케이블 구조 체계는 장거리 교량의 주요 하중지지 구성요소이며, 그 안전성과 내구성은 교량의 정상적인 사용과 전반적인 안전에 매우 중요하다. 케이블 구조 체계는 케이블 내력 교량의 생명선이기 때문에 내구성과 안전성이 부족하여 병해와 열화가 발생할 경우, 운반 능력의 상실로 도로 교량이 무너진 악성사고로 이어질 수 있으며, 나쁜 사회적 영향과 막대한 경제적 손실을 초래할 수 있다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 케이블명언) 현재, 이미 건설되어 운영에 투입된 많은 교량들은 광저우 해인대교 케이블 파손, 쓰촨 청강 레인보우 다리 전체 붕괴, 쓰촨 이빈 소남문대교 붐 파손 등 진동이 너무 크거나 부식이 심하거나 케이블 파손 사고가 발생했다. 제남황하대교, 쓰촨 전위대교, 상하이 항풍로 사장교, 광둥 구강대교, 운남 3 대 지대교 등 일부 교량이 교체되었거나 곧 교체될 예정입니다. 교량 케이블 시스템의 내구성과 안전성 부족 문제는 이미 교량 공학계의 높은 관심을 불러일으켜 적극적으로 탐구하고 해결하고 있다. 사장교의 케이블 및 슬링 (로드) 의 안전성과 내구성을 모니터링하고 평가하는 방법은 관할 부서와 엔지니어링 기술자들의 큰 관심사가 되었습니다.
케이블 시스템의 손상은 주로 부식, 피로 단사, 미끄럼틀, 부러짐으로 이루어지며, 그들의 탐지 및 모니터링 기술도 주로 위에서 언급한 손상 형태를 겨냥한 것이다. 다음은 몇 가지 일반적인 탐지 방법에 대한 간략한 설명입니다.
1 케이블 손상 탐지 기술
1..1수동 감지 방법
오랫동안 사람들은 장거리 교량의 케이블 체 검사에 주로 인공검사를 사용했는데, 주로 케이블 몸체가 부식되었는지, 조임쇠가 느슨한지, 정기적으로 케이블 각 부위에 보호 페인트를 칠하고, 부식 철사를 제때에 녹이고, 부식 와이어 수를 점검하고, 부식 정도를 판단하는 것이다. 현재, 3 세대 케이블 시스템 (PE 보호 케이블) 은 대부분 시각측정법을 채택하고 있다. 먼저 덮개 표면을 관찰한 다음 표면 상황에 따라 일부 부위에 닻을 내리거나 외장을 잘라야 할지 여부를 결정하여 강선이 노출되어 부식과 단사 상황을 이해할 수 있도록 합니다. 필요한 경우 일부 와이어를 샘플링하고 관련 물리적 및 기계적 테스트를 수행하여 케이블 상태를 확인합니다. 교량 케이블 구조 일반 검사의 실제 작업은 1 에 나와 있습니다.
일반적인 검사 방법은 케이블의 부식 정도와 등급에 따라 케이블 교체가 필요한지 여부를 제시합니다. 표 1 또는 건설부 업계 표준인 CJJ99-2003 에 따르면 케이블 안전성에 대한 정량화 지표가 제시되었습니다. 즉, 케이블 면적의 2% 또는 와이어 총 면적 손실의 10% 를 케이블 교체 필요 여부에 대한 임계값으로 사용합니다. 현수교 붐 교체의 경우 교체가 필요한 역학 분석만 규정하고 교체 방안을 마련해야 한다.
A, 외장 관찰 케이블 B, 현수교 주 케이블 C 쐐기가 나무 쐐기에 들어가 케이블 닻의 부식을 눈으로 관찰한다.
그림 1 브리지 케이블 구조 일반 검사 (시각 검사)
표 1 케이블 부식 정도 분류
1.2 자속 누설 시험 방법
무손실 검사는 구성요소의 부식, 균열 등의 결함을 감지하는 방면에서 점점 성숙해지고 있다. 많은 무손실 검사 방법 중에서 자기 검사 원리는 가장 좋은 무손실 검사 방법 중 하나이다. 자속 누설 방법은 자화 케이블 표면의 누출된 자기장 강도를 측정하여 결함의 크기를 결정하는 무손실 탐지의 주요 수단입니다. 일단 케이블 표면이 손상되거나 부러지면 일부 자기장이 케이블에서 새어 나오며, 이 누출된 자기장은 센서에 의해 감지될 수 있다. 케이블이 내부 또는 내부 결함으로 인한 재질이 불연속적일 경우 자력선이 수집 (왜곡) 되어 감지 가능한 자속 누설 또는 자기장 변화를 일으킵니다.
현재 이 방법은 철근 콘크리트 구조물의 철근 위치 탐지 및 와이어 로프 검사에 광범위하게 적용됩니다. 그림 2 는 와이어 로프를 감지하는 데 사용되는 상용 자속 누설 테스트 기기를 보여 줍니다. 사장교와 현수교의 케이블 외부 지름 (외장 포함) 이 200mm 를 넘을 수 있기 때문입니다. 따라서 그림 2 에 표시된 자속 누설 테스트 기기를 사용하면 엄청난 부피와 무게로 인해 특수 로봇을 사용하여 검사해야 합니다. 최근 몇 년 동안 우리 나라도 등반 로봇을 이용하여 사장교의 라소를 탐지하는 것을 탐구하고 있다.
그림 2 상업용 와이어 로프 자속 누설 감지기
우리나라에서는 여러 해 동안 누수 기술을 사용하여 스테이케이블의 부식, 단사, 마모 상황을 탐지해 왔다. 결과에서 와이어 로프 검사에 비해 다음과 같은 특징이 있습니다.
1) 케이블은 일반적으로 방부 재료로 싸여 있고, 끝은 주탕 재료로 고정한다. 따라서 케이블의 가장 바깥쪽에 있는 단선조차도 자기 센서에서 멀리 떨어져 있고, 단사 파단에서 바깥쪽으로 퍼지는 누설 자기장 강도는 파단에서 주변으로 기하급수적으로 감소하기 때문에 자기 센서가 감지할 수 있는 자기장 강도는 매우 약해질 수 있습니다. 케이블 내부 단사로 인해 발생하는 측정 가능한 자기장은 외층 철사의 차폐 작용이 약해져서 감지하기 어렵다.
2) 케이블 바깥쪽에 불투명한 PE 재질로 덮여 있기 때문에 케이블 차단기 (내부 또는 외부) 의 탐지는 직접 관찰할 수 없으며 기기를 통해서만 정량 및 정성 분석을 수행할 수 있습니다. 케이블 축을 따라 결함의 위치와 등급 및 단면에서의 분포를 판별합니다.
자속 누설 탐지 기술의 특성에 따르면, 케이블 고정 다리 및 현수교 슬링 앵커링 영역의 외부 부분에서 와이어 부식 및 와이어 파손을 감지 할 수 있지만 앵커링 영역에서 검출하는 것은 더 어려울 수 있습니다.
1.3 방사선 검출 방법
방사선법은 X-레이와 감마선을 포함한 케이블의 다양한 손상을 감지할 수 있으며, 케이블의 내부 손상과 결함을 감지할 수 있다. X-레이 탐지의 원리는 광선이 탐지된 물체를 통과할 때 결함 부분과 결함이 없는 부분의 흡수 능력이 다르다는 것이다. 일반적으로 결함 부분을 통과하는 광선의 강도는 결함이 없는 부분보다 높기 때문에 광선 강도가 감지된 물체를 통과한 후의 차이를 감지하여 감지된 물체에 결함이 있는지 여부를 판단할 수 있습니다. 방사선법은 손상의 존재를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 3 차원 공간 좌표에서도 손상을 찾을 수 있다. X-레이 감지 장치는 주로 방사선 소스, 필름 및 카메라로 구성됩니다. 인체에 대한 방사선을 차단하기 위해 X-레이 장치는 종종 비교적 크지만 휴대용 X-레이 장치는 케이블 손상을 현장에서 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
표면 결함도 필름에 있는 이미지에 영향을 주지만, 현장에서 표면 결함을 관찰하면 이미지의 표면 결함을 제거하고 케이블 및 앵커 내부의 실크, 실크 손상을 더 정확하게 얻을 수 있습니다.
1.4 초음파 검사
지난 세기 말 미국 일본 등은 스테이케이블 앵커리지 강선 파열 초음파 검사 기술을 연구해 미국의 코클라인 다리에 적용했다. 그림 3 은 실교에서 스테이케이블 앵커링 영역 와이어가 끊어진 초음파 검사입니다. 보도에 따르면 주파수가 5~ 10MHz 일 때 초음파는 앵커리지 구역 내 2~5m 길이의 케이블 단절을 감지할 수 있다고 한다. 분명히 이 측정 기술은 선택이지만, 케이블로 고정 된 다리의 케이블 및 앵커링 시스템과 현수교의 슬링 시스템을 감지 할 때 결과를 이상적으로 만들기 위해서는 사전에 엄격한 교정을 수행해야합니다. 이론적으로 케이블의 불규칙성과 단면 손실을 측정할 수 있지만 실제로 작동하기는 어렵습니다. 한편, 초음파 검사 기술을 이용하여 앵커리지 구역 밖의 앵커 케이블을 탐지하는 것은 여전히 어렵다.
그림 3 Cochrane 브리지 케이블 고정 영역 와이어 파열의 초음파 검사.
1.5 자기 변형 감지 기술 검출 방법
자기 스트레칭 기술은 그림 4 에서와 같이 두 개의 자기 스트레칭계를 사용하여 테스트합니다. 하나는 송신기로, 다른 하나는 수신기로, 둘 다 코일과 바이어스 자기장으로 구성됩니다.
자기 스트레칭 기술은 전선 파손, 부식 등으로 인한 케이블 단면 손실을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 49 선 케이블은 해외에서 이미 테스트와 연구를 실시하여 그 유효성이 입증되었다. 길이가 100m 이고 지름이 F 15mm 인 스트랜드 테스트에 따르면 자기 스트레칭 센서가 2% 보다 큰 단면 손실을 감지할 수 있습니다. 그러나, 자속 누설 감지 기술과 유사한 앵커리지 영역 탐지는 여전히 어렵다.
그림 4 케이블 탐지를위한 자기 연신 감지 기술 다이어그램
1.6 전기 반사 기술
전기 반사 기술 (전기 시간 영역 반사 /ETDR 및 전기 주파수 영역 반사 기술 /EFDR 포함): 전기 시간 영역 반사 시스템은 "폐쇄 루프" 레이더라고도 하며 전력선 감지 및 암토공학에도 널리 사용됩니다. 전기 시간 영역 반사 시스템은 고주파 전기 펄스를 케이블에 보내는 방식으로 작동하며, 케이블이 불연속적이고 일치하지 않는 임피던스는 일부 펄스를 반사하며, 시스템은 반사 펄스를 기록하고 임피던스 변화에 따라 케이블 선 물질의 물리적 특성을 분석할 수 있습니다. 주파수 영역 반사 기술은 주파수 영역에서 반사 신호를 처리하는데, 그 분석은 시간 영역보다 더 간결하고 소음의 영향을 제거하기 쉽다. 전기 반사 시스템은 그림 5 와 같이 케이블 고정 다리와 현수교의 케이블을 검사할 때 케이블의 스트랜드 또는 평행 케이블을 케이블로 사용하고 다른 보조 케이블을 접지선으로 병렬로 배치할 수 있습니다.
A, 실제 케이블 b, 이상적인 케이블
그림 5 케이블 전기 반사 감지 기술 다이어그램 (감지 가능한 케이블의 모드)
현재, 제품 기반 전기 반사 테스트 시스템은 이미 7% 이상의 손실을 입은 케이블의 손상 데이터를 얻을 수 있다. 기술이 발전함에 따라 전기 반사 시스템의 테스트 정확도가 점차 높아질 것이다. 미국 국립자연과학재단 (National Natural Science Foundation) 이 후원하는 한 연구에 따르면, 전기 반사 시스템은 케이블의 표면 부식과 점식 및 위치를 정확하게 구분할 수 있습니다. 이로써 전기 반사 시스템이 케이블 표면의 부식, 점식, 단사 등의 손상을 감지하는 것은 완벽하게 가능하다는 것을 알 수 있다. 사전 교정 후, 전기 반사 시스템은 케이블 (자석 재료) 의 변이도 측정할 수 있다. 전기 반사 기술은 케이블 생산에 적합한 감지 기술이며, 구현 요구 사항은 케이블 생산과 결합되어야 합니다. 그러나 케이블 본체용 PE 외장의 열압에 대한 요구가 높고, 기존 돌출 기술 및 장비로 해결해야 할 기술적 문제가 많습니다.
또한 비파괴 검사를위한 자기 탄성 센서 기술이 있습니다. 펄스 와전류 기술; 비선형 음향 진동 기술; 에너지 수집 및 획득 기술 등. 그러나 이러한 검사 기술 중 상당수는 자신의 근무 조건과 조건을 가지고 있다. 케이블 검사 작업 조건 및 조건 분석에 따라 위의 기술 중 어느 것도 완전히 덮어쓸 수 없으며 함께 해결해야 합니다.
2 케이블 손상 모니터링 기술
2. 1 음향 방출 모니터링 방법
음향 방출 모니터링은 "수동" 모니터링입니다. 기본 원리는 고체 재료의 내부 결함이 발생하고 확장될 때 에너지가 탄성파 형태로 방출되어 주변으로 전파되고 결함이 음향 방출원이 된다는 것입니다. 케이블 본체 탐지는 높은 인장 응력의 케이블 와이어가 균열, 부식 또는 부러질 때 국부 고 응력 방출이 특정 응력 파를 생성하는 것을 의미하며, 음향 방출 모니터링 시스템은 이러한 응력 파를 포착하여 물리적 과정을 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 사용할 때 음향 방출 모니터링 시스템은 계속 작동해야 하며 응력 파 (음파) 가 나타나면 기록됩니다. 그림 6 은 실제 브리지 케이블 상태 모니터링에 음향 방출 기술 설치를 보여 줍니다. 그러나 감지 효과로 볼 때, 탄성파는 콘크리트에서 빠르게 감쇠되기 때문에, 음향 방출법은 접착 케이블이 있는 모니터링에 적합하지 않다.
A, 케이블용 AEM 센서 B, 스테이케이블의 AEM 센서 C 및 앵커리지 영역의 AEM 센서.
그림 6 교량 케이블 상태 모니터링에 음향 방출 기술 적용
2.2 진동 방법
진동 방법은 케이블의 내부 힘을 감지하고 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 진동 테스트 방법은 현재 가장 널리 사용되는 케이블 힘 테스트 방법입니다. 진동 테스트 방법의 전제 조건은 케이블의 길이, 선 밀도 및 경계 조건이 명확하며 케이블이 너무 짧거나 길거나 너무 두껍거나 중간 지지가 없어야 한다는 것입니다. 이러한 전제 조건 하에서, 제대로 사용한다면, 테스트 전에 소력과 주파수의 관계를 정하면 진동법은 소력의 정적 장력을 정확하게 측정할 수 있다. 전통적인 진동법의 한계를 돌파하기 위해 진동법 자체도 끊임없이 발전하고 있다. 진동법의 발전에는 레이저, 전자기 감지 등 비접촉 진동 테스트와 신호 처리 기술의 발전도 포함됩니다.
진동 테스트에 사용되는 센서는 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 가속도 센서이고 그림 7 은 스테이케이블에 장착될 때의 진동 테스트를 보여 줍니다. 또 다른 범주는 주로 케이블 끝에 관통 구멍 압력 센서를 설치하여 수행하는 압력 센서입니다. 현재 케이블에 적용되는 압력 센서에는 강철 압력 센서와 변형 센서의 두 가지가 있습니다. 이 중 강철 압력 센서는 장기간 안정성이 좋지만 케이블의 정적 장력을 테스트하는 데만 사용할 수 있습니다. 변형 압력 센서는 장기간 안정성이 떨어지지만 케이블의 정적 장력과 동적 장력을 모두 테스트할 수 있습니다. 새로운 교량 건설에서 건강 모니터링 시스템 구성의 강력한 추세에 따라 일부 새로운 케이블 부하 교량에는 이 센서가 설치될 수 있으며, 이는 교량의 안전을 보장하는 데 큰 의미가 있습니다. 그러나 압력 센서 방법으로 과거에 건설된 사장교와 현수교의 케이블 힘을 테스트하는 것은 쉽지 않고 경제적이지도 않다. 가속 센서 방법은 케이블에 설치되어 있고, 낡은 다리 신교는 모두 사용할 수 있는데, 분명히 훨씬 현실적이다.
그림 7 스테이 케이블 진동 시험 (케이블 정적 장력)
위의 내용은 교량 케이블 시스템 감지 및 모니터링에 일반적으로 사용되는 몇 가지 방법을 설명합니다. 이것은 복잡한 과정이며, 영향 요인이 많다. 현재 사람들은 단지 연구와 실험을 하고 있을 뿐, 이상적이고 믿을 만한 검출 방법을 찾기를 희망하고 있다. 따라서 이러한 일반적인 무손실 감지 및 모니터링 기술은 아직 완벽하지 않아 손상된 케이블 시스템을 정확하게 평가할 수 없습니다. 결합해서 체계를 형성해야만 몇 가지 문제를 해결할 수 있다.
3 결론 및 전망
위에서 볼 수 있듯이, 측량력의 원리가 다르고, 사용하는 기구가 다르고, 측정 결과도 다르다는 것을 알 수 있다. 같은 케이블은 다른 방법으로 테스트하는데, 측정한 결과는 왕왕 매우 다르다. 교량 구조가 복잡하고 힘도 복잡하다. 교량이 몇 년 동안 일한 후 실제 상태, 설계 상태, 성교 상태가 크게 바뀌면서 소력이 재분배될 것이다. 케이블 힘 테스트 결과에 따라 케이블의 안전성을 정확하게 분석하는 방법은 매우 복잡한 문제입니다. 케이블 응력 증가는 구조적 변형 또는 와이어 단면 감소로 인한 것입니까? 와이어 단면의 감소는 종종 피로가 짧은 실크인지 부식인지 판단하기 어렵다. 말하기 어렵다. 특히 케이블 부식이 심하지만 전선이 끊어지지 않을 경우, 그 검사 결과는 종종 잘못된 안정감을 주고 걱정스럽다. 깨진 실크가 있다는 것을 알면서도 케이블의 유효 단면은 이미 줄어들었다. 결사의 원인을 찾아내려면 가장 원시적인 방법으로 닻을 내리고 단사를 직접 관찰할 수밖에 없다. 상술한 방법을 채택하여 직접적이고 믿을 만하지만 조작성이 강하다. 그러나 케이블의 보호 층 (시멘트 모르타르 또는 유황 모르타르 포함) 을 열어야 합니다. 금속 코팅 또는 PE 코팅), 시간이 많이 걸리고, 시공주기가 길어서 교통에 큰 영향을 미칩니다. 복구 후 열린 위치의 신뢰성도 고려해야 합니다.
따라서 교량 케이블의 탐지와 모니터링은 복잡한 과정이며, 영향 요인이 많다. 현재의 무손실 감지 기술에는 앵커리지 구역 안팎의 케이블에 동시에 적용할 수 있는 테스트가 없으며, 하나의 시스템과 결합해야만 해결할 수 있습니다. 이 시스템과 관련된 기술, 작동 조건, 프로세스 요구 사항, 데이터 처리 및 분석, 결과의 정확성 및 신뢰성은 케이블이 안전하게 작동하는지 정확하게 평가하기 위해 심층적인 연구와 테스트가 필요합니다. 그리고 언제 검사를 실시하느냐에 따라 많은 인력과 물력을 소모하여 여러 차례 논증을 해야 할 뿐만 아니라, 결과는 왕왕 만족스럽지 못하다.
이러한 문제를 철저히 해결하기 위해 케이블 감지 및 모니터링에 대한 추가 연구 및 실험을 진행했다. 그 목적은 언제든지 케이블의 수명을 판단하고 적시에 교체를 수리할 수 있도록 케이블이 언제든지 우리에게 그 병해를 보고할 수 있도록 하기 위함이다. 그래야만 교량 붕괴의 악성 사건을 제때에 피할 수 있다. 최근 케이블의 발전 추세는 제어 가능하고 온라인 감지가 가능한 스마트 케이블이 될 것으로 보인다.
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