本發(fā)明屬于鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力無損檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的檢測方法。

背景技術(shù)：

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，我國已經(jīng)建設(shè)諸多大跨橋梁、高層建筑和大跨空間等鋼結(jié)構(gòu)建筑。這些結(jié)構(gòu)投資大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服役環(huán)境惡劣，在其建造與長期服役過程中，將遭受環(huán)境侵蝕、疲勞荷載、強(qiáng)/臺風(fēng)、地震、洪水/暴雨等多種災(zāi)害作用，其空間應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生明顯變化，這將對鋼結(jié)構(gòu)安全造成不利的影響，這些結(jié)構(gòu)一旦破壞失效將帶來巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失以及惡劣的社會影響。因此，研究已建鋼結(jié)構(gòu)絕對應(yīng)力無損檢測方法，可直接得到結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，這將為掌握鋼結(jié)構(gòu)長期服役的累積損傷和性能退化提供有效手段，并對確保不同環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)建筑正常使用有重要意義。

現(xiàn)有應(yīng)力無損檢測方法主要分為機(jī)械方法和物理方法兩大類。由于機(jī)械方法檢測過程中會對鋼結(jié)構(gòu)造成破壞，因此不適用于已建鋼結(jié)構(gòu)絕對應(yīng)力的檢測。應(yīng)力檢測的物理方法主要包括電阻應(yīng)變計(jì)法、光彈性法、x射線法、磁彈性法等，這些方法或因只能檢測表面應(yīng)力、或因儀器操作復(fù)雜不適用于現(xiàn)場檢測等原因不適用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件絕對應(yīng)力的快速無損檢測。因此，尋求一種專門針對鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力狀態(tài)的高性能無損檢測方法，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域亟須解決的問題。

基于聲彈性效應(yīng)的超聲波絕對應(yīng)力無損檢測方法，因其檢測過程快速、儀器操作方便、結(jié)果可靠性好等優(yōu)點(diǎn)受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究。李祚華等人在cn201410181350.2中提出采用lcr波法無損檢測在役鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部絕對應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力的無損檢測。但是，超聲波法檢測的應(yīng)力是超聲波傳播聲程上的平均應(yīng)力，對于應(yīng)力梯度較大的構(gòu)件，采用超聲波法檢測應(yīng)力結(jié)果并不準(zhǔn)確，這制約了采用超聲波檢測構(gòu)件絕對應(yīng)力的研究和應(yīng)用。因此，提出一種采用超聲波法檢測構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布的檢測方法，對于超聲波法絕對應(yīng)力檢測的研究和應(yīng)用推廣具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對在建和已建鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布的檢測。

對此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的檢測方法，其通過標(biāo)定臨界折射縱波在鋼構(gòu)件一組聲程上的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，采用單發(fā)雙收傳感器組檢測臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件對應(yīng)聲程上的傳播聲時(shí)，求解鋼構(gòu)件的絕對應(yīng)力，從而得到鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向的分布；所述單發(fā)雙收傳感器組包含一個發(fā)射傳感器、第一接收傳感器和第二接收傳感器。采用所述單發(fā)雙收傳感器組是為了精確測量臨界折射縱波在構(gòu)件中的傳播聲時(shí)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案在自主設(shè)計(jì)的單發(fā)雙收傳感器組上，選用臨界折射縱波，可以檢測鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向方向的分布。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述發(fā)射傳感器位于第一接收傳感器的一側(cè)，所述第二接收傳感器位于第一接收傳感器的另一側(cè)，所述第一接收傳感器與發(fā)射傳感器固定連接，所述第一接收傳感器、第二接收傳感器分別與游標(biāo)卡尺的兩個外側(cè)量爪連接。

其中，所述游標(biāo)卡尺包括固定外量爪和活動外量爪，所述固定外量爪與所述第一接收傳感器固定連接，所述活動外量爪與所述第二接收傳感器固定連接。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述鋼構(gòu)件的絕對應(yīng)力采用以下公式計(jì)算得到：(1)

其中，i為非負(fù)整數(shù)，j＝i+1，i表示鋼構(gòu)件上從一端到另一端從0開始依次標(biāo)記的測量點(diǎn)編號；

li和lj分別為第一接收傳感器位置固定，第二接收傳感器分別在測量點(diǎn)i、測量點(diǎn)j時(shí)臨界折射縱波在兩個接收傳感器之間的傳播聲程，單位是mm；

σi-j為在役鋼構(gòu)件從li段到lj段的平均應(yīng)力，單位是mpa；即為在役鋼構(gòu)件從測量點(diǎn)i點(diǎn)到測量點(diǎn)j點(diǎn)之間的平均應(yīng)力；

bi和bj分別為臨界折射縱波在聲程為li和lj時(shí)的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，單位是mpa/ns；即bi和bj分別為臨界折射縱波從第一接收傳感器傳播到測量點(diǎn)i點(diǎn)與測量點(diǎn)j點(diǎn)的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，也就是臨界折射縱波分別在第二接收傳感器位于測量點(diǎn)i點(diǎn)、測量點(diǎn)j點(diǎn)與第一接收傳感器之間的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)；

t0,i和t0,j分別為臨界折射縱波在復(fù)制鋼構(gòu)件聲程為li和lj時(shí)的傳播聲時(shí)，單位是ns；即t0,i和t0,j分別為臨界折射縱波在復(fù)制鋼構(gòu)件上從第一接收傳感器傳播到測量點(diǎn)i點(diǎn)和測量點(diǎn)j點(diǎn)的傳播聲時(shí)，也就是說t0,i和t0,j分別為臨界折射縱波在復(fù)制鋼構(gòu)件上第二接收傳感器分別位于測量點(diǎn)i點(diǎn)、測量點(diǎn)j點(diǎn)與第一接收傳感器之間的傳播聲時(shí)；

ti和tj分別為臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件聲程為li和lj時(shí)的傳播聲時(shí)，單位是ns。即ti和tj分別為臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件上從第一接收傳感器傳播到測量點(diǎn)i點(diǎn)和測量點(diǎn)j點(diǎn)的傳播聲時(shí)；也就是說ti和tj分別為臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件上第二接收傳感器分別位于測量點(diǎn)i點(diǎn)、測量點(diǎn)j點(diǎn)與第一接收傳感器之間的傳播聲時(shí)。

優(yōu)選的，所述鋼構(gòu)件上的第i點(diǎn)到第j點(diǎn)的長度為0.02～20mm；優(yōu)選的，所述鋼構(gòu)件上的第i點(diǎn)到第j點(diǎn)的長度為0.02～10mm；所述鋼構(gòu)件上的第i點(diǎn)到第j點(diǎn)的長度為0.02～5mm；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鋼構(gòu)件上的第i點(diǎn)到第j點(diǎn)的長度為0.5～5mm；

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述臨界折射縱波的傳播聲程采用單發(fā)雙收傳感器組測量，方法為：測得第一接收傳感器和第二接收傳感器的距離ly；第一接收傳感器的長度可直接測量，記為lg，則臨界折射縱波的傳播聲程為l＝ly+lg。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述鋼構(gòu)件的絕對應(yīng)力采用以下公式計(jì)算得到：

其中，σ1-2為在役鋼構(gòu)件l1-2段的絕對應(yīng)力，單位是mpa；l1和l2分別為第一接收傳感器位置固定，第二接收傳感器分別在測量位置點(diǎn)第一點(diǎn)和第二點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在兩個接收傳感器之間的傳播聲程，單位是mm，也就是第二接收傳感器分別位于測量位置點(diǎn)第一點(diǎn)和第二點(diǎn)時(shí)與第一接收傳感器之間的臨界折射縱波的傳播聲程；b1和b2分別為臨界折射縱波在聲程為l1和l2時(shí)的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，單位是mpa/ns；t0,1和t0,2分別為臨界折射縱波在復(fù)制鋼構(gòu)件聲程為l1和l2時(shí)的傳播聲時(shí)，單位是ns；t1和t2分別為臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件聲程為l1和l2時(shí)的傳播聲時(shí)，單位是ns。這一公式可以通過檢測l1段和l2段的平均應(yīng)力計(jì)算得到l1段與l2段聲程差的絕對應(yīng)力值。當(dāng)l1段到l2段的距離變小，如l2-l1＝1mm，可以認(rèn)為l1-2段的平均應(yīng)力為這一段的準(zhǔn)確應(yīng)力值。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述臨界折射縱波的傳播聲程采用以下步驟得到：調(diào)整發(fā)射傳感器、第一接收傳感器、第二接收傳感器的發(fā)射接收角度到第一臨界折射角，使傳感器能發(fā)射并接收臨界折射縱波；其次，測量臨界折射縱波在第一接收傳感器、第二接收傳感器之間的傳播聲程，即為接收第一接收傳感器的長度與兩接收傳感器凈距離之和，記為l1；再次，移動第二接收傳感器到第二位置，測量臨界折射縱波在第一接收傳感器、第二接收傳感器之間的傳播聲程，記為l2；最后，計(jì)算出臨界折射縱波在第二接收傳感器的第一位置和第二位置之間的傳播聲程為l1-2＝l1-l2。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的檢測方法包括以下步驟：

步驟s1：復(fù)制在役鋼構(gòu)件，得到復(fù)制的鋼構(gòu)件；

步驟s2：以復(fù)制的鋼構(gòu)件為對象，固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器的位置，標(biāo)定第二接收傳感器在不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在不同聲程下的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)；

步驟s3：以在役鋼構(gòu)件為對象，固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器的位置，測定第二接收傳感器在不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在不同聲程下的傳播聲時(shí)；

步驟s4：計(jì)算在役鋼構(gòu)件不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)對應(yīng)聲程下的平均絕對應(yīng)力；

步驟s5：通過所述在役鋼構(gòu)件已測聲程的平均絕對應(yīng)力計(jì)算未測聲程的絕對應(yīng)力；

步驟s6：改變兩個接收傳感器的位置，重復(fù)上述過程，得到在役鋼構(gòu)件其他聲程的絕對應(yīng)力值；

步驟s7：繪制在役鋼構(gòu)件沿軸向的絕對應(yīng)力分布圖。

采用此方法，可以實(shí)現(xiàn)在役鋼構(gòu)件局部絕對應(yīng)力的測試，可以得到在役鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布測試，尤其是可以準(zhǔn)確測試構(gòu)件絕對應(yīng)力梯度較大區(qū)域應(yīng)力分布。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述檢測方法采用的儀器包括：超聲波發(fā)生器、一個發(fā)射傳感器、兩個相同的接收傳感器、兩個信號放大器、示波器和pc機(jī)，所述兩個相同的接收傳感器分別與兩個信號放大器電連接，所述兩個信號放大器與示波器電連接，所述示波器與pc機(jī)連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述超聲波發(fā)生器激發(fā)發(fā)射傳感器產(chǎn)生在鋼構(gòu)件中傳播的臨界折射縱波信號，信號被兩個接收傳感器分別接收，兩個接收傳感器接收的信號分別經(jīng)信號放大器放大后被示波器接收；兩個接收傳感器接收的信號的時(shí)間間隔即為臨界折射縱波在兩個接收傳感器之間的傳播聲時(shí)。采用該技術(shù)方案的有益效果在于，不用采集同步信號即可得直接得到臨界折射縱波在兩個接收傳感器之間的傳播聲時(shí)，方法簡單，容易實(shí)施。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在測量過程中，為了保障檢測鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布的準(zhǔn)確性，相鄰聲程的距離差不應(yīng)該過大。另外，在測量過程中，在鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力梯度較大的區(qū)域，應(yīng)減小相鄰聲程的距離差。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述鋼構(gòu)件包括以型鋼為代表的表面是平面的構(gòu)件和以鋼管為代表的表面是曲面的構(gòu)件，也包括其他適用于本方法的構(gòu)件。

本發(fā)明還公開了一種采用上述方法測量鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的測量系統(tǒng)，其包括：超聲波發(fā)生器、發(fā)射傳感器、游標(biāo)卡尺、第一接收傳感器、第二接收傳感器、第一信號放大器、第二信號放大器、示波器，所述第一接收傳感器、第二接收傳感器分別與游標(biāo)卡尺連接，所述發(fā)射傳感器和第一接收傳感器固定連接，第一接收傳感器、第二接收傳感器分別與游標(biāo)卡尺的兩個外側(cè)量爪進(jìn)行螺紋連接；所述第一接收傳感器與第一信號放大器連接，所述第二接收傳感器與第二信號放大器連接，所述第一信號放大器、第二信號放大器與示波器電連接。

優(yōu)選的，其還包括pc機(jī)，所述示波器與pc機(jī)連接。

本發(fā)明還公開了如上任意一項(xiàng)所述的基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的檢測方法的應(yīng)用，其應(yīng)用于建筑鋼構(gòu)件以及其他工業(yè)金屬材料絕對應(yīng)力分布的無損檢測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，通過采用基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)在役鋼構(gòu)件局部絕對應(yīng)力的無損測試，得到在役鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布測試，尤其是可以準(zhǔn)確測試構(gòu)件絕對應(yīng)力梯度較大區(qū)域應(yīng)力分布；儀器和方法簡單，容易實(shí)施，準(zhǔn)確度高。

本發(fā)明提出的基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法，可應(yīng)用于在建的和已建的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布無損檢測，也可應(yīng)用于經(jīng)自然災(zāi)害后的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布無損檢測。

附圖說明

圖1是鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測儀器布置圖。

圖2是采用傳感器組測量臨界折射縱波傳播聲程示意圖。

圖3是試件a實(shí)物圖。

圖4是試件a尺寸圖，圖中的數(shù)字的單位為mm。

圖5是試件b實(shí)物圖。

圖6是試件b尺寸圖，圖中的數(shù)字的單位為mm。

圖7是在試件a上建立的坐標(biāo)系示意圖。

圖8是傳感器組在試件a上的初始位置，圖中的數(shù)字10、40的單位為mm。

圖9是采用本發(fā)明方法檢測試件a加載后的應(yīng)力分布圖。

圖10是采用應(yīng)變片法驗(yàn)證本發(fā)明方法時(shí)應(yīng)變片布置圖，圖中的數(shù)字單位為mm。

圖11是采用應(yīng)變片法檢測試件a加載后的應(yīng)力分布圖。

圖12是采用數(shù)值模擬方法得到的試件a加載后的應(yīng)力云圖。

圖13是采用數(shù)值模擬方法檢測試件a加載后檢測區(qū)應(yīng)力分布圖。

圖14是三種方法檢測試件a加載后應(yīng)力分布對比圖。

圖中標(biāo)記包括：

1-超聲波發(fā)生器，2-發(fā)射傳感器，3-游標(biāo)卡尺，4-第一接收傳感器，5-第二接收傳感器，6-臨界折射縱波，7-被測構(gòu)件，8-第一信號放大器，9-第二信號放大器，10-示波器，11-pc機(jī)，12-螺絲，13-移動后臨界折射縱波，21-第二位置，22-鋼構(gòu)件，23-固定件。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的檢測方法，其它凡其原理和基本結(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)方法與本方法相同或近似的，均在本方法保護(hù)范圍之內(nèi)。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在自主設(shè)計(jì)的單發(fā)雙收傳感器組上，選用臨界折射縱波，可以檢測鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向方向的分布。具體地，通過以下方案解決相應(yīng)技術(shù)問題：

一種基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法，包括：通過標(biāo)定臨界折射縱波在鋼構(gòu)件一組聲程上的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，采用自主設(shè)計(jì)的單發(fā)雙收傳感器組檢測臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件對應(yīng)聲程上的傳播聲時(shí)，帶入本發(fā)明提出的理論公式，來求解鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向的分布。

基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法儀器布置如圖1所示，所述儀器包括超聲波發(fā)生器1、發(fā)射傳感器2、游標(biāo)卡尺3、第一接收傳感器4、第二接收傳感器5、第一信號放大器8、第二信號放大器9、示波器10和pc機(jī)11，所述第一接收傳感器4、第二接收傳感器5分別與游標(biāo)卡尺3連接，所述發(fā)射傳感器2和第一接收傳感器4固定連接，第一接收傳感器4、第二接收傳感器5分別與游標(biāo)卡尺3的兩個外側(cè)量爪通過螺絲12連接；所述第一接收傳感器4、第二接收傳感器5放置在被測構(gòu)件7上。所述第一接收傳感器4與第一信號放大器8連接，所述第二接收傳感器5與第二信號放大器9連接，所述第一信號放大器8、第二信號放大器9與示波器10電連接，所述示波器10與pc機(jī)11連接。

如圖1所示，傳感器組測量臨界折射縱波傳播聲時(shí)的測量原理為：超聲波發(fā)生器1發(fā)射脈沖電信號激發(fā)發(fā)射傳感器2產(chǎn)生超聲縱波，經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后得到在構(gòu)件中傳播的臨界折射縱波6信號，并被第一接收傳感器4、第二接收傳感器5分別接收，第一接收傳感器4、第二接收傳感器5的接收信號分別經(jīng)第一信號放大器8、第二信號放大器9放大后被示波器10接收，最后輸入pc機(jī)11上軟件進(jìn)行處理。兩個接收信號的時(shí)間間隔即為臨界折射縱波在第一接收傳感器4、第二接收傳感器5之間的傳播聲時(shí)。采用這一布置方式的優(yōu)勢在于不用對比同步信號即可直接得到超聲波在兩個接收傳感器之間的傳播聲時(shí)。

傳感器組測量臨界折射縱波傳播聲程示意圖如圖2所示，圖2中，第一接收傳感器4、第二接收傳感器5為兩個一樣尺寸和型號的超聲波接收傳感器，第一接收傳感器4、第二接收傳感器5分別與游標(biāo)卡尺3的外量爪用螺絲12固定連接，第二接收傳感器5在鋼構(gòu)件22上移動后的位置為第二位置21，所述發(fā)射傳感器2和第一接收傳感器4通過固定件23固定連接，固定件23通過螺絲12和第一接收傳感器4連接，第二接收傳感器5移動到第二位置21后接收的為移動后臨界折射縱波13。

測量時(shí)，首先，調(diào)整發(fā)射傳感器2、第一接收傳感器4、第二接收傳感器5的發(fā)射接收角度到第一臨界折射角，使傳感器能發(fā)射并接收臨界折射縱波6；其次，測量臨界折射縱波6在第一接收傳感器4、第二接收傳感器5之間的傳播聲程，即為接收第一接收傳感器4的長度與兩接收傳感器凈距離之和，記為l1；再次，移動第二接收傳感器5到第二位置21，測量臨界折射縱波6在第一接收傳感器4、第二接收傳感器5之間的傳播聲程，記為l2；最后，計(jì)算出臨界折射縱波6在第二接收傳感器5的第一位置和第二位置21的傳播聲程為l1-2＝l1-l2。

通過測量l1和l2的絕對應(yīng)力值計(jì)算得到l1-2的絕對應(yīng)力值，具體方法為：選擇與在役鋼構(gòu)件同材質(zhì)的鋼構(gòu)件作為復(fù)制構(gòu)件，將單發(fā)雙收傳感器組布置于復(fù)制鋼構(gòu)件表面。如圖2所示，測試第一接收傳感器4、第二接收傳感器5第一位置時(shí)臨界折射縱波的傳播聲程并記為l1，測試第一接收傳感器4與第二接收傳感器5移動到第二位置21時(shí)的臨界折射縱波的傳播聲程并記為l2；測試臨界折射縱波6在傳播聲程分別為l1和l2時(shí)的傳播聲時(shí)，記為t0,1和t0,2。試驗(yàn)標(biāo)定臨界折射縱波6在傳播聲程分別為l1和l2時(shí)復(fù)制構(gòu)件的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，記為b1和b2。將單發(fā)雙收傳感器組布置于待測鋼構(gòu)件表面，測試臨界折射縱波在傳播聲程分別為l1和l2時(shí)的傳播聲時(shí)，記為t1和t2。通過下式可計(jì)算出鋼構(gòu)件l1-2段的絕對應(yīng)力，也就是第一位置到第二位置之間段的絕對應(yīng)力：

公式中，σ1-2為在役鋼構(gòu)件l1-2段的絕對應(yīng)力，單位是mpa；l1和l2分別為第一接收傳感器位置固定，第二接收傳感器分別在測量位置點(diǎn)第一點(diǎn)和第二點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在兩個接收傳感器之間的傳播聲程，單位是mm；b1和b2分別為臨界折射縱波在聲程為l1和l2時(shí)的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，單位是mpa/ns；t0,1和t0,2分別為臨界折射縱波在復(fù)制鋼構(gòu)件聲程為l1和l2時(shí)的傳播聲時(shí)，單位是ns；t1和t2分別為臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件聲程為l1和l2時(shí)的傳播聲時(shí)，單位是ns。當(dāng)l1段到l2段的距離變小，如l2-l1＝1mm，可以認(rèn)為l1-2段的平均應(yīng)力為這一段的準(zhǔn)確應(yīng)力值。

第二接收傳感器5到新的位置，重復(fù)上述過程，可以得到下一段聲程的準(zhǔn)確應(yīng)力值。采用這種方法可以得到整個構(gòu)件不同位置應(yīng)力值，將所有測得的應(yīng)力值繪制出來，即可得到鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布圖。

在測量過程中，為了保障檢測鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布的準(zhǔn)確性，相鄰聲程的距離差不應(yīng)該過大，在鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力梯度較大的區(qū)域，應(yīng)減小相鄰聲程的距離差。

實(shí)施例1

以下為基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法原理性解釋。

將建筑鋼構(gòu)件材料視為各向同性體。當(dāng)臨界折射縱波在鋼構(gòu)件中傳播一段聲程l時(shí)，采用專利文獻(xiàn)201410181350.2中詳述的方法可以檢測l段聲程的平均應(yīng)力，可用下列公式求解：

σ＝b(t0-t)(3)

公式(3)中，σ為在役鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力，單位是mpa；b為應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，單位是mpa/ns；t0為臨界折射縱波在復(fù)制鋼構(gòu)件某聲程上的傳播聲時(shí)，單位是ns；t為臨界折射縱波在在役鋼構(gòu)件某聲程上的傳播聲時(shí)，單位是ns。

可以看出，上述方法檢測鋼構(gòu)件l段的應(yīng)力時(shí)平均應(yīng)力。通過改變l段距離和減小接收傳感器尺寸可以將l段距離減小到大約50mm，但對于鋼構(gòu)件某些應(yīng)力集中和應(yīng)力梯度較大的部位，仍難以檢測鋼構(gòu)件應(yīng)力的真實(shí)值。為此，在上述檢測基礎(chǔ)上，結(jié)合本發(fā)明提出的基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法，按照下列步驟檢測鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布。

第一步，復(fù)制在役鋼構(gòu)件，得到復(fù)制的鋼構(gòu)件。制作與在役鋼構(gòu)件同質(zhì)鋼構(gòu)件作為復(fù)制構(gòu)件，制作復(fù)制構(gòu)件的目的是標(biāo)定應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)和測定零應(yīng)力狀態(tài)下臨界折射縱波的傳播聲時(shí)。

第二步，以復(fù)制的鋼構(gòu)件為對象，固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器的位置，標(biāo)定第二接收傳感器在不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在不同聲程下的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)。如圖2所示，分別測量傳感器組第一接收傳感器4、第二接收傳感器5位置在第一位置時(shí)，以及第一接收傳感器4不動、第二接收傳感器5移動到第二位置21時(shí)的臨界折射縱波的傳播聲程，分別記為l1、l2；測量零應(yīng)力狀態(tài)下臨界折射縱波在聲程l1、l2上的傳播聲時(shí)，記為t0,1、t0,2；采用專利文獻(xiàn)1中詳述的方法標(biāo)定臨界折射縱波傳播聲程為l1和l2時(shí)的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，記為b1、b2。

第三步，以在役鋼構(gòu)件為對象，固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器的位置，測定第二接收傳感器在不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在不同聲程下的傳播聲時(shí)。將傳感器組布置于待測在役鋼構(gòu)件表面，測試臨界折射縱波在傳播聲程分別為l1、l2時(shí)的傳播聲時(shí)，記為t1、t2。

第四步，計(jì)算在役鋼構(gòu)件不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)對應(yīng)聲程下的平均絕對應(yīng)力。通過公式(3)可以計(jì)算臨界折射縱波在傳播聲程分別為l1、l2時(shí)在役鋼構(gòu)件的絕對應(yīng)力，記為σ1、σ2。其中：

σ1＝b1(t0,1-t1)(4)

σ2＝b2(t0,2-t2)(5)

第五步，通過在役鋼構(gòu)件已測聲程的平均絕對應(yīng)力計(jì)算未測聲程的絕對應(yīng)力。第四步得到了鋼構(gòu)件l1段和l2段的絕對應(yīng)力分別為σ1和σ2，鋼構(gòu)件l1-2段的絕對應(yīng)力的計(jì)算方法為：

將公式(4)和(5)帶入公式(6)可得：

當(dāng)l1段到l2段的距離變小，如l2-l1＝1mm，可以認(rèn)為l1-2段的平均應(yīng)力為這一段的準(zhǔn)確應(yīng)力值。

第六步，改變兩個接收傳感器的位置，重復(fù)上述過程，得到在役鋼構(gòu)件其他聲程的絕對應(yīng)力值。采用這種方法可以得到整個構(gòu)件不同位置應(yīng)力值。

第七步，繪制在役鋼構(gòu)件沿軸向的絕對應(yīng)力分布圖。將所有測得的應(yīng)力值繪制出來，即可得到鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布圖。

實(shí)施例2

基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法用于鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力分布的試驗(yàn)及驗(yàn)證。

選擇鋼板作為試驗(yàn)對象。為了產(chǎn)生具有不同應(yīng)力值分布的應(yīng)力場，設(shè)計(jì)制作了如圖3所示的試件a，試件a材料為45號鋼材，試件a尺寸如圖4所示。為了擬合不同聲程下的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，設(shè)計(jì)制作了如圖5所示的試件b，試件b材料為45號鋼材，試件b尺寸如圖6所示。

按照實(shí)施例1中的步驟檢測鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布。

第一步，復(fù)制在役鋼構(gòu)件，得到復(fù)制的鋼構(gòu)件。復(fù)制鋼構(gòu)件為試件b。

第二步，以試件b為對象，固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器的位置，標(biāo)定第二接收傳感器在不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在不同聲程下的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)。在試件b上進(jìn)行應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)的標(biāo)定，設(shè)定兩接收傳感器壓電晶片之間的距離用li表示，其中初始距離為l0＝40mm。固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器，每間隔5mm將第二接收傳感器移動到不同的位置，使l1＝45mm、l2＝50mm、……、l63＝355mm，如表1所示；測量零應(yīng)力狀態(tài)下臨界折射縱波在聲程l0、l1、……、l63上的傳播聲時(shí)，記為t0,0、t0,1、……、t0,63，如表1所示；標(biāo)定臨界折射縱波傳播聲程為l0、l1、……、l63時(shí)的應(yīng)力-聲時(shí)差系數(shù)，記為b0、b1、……、b63，如表1所示。

表1

第三步，以試件a為對象，固定發(fā)射傳感器和第一接收傳感器的位置，測定第二接收傳感器在不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)時(shí)臨界折射縱波在不同聲程下的傳播聲時(shí)。為試件a施加荷載，在試件a上建立如圖7，圖7中，l軸為距離試件a端部距離，σ軸為應(yīng)力值，所示的坐標(biāo)系，傳感器組在試件a上的初始位置如圖8所示，測試臨界折射縱波在傳播聲程分別為l0、l1、……、l63時(shí)的傳播聲時(shí)，記為t0、t1、……、t63。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2

第四步，計(jì)算試件a不同測量點(diǎn)與其后一測量點(diǎn)對應(yīng)聲程下的平均絕對應(yīng)力。通過公式(3)可以計(jì)算臨界折射縱波在傳播聲程分別為l0、l1、……、l63時(shí)加載試件a的絕對應(yīng)力，記為σ0、σ1、……、σ63。數(shù)據(jù)如表3所示。

表3

第五步，通過試件a已測聲程的平均絕對應(yīng)力計(jì)算未測聲程的絕對應(yīng)力。通過得到的試件a的l0段和l1段絕對應(yīng)力σ0和σ1，計(jì)算l0到l1(記為p0-1)段的絕對應(yīng)力值σ0-1。同理，可計(jì)算其他段絕對應(yīng)力值σ1-2、σ2-3、……、σ62-63。數(shù)據(jù)如表4所示。

表4

第六步，繪制試件a沿軸向的絕對應(yīng)力分布圖。將所有測得的應(yīng)力值σ0-1、σ1-2、……、σ62-63繪制出來，得到試件a加載后絕對應(yīng)力分布圖。如圖9所示。

對比實(shí)驗(yàn)1

應(yīng)變片法測定試件a加載后絕對應(yīng)力分布。

采用本發(fā)明提出的方法檢測試件a絕對應(yīng)力沿軸向分布第三步時(shí)，在試件a表面貼應(yīng)變片，應(yīng)變片布置圖如圖10所示。采用應(yīng)變片法測試試件a加載后構(gòu)件應(yīng)力分布，測試結(jié)果如圖11所示。

對比實(shí)驗(yàn)2

數(shù)值模擬方法測定試件a加載后絕對應(yīng)力分布。

采用通用有限元軟件abaqus建立試件a有限元模型，模擬試件a加載后的受力狀態(tài)，其應(yīng)力云圖如圖12所示，本發(fā)明測試區(qū)域應(yīng)力分布圖如圖13所示。

將圖9、圖11和圖13的數(shù)值進(jìn)行對比，繪制于圖14中，可以看到，三組數(shù)據(jù)值基本吻合，這說明基于臨界折射縱波的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力沿軸向分布檢測方法的有效性。

本發(fā)明方法可應(yīng)用于建筑鋼構(gòu)件以及其他工業(yè)金屬材料絕對應(yīng)力分布的無損檢測，測量結(jié)果精度較高。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。