[发明专利]基于超声波法的钢结构构件内部初始应力检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于钢结构构件应力无损检测领域，具体涉及基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测装置和方法。 

背景技术

随着经济的飞速发展，我国正在兴建和筹建越来越多的钢结构工程项目。与此同时，人们对这类工程的安全性越来越关注和重视。为确保结构安全及人民的生命财产和安全，进行钢结构的健康监测是十分必要的。结构健康监测的内容很多，如载荷监测、温度监测、加速度监测、位移监测、应变监测、应力检测等等。在役钢结构构件内部的应力是结构安全状态的重要指标，在钢结构健康监测中占有重要地位。通过对已建或在建的钢结构构件进行应力检测，可以避免由于设计失误引发的工程事故；通过对使用时间较长钢结构构件进行应力检测，可以解决结构构件初始应力的检测问题；通过对灾后钢结构的构件进行应力检测，可为灾后钢结构安全评估提供现实依据。因此，钢结构构件应力的检测很受重视。 

目前，应力检测成熟的方法有：电阻应变计法、光弹性法、X射线法、磁弹性法、钻孔法等。对在役钢结构构件内部初始应力检测，各个方法均有缺陷。电阻应变片法虽然可以准确记录应力，但是只能记录构件表面应力的改变量，对构件内部的初始应力无法检测；光弹性法必须用具有双折射效应的透明材料制作与工件形状类似的模型，这一点钢材不能满足要求；X射线法准确性好、可靠性高，但是该方法的测量精度受到许多因素的影响，且测量深度仅达几十微米，对在役钢结构内部应力检测不适合；磁弹性法受磁化条件限制，可靠性和精度差，且设备复杂，不适合于钢结构内部初始应力检测；钻孔法虽然精度高，可以检测构件的初始应 力，但是会对原结构造成破坏，也不适合钢结构构件内部应力的无损检测。所以，传统的应力检测方法并不适合于钢结构构件内部应力无损检测这一要求。 

由于传统应力检测方法的缺点和问题，近年来许多的其它领域的专家学者开始研究基于超声波法的应力无损检测方法，并且取得了不少的成绩。如哈尔滨工业大学的方洪渊等人，他们用超声波法对焊接残余应力的无损测量，该试验方法克服了传统切割释放测量方法费时耗力的缺点，为焊接结构服役状态下的可靠性评估奠定了基础。其测量装置照片如图1所示。浙江工业大学的鲁聪达等人，他们用超声波技术检测螺栓的紧固轴力，并研究了螺栓扭拉复合受力状态和单一只受轴力受力状态的超声特性曲线区别，实验证实了声传播时间差和轴向应力的线性关系，测得的结果比较准确。超声波在螺栓中的反射示意图如图2所示(图中，1为入射波，2为反射波)。同济大学的李永攀等人做了用反射纵波法来检测钢轨应力的实验，结果显示应力变化引起的钢材料特性变化导致了声传播速率的变化，且应力变化与声传播速率的变化呈线性关系。该结果证明了超声波测量钢轨应力的可行性。其测量系统示意图如图3所示。另外，现有技术CN1862256A模拟了一种断裂测定内部应力的方法。 

但以上各领域的方法直接应用于钢结构构件内部初始应力无损检测存在一些问题。主要包含以下几个方面：第一，构件材质的差别，钢结构用钢主要是低碳钢和合金钢，而铁路行业中铁轨的用钢均为特种钢材，且钢材种类较单一，焊接残余应力的检测中，母材因为受温度影响织构会发生改变，这与建筑行业的钢材种类不同；第二，构件尺寸的影响，钢结构构件，如型钢、钢管等，其表面形态和构件形状具有特殊性，由于这个因素的影响，使得其与上述方法中如螺栓的轴向应力检测选用的波型和探头布置方式有很大区别；第三，波形的选取，上述方法选用的波型为纵波、纵横波相结合等，使用这些波型无法测量钢结构构件内部初始应力。而且，目前钢结构构件应力无损检测方法主要存在以下缺点：一个是只能检测应 力的改变量，而检测不了当前状态下的应力大小；另一个缺点是检测的应力位置处于构件表面和表面以下最多几十微米的深度范围，而检测不了几个毫米深度的应力大小。 

为克服上述现有技术的不足，本发明提出的基于超声波法的钢结构构件内部初始应力检测装置和方法，能够针对钢结构构件的材质特征、尺寸特点等因素，准确无损检测出钢结构构件内部初始应力。 

发明内容

鉴于现有技术存在的技术问题，通过大量的实验研究得到一种基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法，具体地，通过以下方案解决相应技术问题： 

本方法提出一种基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法，包括通过先标定在役钢结构构件复制品固定声程的声弹性系数B，检测超声波在役钢结构构件中的声时t的改变量，来求解钢结构构件内部初始应力σ的方法。