[發(fā)明專利]基于超聲波法的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力檢測裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410181350.2
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN104142195B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李祚華;滕軍;何京波
• 申請（專利權(quán)）人: 李祚華
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25;G01N29/04
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 44248
• 代理人: 韓英杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力無損檢測領(lǐng)域，具體涉及基于超聲波法的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力無損檢測裝置和方法。?

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國正在興建和籌建越來越多的鋼結(jié)構(gòu)工程項目。與此同時，人們對這類工程的安全性越來越關(guān)注和重視。為確保結(jié)構(gòu)安全及人民的生命財產(chǎn)和安全，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是十分必要的。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容很多，如載荷監(jiān)測、溫度監(jiān)測、加速度監(jiān)測、位移監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、應(yīng)力檢測等等。在役鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標(biāo)，在鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中占有重要地位。通過對已建或在建的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力檢測，可以避免由于設(shè)計失誤引發(fā)的工程事故；通過對使用時間較長鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力檢測，可以解決結(jié)構(gòu)構(gòu)件初始應(yīng)力的檢測問題；通過對災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力檢測，可為災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)安全評估提供現(xiàn)實依據(jù)。因此，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力的檢測很受重視。?

目前，應(yīng)力檢測成熟的方法有：電阻應(yīng)變計法、光彈性法、X射線法、磁彈性法、鉆孔法等。對在役鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力檢測，各個方法均有缺陷。電阻應(yīng)變片法雖然可以準(zhǔn)確記錄應(yīng)力，但是只能記錄構(gòu)件表面應(yīng)力的改變量，對構(gòu)件內(nèi)部的初始應(yīng)力無法檢測；光彈性法必須用具有雙折射效應(yīng)的透明材料制作與工件形狀類似的模型，這一點鋼材不能滿足要求；X射線法準(zhǔn)確性好、可靠性高，但是該方法的測量精度受到許多因素的影響，且測量深度僅達(dá)幾十微米，對在役鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力檢測不適合；磁彈性法受磁化條件限制，可靠性和精度差，且設(shè)備復(fù)雜，不適合于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部初始應(yīng)力檢測；鉆孔法雖然精度高，可以檢測構(gòu)件的初始應(yīng)?力，但是會對原結(jié)構(gòu)造成破壞，也不適合鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力的無損檢測。所以，傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測方法并不適合于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力無損檢測這一要求。?

由于傳統(tǒng)應(yīng)力檢測方法的缺點和問題，近年來許多的其它領(lǐng)域的專家學(xué)者開始研究基于超聲波法的應(yīng)力無損檢測方法，并且取得了不少的成績。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的方洪淵等人，他們用超聲波法對焊接殘余應(yīng)力的無損測量，該試驗方法克服了傳統(tǒng)切割釋放測量方法費時耗力的缺點，為焊接結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)下的可靠性評估奠定了基礎(chǔ)。其測量裝置照片如圖1所示。浙江工業(yè)大學(xué)的魯聰達(dá)等人，他們用超聲波技術(shù)檢測螺栓的緊固軸力，并研究了螺栓扭拉復(fù)合受力狀態(tài)和單一只受軸力受力狀態(tài)的超聲特性曲線區(qū)別，實驗證實了聲傳播時間差和軸向應(yīng)力的線性關(guān)系，測得的結(jié)果比較準(zhǔn)確。超聲波在螺栓中的反射示意圖如圖2所示(圖中，1為入射波，2為反射波)。同濟(jì)大學(xué)的李永攀等人做了用反射縱波法來檢測鋼軌應(yīng)力的實驗，結(jié)果顯示應(yīng)力變化引起的鋼材料特性變化導(dǎo)致了聲傳播速率的變化，且應(yīng)力變化與聲傳播速率的變化呈線性關(guān)系。該結(jié)果證明了超聲波測量鋼軌應(yīng)力的可行性。其測量系統(tǒng)示意圖如圖3所示。另外，現(xiàn)有技術(shù)CN1862256A模擬了一種斷裂測定內(nèi)部應(yīng)力的方法。?

但以上各領(lǐng)域的方法直接應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力無損檢測存在一些問題。主要包含以下幾個方面：第一，構(gòu)件材質(zhì)的差別，鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是低碳鋼和合金鋼，而鐵路行業(yè)中鐵軌的用鋼均為特種鋼材，且鋼材種類較單一，焊接殘余應(yīng)力的檢測中，母材因為受溫度影響織構(gòu)會發(fā)生改變，這與建筑行業(yè)的鋼材種類不同；第二，構(gòu)件尺寸的影響，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如型鋼、鋼管等，其表面形態(tài)和構(gòu)件形狀具有特殊性，由于這個因素的影響，使得其與上述方法中如螺栓的軸向應(yīng)力檢測選用的波型和探頭布置方式有很大區(qū)別；第三，波形的選取，上述方法選用的波型為縱波、縱橫波相結(jié)合等，使用這些波型無法測量鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力。而且，目前鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力無損檢測方法主要存在以下缺點：一個是只能檢測應(yīng)?力的改變量，而檢測不了當(dāng)前狀態(tài)下的應(yīng)力大小；另一個缺點是檢測的應(yīng)力位置處于構(gòu)件表面和表面以下最多幾十微米的深度范圍，而檢測不了幾個毫米深度的應(yīng)力大小。?

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出的基于超聲波法的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力檢測裝置和方法，能夠針對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)特征、尺寸特點等因素，準(zhǔn)確無損檢測出鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力。?

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，通過大量的實驗研究得到一種基于超聲波法的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力無損檢測方法，具體地，通過以下方案解決相應(yīng)技術(shù)問題：?

本方法提出一種基于超聲波法的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力無損檢測方法，包括通過先標(biāo)定在役鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)制品固定聲程的聲彈性系數(shù)B，檢測超聲波在役鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的聲時t的改變量，來求解鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部初始應(yīng)力σ的方法。?