视结合手动检查,但是检测误差非常大。据统计,更换下来的钢丝绳中70%以上仅有很少甚至没有强度损耗,故该方法目前已基本不用。在实际工程中,索力检测通常采用无损检测方法。根据检测原理不同,用于吊索内力检测的方法可分为静力法和动力法。

静力法主要包括压力传感器测定法、静态线形法、三点弯曲法等。动力法包括波动法及振动法。

静力法中压力传感器法成本较高,因此多用于桥梁中主要拉索的索力监测;静态线形法对测量精度要求高,目前应用较少。因此在悬挂模型吊索检测中,可选的方法有三点弯曲法、波动法及振动法。

悬挂模型吊于空中,检测仪器通常只能放置在索端部,三点弯曲法难以准确标定;而相比于振动法,波动法的检测过程复杂;振动法对仪器布置位置的要求相对宽松,索长测量误差对结果的影响也较小,是非常合适的一种方法。

用振动法测定吊索内力时,将加速度传感器固定于吊索上,读取吊索在人工激励或环境随机激励下的振动情况,采用傅里叶变换计算出吊索的自振频率,然后基于自振频率及吊索的基本参数计算吊索内力。振动法同时适用于施工阶段及使用阶段的吊索内力测定,测量精度较好,仪器携带及安装方便,是目前使用最为广泛的索力检测方法。


振动法检测仪器

振动法检测通常采用加速度采集仪、振动分析仪及数据采集系统等进行,检测时将加速度传感器贴在吊索上,通过敲击吊索来获得较为稳定的加速度。采集到的加速度结果可通过FFT(快速傅里叶变换)来获得其频域分布,也可编写程序直接计算吊索内力。


振动法检测注意事项

(1) 将加速度传感器尽量布置在吊索中央或者离端部一定距离。

(2) 检测过程中如借助工具(如升降机等),应控制其对吊索产生的噪声振动。

(3) 大厅顶部存在钢丝网、钢梁、装饰吊顶、管线等,对吊索的自由振动可能有一定干扰,引起信号噪声,检测时应注意。


大蓝鲸的振动法检测

蓝鲸模型采用钢索悬吊,钢索公称直径为12mm,抗拉强度为1670MPa。钢索上部通过拉环和夹具与钢梁连接,钢梁端部搁置在锚固于混凝土梁的埋件上。

吊索与钢梁连接处外观

钢丝绳下端与模型连接,模型制作时内部预埋吊装构件,通过构件与钢丝绳端部吊环相连。

吊索与模型连接处外观

蓝鲸模型重约4500kg,检测对象现场如下图所示。

蓝鲸模型吊索物理参数

吊索编号

吊索位置

直径/

mm

索长/

m

线密度/

kg/m

与铅垂线夹角

1

头部右后侧

11.76

9.335

0.561

30°

2

头部右前侧

11.76

9.315

0.561

30°

3

头部左前侧

11.76

9.402

0.561

30°

4

头部左后侧

11.76

9.365

0.561

30°

5

尾部右侧

11.2

5.58

0.25

39.23°

1号吊索及5号吊索信号时程及信号频谱如下图所示,可以看出检测信号频谱峰值分布较为规律,可以准确读出各阶自振频率。

1号吊索信号时程及信号频谱

5号吊索信号时程及信号频谱

检测吊索一阶自振频率范围为3.689~19.38Hz,远小于采样频率的1/2,说明变换后的频谱是真实可信的。根据物理参数和自振频率可计算出各吊索实际内力:

蓝鲸左前吊点

1号吊索

实测轴向索力:16.696kN

实测竖向索力:14.465kN


2号吊索

实测轴向索力:2.003kN

实测竖向索力:1.735kN


实测竖向合力:16.2kN

设计竖向索力:11.662kN


破断拉力:79.85kN

蓝鲸右前吊点

3号吊索

实测轴向索力:9.776kN

实测竖向索力:8.467kN


4号吊索

实测轴向索力:12.051kN

实测竖向索力:10.447kN


实测竖向合力:18.914kN

设计竖向索力:11.662kN


破断拉力:79.85kN

蓝鲸尾部吊点

5号吊索

实测轴向索力:11.326kN

实测竖向索力:8.781kN


实测竖向合力:12.417kN

设计竖向索力:20.776kN


破断拉力:79.85kN

检测结果分析


从5根吊索的检测结果来看,蓝鲸模型右侧吊索受力略大于左侧吊索。所有吊索实测竖向合力为47.531kN,大于设计值44.1kN,实测结果超出设计值的7.8%,实测竖向合力与理论值较为吻合。

蓝鲸前部吊点实测竖向索力合力分别为16.2kN与18.914kN,均大于理论值11.662kN;尾部实测竖向索力12.417kN,小于理论值20.776kN。说明蓝鲸模型整体重心相比于设计值偏向前方。

吊索的实测拉力与设计拉力有一定出入,可能的原因是:

① 动物模型的设计质量有一定误差;

② 施工误差;

③ 测量误差。

蓝鲸左前吊点索力分配不均,1号索与2号索的索力实测值相差较大,其原因可能是安装时2号吊索并未完全拉紧,使得1号索承担了该吊点的大部分竖向力。


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来源:《无损检测》2018年3期

作者:戚方晨,上海大学机电工程与自动化学院 硕士,主要研究方向为博物馆项目工程管理等。


文章转载自微信公众号无损检测NDT

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