CN104142195B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测的装置和方法，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。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。本发明提出的方法可克服上述困难，可应用于各种钢结构构件内部初始应力无损检测。检测结果得到了验证，精度较高，能满足实际工程中的误差要求，并且在检测过程中不会对结构构件造成破坏。

Description

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

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。

所述方法是在硬件平台和软件平台的基础上实施的，硬件平台包括超声波发生装置、超声波换能器、信号放大器、信号采集装置，软件平台用于处理采集到的信号，求出钢结构构件中的内部初始应力。

超声波波型选择为临界折射纵波。选择临界折射纵波受被测构件组织的影响小，衰减率低，比如在45#钢中临界折射纵波能传播超过300mm并保持良好的波形。

钢结构构件的内部初始应力为钢结构构件表面以下毫米级别深度的轴向应力。优选钢结构构件的内部初始应力为钢结构构件表面以下至少1毫米深度的轴向应力。通过改变发射探头和接收探头的中心频率可以检测钢结构构件不同深度的应力大小，例如发射探头和接收探头的中心频率分别为5MHz、2.25MHz、1MHz的探头可以检测出距离钢结构构件表面分别为1.5mm、2.6mm、5.9mm的轴向应力大小。

本方法具体的包括以下步骤，第一步是在役钢结构构件的复制，第二步是复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀的测量，第三步是复制钢结构构件声弹性系数B的标定，第四步是在役钢结构构件超声波传播声时t的测量，第五步是在役钢结构构件内部初始应力σ的求解。

所述钢结构构件包括以型钢为代表的表面是平面的构件和以钢管为代表的表面是曲面的构件。

所述在役钢结构构件复制品为和在役钢结构构件尺寸、材料等相同的钢结构构件，该构件用于声弹性系数的标定。

所述固定声程是指两个探头之间的距离，该距离过大会导致接收探头接收到的信号微弱，距离过小会导致最终测量结果误差变大。综合实验结果，优选该距离取10mm-20mm。

本发明所述内部初始应力是指在役钢结构构件在当前时刻正在使用状态下的应力，而不是某段时间内应力的改变量。

所述钢结构构件内部初始应力的求解是在标定弹性系数B和测定无应力状态条件下复制的钢结构构件中临界折射纵波传播固定距离所需要时间t₀的基础上，将B和t₀带入公式

σ＝B(t₀-t)

中，将检测到的工作应力状态下钢结构构件中临界折射纵波传播固定距离所需要时间t代入上式，求得的σ即为工作应力状态下钢结构构件中的应力。

其中，弹性系数B的单位是MPa/ns，应力σ的单位是MPa。

所述超声波发生装置，其作用是发射脉冲超声波。该装置发射超声波的频率范围是0.5MHz-10MHz，该装置发射脉冲信号的频率不宜大于10KHz，不应大于20KHz。本发明选用的超声波发生装置是CTS-22超声波探伤仪，实物图如图4所示。

所述超声波换能器，包括超声波发射探头和超声波接收探头，发射探 头的作用是将超声波发生装置发射的电信号转换成超声波信号，接收探头的作用是将超声波信号转换成电信号。发射探头和接收探头的芯片均由压电材料做成，探头的发射角度和接收角度可变，收发同体。本方法使用的探头实物图如图5所示。

所述信号放大装置，作用是将接收探头接收到的微弱信号放大，使信号能被信号采集器识别。本发明采用的信号放大器是OLYMPUS信号放大器，其实物图如图6所示。

所述信号采集装置，其作用是采集电信号。要求信号采集装置的采集频率在2.5GSa/s以上，若采用示波器，示波器的存储深度至少为50K，且在此存储深度下，采样率不小于2.5GSa/s。本发明采用的信号采集装置是泰克示波器，示波器型号是MDO3024，其实物图如图7所示。

所述软件平台可以是Labview软件编写的程序，也可以是Matlab等其它软件编写的程序。该平台用于数据的处理，数据的处理包括滤波、脉冲来临时刻的捕捉等。本发明采用Matlab软件进行数据处理。

该程序可以通过上述软件既定的程序进行，也可通过如下的程序进行，程序的实现过程是：

1.将示波器采集到的信号输入到存储设备，保存格式为csv格式；

2.将存储设备中的csv格式的文件用excel软件打开，删除除了数据以外无用的信息，并将两个通道的数据分别保存为txt文件格式；

3.打开Matlab软件，并打开程序，将txt文件中的数据进行滤波，输入文件名称，输入滤波带宽[带通滤波下限，带通滤波上限]，点击运行；

4.将滤波后输出的波形进行放大，分别找到发射波和接受波脉冲来临时刻。

所述临界折射纵波是通过调整发射探头的入射角产生的。首先计算出超声纵波能在钢结构构件中产生临界折射纵波的第一临界折射角，再调整发射探头的发射角和接收探头的接收角，使之等于第一临界折射角，这样临界折射纵波就会产生、发射、接收。

临界折射纵波信号的确定。示波器接收到的信号很多，有纵波、经反射后的横波等，在这些信号当中，临界折射纵波由于传播速度最快、传播声程最短，最先到达示波器，所以第一个脉冲信号为临界折射纵波，另外，临界折射纵波的到达时刻也可以通过声程和波速计算出来，临界折射纵波示意图如图8所示(图中，1为发射波，2为接收波，3为临界折射纵波)。

超声波在构件中传播声时的检测方法。如图9所示为本基于超声波法的钢结构构件内部应力无损检测方法装置示意图，从图9中可以看到，将从超声波发生装置中输出的两个完全相同的信号，一个直接输入到示波器的CHl通道，另一个信号输入超声波发射探头，接收探头接收到的信号输入信号放大器，再输入示波器的CH2通道。这样示波器中就会有两个通道的信号，这两个信号同时采集。

超声波在构件中传播声时即为CH2通道中的临界折射纵波的到达时间减去CHl通道中的发射波的到达时间。其示意图如图10所示(图中，1为发射波，2为接收波，3为临界折射纵波，4为传播声时)。

本方法为实现钢结构构件内部初始应力无损检测采用的方案进一步还包括：

测试过程中选用带屏蔽的BNC线，其示意图如图11所示；

测试过程中探头与构件的耦合剂采用机油；

对曲面钢结构构件楔块的设计，其示意图如图12所示(图中，1为探头，2为楔块，3为钢管)；

将一股电信号分成两股完全形同的电信号，采用三通接头的BNC接头，其中一个输入一股电信号，另外两个接口输出两股完全相同的电信号，三通接头的BNC接头，其实物示意图如图13所示(图中，1代表输入，2、3代表输出)。

本方法的有益效果包括：采取所提出的基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法，能实现对钢结构构件内部应力进行无损检测， 且检测结果得到了验证，精度较高，能满足实际工程中的误差要求。整个的检测装置构造简单，安装方便，成本低，易于实现。在检测过程中不会对结构构件造成破坏。

本发明提出的钢结构构件内部应力无损检测方法，可应用于在建的和已建的钢结构构件内部应力无损检测，也可应用于经自然灾害后的钢结构构件内部应力无损检测。

附图说明

图1，现有技术测量装置示意图。

图2，现有技术超声波在螺栓中的反射示意图，图中，1为入射波，2为反射波。

图3，现有技术钢轨应力测量系统示意图。

图4，本发明方法选择的超声波发生装置实物图。

图5，本发明方法选择的超声波转换器实物图。

图6，本发明方法选择的信号放大器实物图。

图7，本发明方法选择的示波器实物图。

图8，本发明中临界折射纵波示意图，图中，1为发射波，2为接收波，3为临界折射纵波。

图9，本基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法装置示意图。

图10，本发明超声波在构件中的传播声时示意图，图中，1为发射波，2为接收波，3为临界折射纵波，4为传播声时。

图11，本发明测试过程中选用带屏蔽的BNC线。

图12，本发明中钢管楔块示意图，图中，1为探头，2为楔块，3为钢管。

图13，本发明中三通接头的BNC接头实物图，图中，1代表输入，2、3代表输出。

图14，本发明基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法流程图。

图15，本发明中角钢和圆钢管的端部处理的实物图，图中，1为钢管，2为角钢，3为盖板，4为焊接形式的连接，5为加劲肋。

图16，本发明复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀的测量流程图。

图17，本发明示波器上显示的发射波和接受波信号示意图，图中，1为发射波，2为接收波。

图18，本发明发射波和接受波的脉冲来临时刻示意图，图中，1为发射波到达时刻，2为接收波到达时刻。

图19，本发明复制钢结构构件声弹性系数B的标定流程图。

图20，本发明角钢上的应变片的布置图。

图21，本发明为构件施加轴向拉力实物图，图中，1为千斤顶，2为钢结构构件，3为中心凿孔的钢板。

图22，本发明构件施加轴向压力实物图，图中，1为千斤顶，2为钢结构构件，3为钢板。

图23，本发明测定内部应力用钢板实物图。

图24，本发明声时差和应力值进行最小二乘法拟合直线图。

图25，本发明测得内部应力值和应变片法测得内部应力值对比柱形图。

具体实施方式

本发明为一种基于超声波法无损检测钢结构构件内部初始应力装置和方法，其它凡其原理和基本结构或实现方法与本方法相同或近似的，均在本方法保护范围之内。

为了解释本发明，下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说 明：

实施例1本发明基于超声波法无损检测钢结构构件内部初始应力装置组成测试方法及相关原理解释

基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法的原理如下。

在弹性范围内，材料内部的应力和应变之间的关系，通常被认为是线性关系，这就是人们熟悉的胡克定律。随着测量技术的发展，人们发现诸如杨氏模量等弹性“常数”并不是固定的，而是根据应变的大小变化而有稍微的改变。实验表明，当材料内部的原子通过压应力被压紧时，弹性模量变大了，而当原子受拉应力被拉开时，弹性模量变小了，这些情况表明，应力和应变之间的线性关系有小的偏移。

材料内部应力和应变之间的非线性关系可以用应变能量的一个加权函数来表示。应变能量e与应变ε的权数有关，其表达式为

$e=E_0\mathrm{\ϵ}+\frac{1}{2}{E}_1{\mathrm{\ϵ}}^2+\frac{1}{6}{E}_2{\mathrm{\ϵ}}^3+\frac{1}{24}{E}_3{\mathrm{\ϵ}}^4+...---\left(1\right)$

式中，系数E₀、E₁、……、E_n称为一阶弹性常数、二阶弹性常数……n阶弹性常数，因为它们是与第一级应力能级、第二级应力能级……相联系的。通过对上式的微分可得到应力的表达式

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{d\ϵ}}=E_0+E_1\mathrm{\ϵ}+\frac{1}{2}{E}_2{\mathrm{\ϵ}}^2+\frac{1}{6}{E}_3{\mathrm{\ϵ}}^3+...---\left(2\right)$

式中，σ为应力大小，为正表示压应力，为负表示拉应力。

由于E₀代表应变为初始状态时所需应力，通常取做零，而应变ε²的更高阶次幂可忽略不计，于是上述方程可简化为

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{d\ϵ}}=(E_1+\frac{1}{2}{E}_2\mathrm{\ϵ})\mathrm{\ϵ}=E^{\′}\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

对于无限各向同性材料，在零应力情况下，纵波在介质中的传播声速为：

$C_{L0}=\sqrt{E^{\′}/{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(4\right)$

其中，ρ₀代表零应力状态下介质的密度，E′代表有效杨氏模量。可以看出，应力作用在固体介质上引起二阶和三阶弹性模量的变化，导致材料中声速发生变化，这种非线性应力-应变关系是解释波速与应力关系的基础。

由于临界折射纵波(LCR波)能检测构件表面和内部的应力，且对应力的变化特别敏感，所以本方法采用的超声波波型为临界折射纵波。

若超声纵波的传播方向与应力方向平行，则其波速与构件应力的关系式可写成：

${\mathrm{\ρ}}_0{V}_{11}^2=\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}+\frac{\mathrm{\σ}}{3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}[\frac{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\mathrm{\μ}}(4\mathrm{\λ}+10\mathrm{\μ}+4m)+\mathrm{\λ}+2m]---\left(5\right)$

式中V₁₁——传播方向与质点运动方向一致的纵波波速；

σ——构件应力；

ρ₀——构件变形前的密度；

λ、μ——二阶弹性常数；

m、l——三阶弹性常数。

由式(5)可以推导出应力与沿应力方向传播的的超声纵波波速有如下关系：

$\mathrm{\σ}=\frac{2}{k}\·\frac{V-V_0}{V_0}---\left(6\right)$

式中σ——构件应力；

V——构件中有应力时LCR波的波速；

V₀——构件中应力为零时LCR波的波速。

$k=\frac{\frac{4\mathrm{\λ}+10\mathrm{\μ}+4m}{\mathrm{\μ}}+\frac{2l-3\mathrm{\λ}-10\mathrm{\μ}-4m}{\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}}{3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}$

由该式可知，介质中沿应力方向传播的纵波波速的改变量与应力的改变量成正比。应力为正时表示压应力，波速随压应力的增大而增大；应力为负时表示拉应力，波速随拉应力的增大而减小。

超声波的传播速度受应力变化的影响非常小，通常较难测量，常规的做法是让超声波传播一段固定长度的距离。则应力变化量与速度改变量之间的关系可以转化为在固定距离条件下应力变化量与传播声时改变量之间的关系。

设发射端端头与接收端端头之间的距离为L，则将其代入(6)中，得

$\mathrm{\σ}=\frac{2}{k}\·\frac{t_0-t}{t}---\left(7\right)$

式中t₀——无应力状态条件下纵波传播固定距离所需要时间；

t——工作应力状态下纵波传播固定距离所需要时间。

实测时，假设在恒温下进行，即温度对测量结果无影响，则当超声波传播距离不太长时，可用t₀替代t。因此，适用于工作应力检测的应力-声时公式可写为：

$\mathrm{\σ}=\frac{2}{{\mathrm{kt}}_0}(t_0-t)---\left(8\right)$

令 $B=\frac{2}{{\mathrm{kt}}_0},$ 则

σ＝B(t₀-t)(9)

式中B——声弹性系数。

基于超声波法的钢结构构件内部初始应力无损检测方法的装置示意图如图9所示，流程图如图14所示。

本方法的实施过程共分五大步，第一步是在役钢结构构件的复制，第二步是复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀的测量，第三步是 复制钢结构构件声弹性系数B的标定，第四步是在役钢结构构件超声波传播声时t的测量，第五步是在役钢结构构件内部初始应力σ的求解。本方法的五大步实施过程如下：

第一步，在役钢结构构件的复制：由于钢结构的特殊性，受力构件安装或使用后即不可拆卸，但是第三步中声弹性系数的标定，要求被标定构件是原在役构件。钢结构构件的批量化生产和规范化生产，为钢结构受力构件不可拆卸这个困难提供了帮助。本方法选用和在役钢结构构件同一规格生产的构件作为在役钢结构构件的复制构件，在复制构件上进行第二步和第三步。为了使复制构件可以承受拉力和压力，在复制构件端部焊接一钢板，钢板中间打一圆孔以保证螺栓螺杆可以进入，如图15所示(图中，1为钢管，2为角钢，3为盖板，4为焊接形式的连接，5为加劲肋)为角钢和圆钢管的端部处理。为防止构件和钢板之间的焊接残余应力对构件造成影响，根据圣维南原理，本方法规定复制构件的长度不小于600mm。

第二步，复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀的测量：此处复制钢结构构件零应力状态下(σ₀＝0)传播声时t₀是指公式(9)中的t₀。复制钢结构构件零应力状态下的传播声时t₀是指在复制构件不受力状态下，超声波被发射探头发射后在构件中传播一段距离，被接收探头接收所用的时间。这一步的具体实施流程图如图16所示，具体步骤是：1.对复制钢结构构件和在役钢结构构件表明进行处理，在放置探头的部位将构件表面打磨光滑，保证探头和构件紧密接触，待测量完后在进行喷漆处理。2.确定两个探头之间的距离L，该距离为10mm-20mm时比较合适。3.按照图9所示装置示意图连接仪器，在此值得注意的是，将从超声波发生装置中输出的信号通过转换头分成两信号，如图13所示。将分成的两个信号一个直接输入到示波器的CHl通道，另一个信号输入超声波发射探头，同时接收探头接收到的信号输入信号放大器，再输入示波器的CH2通道。打开仪器，保证每个仪器正常工作。4.调节示波器，使其采样率在 2.5GSa/s时，存储深度至少50K，同时让发射波和接受波显示在示波器屏幕上。发射波为从超声波发生装置直接进入示波器中的信号，接受波为超声波发生装置经发射探头发射信号后进入构件，再被接收探头接受，经过信号放大器放大后进入示波器中的信号。示波器上显示的发射波和接收波信号如图17所示(图中，1为发射波，2为接收波)，其中黄色信号表示发射波，绿色信号表示接受波。5.探头角度的确定。根据斯奈尔定律计算入射纵波的第一临界折射角，调整发射探头和接收探头的角度，使之大小等于第一临界折射角。6.采集信号并保存。同一状态下，采集至少十组信号。7.将采集到的数字信号滤波，滤波采用Matlab软件编写的滤波器，滤波器类型为带通滤波。8.捕捉发射波和接受波的脉冲来临时刻。将脉冲的来临时刻定义为在时域图中，当前超声信号的振幅大于前一个超声信号的振幅三倍以上，并且后面的超声信号振幅继续增大，当前超声信号的波谷来临时刻即为脉冲来临时刻。发射波和接受波的脉冲来临时刻如图18所示(图中，1为发射波到达时刻，2为接收波到达时刻)。9.计算复制钢结构构件零应力状态下的传播声时t₀。传播声时t₀为接受波的脉冲来临时刻减去发射波的脉冲来临时刻。对采集到的十组信号进行同样的处理，将十个传播声时的平均值作为最后的结果。

第三步，复制钢结构构件声弹性系数B的标定：此处复制钢结构构件声弹性系数B是指公式(9)中的B。这一步的具体实施流程图如图19所示，具体步骤是：1.在复制钢结构构件放置探头段贴应变片，并连接应变采集箱。应变片的布置位置宜分散布置，目的是可以在采集应变的同时验证构件承受轴力。本方法中角钢上的应变片布置如图20所示。2.测复制钢结构构件在零应力状态下超声波的传播声时t₀。该工作已经上述第二步中完成。3.加载，用应变片法测构件中的应力、测超声波的传播声时。当为构件施加轴向拉力时采用图21所示的加载装置(图中，1为千斤顶，2为钢结构构件，3为中心凿孔的钢板)，当为构件施加轴向压力时采用图22 所示的加载装置(图中，1为千斤顶，2为钢结构构件，3为钢板)。为复制钢结构构件施加轴向应力σ₁，用应变片法测量该轴向力的大小，同时测量复制钢结构构件在轴向应力σ₁(不少于五次测量，求平均值)状态下超声波在构件中的传播声时t₁(不少于十次测量，求平均值)，这样得到数据(t₁，σ₁)。继续为构件施加轴向应力σ₂，同理得到(t₂，σ₂)。重复上述过程10～20次，同时使得每相邻两次轴向应力差保持在15MPa左右，这样得到一组数据：(t₀，0)、(t₁，σ₁)、(t₂，σ₂)、……、(t_n，σ_n)，其中n是介于10到20的自然数。4.求声时差。将声时差定义为：超声波在未受力试件中的传播声时与受力试件中的传播声时的差。又上一步结果可以得到声时差与应力一一对应的数据：(t₀-t₀，0)、(t₁-t₀，σ₁)、(t₂-t₀，σ₂)、……、(t_n-t₀，σ_n)，即(0，0)、(Δt₁，σ₁)、……(Δt_n，σ_n)。5.用最小二乘法拟合直线。将上一步得到的数据(0，0)、(Δt₁，σ₁)、……(Δt_n，σ_n)用最小二乘法拟合直线。6.直线的斜率即为复制钢结构构件声弹性系数B。

第四步，在役钢结构构件超声波传播声时t的测量：首先对在役钢结构构件放置探头位置处用砂纸进行处理，将表面的漆打磨掉使表面光滑，保证构件表面探头紧密接触。待第四步测试完毕后对打磨部分进行喷漆等还原处理。在不改变两个探头之间距离L的前提下，将发射探头和接收探头从复制钢结构构件上移至在役钢结构构件上，测量在役钢结构构件超声波传播声时t，至少测十组数据，以其平均值作为最后结果。

第五步，在役钢结构构件内部初始应力σ的求解：在公式(9)中，声弹性系数B和复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀已经求出，将第四步测量的在役钢结构构件超声波传播声时t代入(9)中，计算得到的σ即为在役钢结构构件的内部应力。

本方法选用部分组成装置可以是如下组成和市售产品，但不限于可以实现相应功能其他装置：

超声波发生装置是CTS-22超声波探伤仪，实物图如图4所示。本方法使用的探头实物图如图5所示。本方法采用的信号放大器是OLYMPUS信号放大器，其实物图如图6所示。本方法采用的信号采集装置是泰克示波器，示波器型号是MDO3024，其实物图如图7所示。临界折射纵波示意图如图8所示。超声波在构件中传播声时即为CH2通道中的临界折射纵波的到达时间减去CHl通道中的发射波的到达时间。其示意图如图10所示。

测试过程中选用带屏蔽的BNC线，其示意图如图11所示；对曲面钢结构构件楔块的设计，其示意图如图12所示；将一股电信号分成两股完全形同的电信号，采用三通接头的BNC接头，三通接头的BNC接头，其实物示意图如图13所示。

实施例2本发明基于超声波法无损检测钢结构构件内部初始应力装置用于钢板内部初始应力的测试

为了验证本发明方法检测钢结构构件内部应力的精度，做了如下的检测钢结构构件内部初始应力的试验和对比试验。

选择钢结构构件类型为具有代表性的且较为简单的钢结构构件——钢板，钢板的尺寸为长600mm，宽40mm，厚8mm，钢板的实物示意图如图23所示。本试验选择超声波发射探头和接收探头的中心频率是5MHz，即可以检测出距离构件表面1.5mm深度的轴向应力值。按照实施例1所提的检测步骤进行检测。

第一步，在役钢结构构件的复制：假设本钢板即为某在役钢结构构件的复制品，由于在役钢结构构件承受力的作用，在后面第四步中，给本钢板施加任意大小未知的轴向力，将这个力假设为在役钢结构构件所受的力。

第二步，复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀的测量：将两个探头之间的距离定为200mm，测得钢板在不受力状态下的超声波的传播声时为40636.4ns。所测得的数据如表1所示。

表1

第三步，复制钢结构构件声弹性系数B的标定：为钢板分别施加轴向应力σ₁并测与之对应的t₁，所测结果如表2所示。其中，对钢板施加的力为轴力，所以钢板内部和外部应力值相等，σ₁可通过已经贴的应变片测出钢板真实的应力值，所以通过应变片测出的σ₁即为钢板内部的应力值。依照上述施加轴向应力σ₁求t₁的过程，为钢板施加σ₂、σ₃、……、σ₁₄并测与之对应的t₂、t₃、……、t₁₄。在此基础上求声时差，声时差和与之对应的应力值如表3所示。对表3中的声时差和应力值进行最小二乘法直线拟合，拟合直线如图24所示。

表2

表3

从图24可以看出，应力值的大小和声时差存在良好的线性关系。当超声波在钢板中的传播声程为200mm时，lns的声时对应2.2568MPa应力的改变，即所求钢板的声弹性系数为B＝2.2568MPa/ns。

第四步，在役钢结构构件超声波传播声时t的测量：为该钢板任意施加一组力，所测在受未知力状态下超声波在钢板中的传播时间和所计算的声时差结果如表4所示。

第五步，在役钢结构构件内部初始应力σ的求解：在上述测量结果的基础上，用本方法测得的钢板内部初始应力的结果如表4中应变片法测得应力值所示。

表4

对比实验1应变片法测定钢板的内部应力

在实施例2的第四步中，为钢板施加未知力的时候，可以用应变片法测出钢板的未知力，由于为钢板施加的力为轴向应力，所以钢板表面的应力大小和内部的应力大小相等，将应变片法测得的应力值作为钢板内部应力的真实值。每次为钢板施加力，用本发明提出的方法测得的应力值大小和用应变片法测量的应力值大小如表5所示。

表5

将表5的两组应力值(本发明测得内部初始应力值和应变片法测得内部应力值)绘制成柱形图，如图25所示。从表5和图25可以看到，用本发明测得的应力值和应变片法测得的应力值的趋势基本一致，每个测点的误差均在5％以内。这说明基于超声波法的钢结构构件内部应力检测装置的可靠性和方法的有效性。

本发明方法可广泛应用于所有钢结构构件的内部初始应力无损检测中，测量结果精度较高，整个的检测装置构造简单，安装、携带方便，成本低，易于实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一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，其特征在于：所述方法包括以下步骤，第一步是在役钢结构构件的复制，第二步是复制钢结构构件零应力状态下超声波传播声时t₀的测量，第三步是复制钢结构构件声弹性系数B的标定，第四步是在役钢结构构件超声波传播声时t的测量，第五步是在役钢结构构件内部初始应力σ的求解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超声波波型为临界折射纵波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钢结构构件包括以型钢为代表的表面是平面的构件和以钢管为代表的表面是曲面的构件，钢结构构件的内部初始应力为钢结构构件表面以下毫米级别深度的轴向应力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述役钢结构构件复制品为和在役钢结构构件尺寸、材料相同的钢结构构件，所述固定声程是指两个探头之间的距离，距离取10mm-20mm。

5.一种实现权利要求1—4所述方法的钢结构构件内部初始应力无损检测装置，其特征在于，包括：硬件平台和软件平台的基础上实施的，硬件平台包括超声波发生装置、超声波换能器、信号放大器、信号采集装置，软件平台用于处理采集到的信号，求出钢结构构件中的内部初始应力。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述超声波发生装置发射脉冲超声波，发射超声波的频率范围是0.5MHz-10MHz；信号采集装置的采集频率在2.5GSa/s以上。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述超声波换能器，包括超声波发射探头和超声波接收探头，发射探头的作用是将超声波发生装置发射的电信号转换成超声波信号，接收探头的作用是将超声波信号转换成电信号，发射探头和接收探头的芯片均由压电材料做成，探头的发射角度和接收角度可变，收发同体。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述临界折射纵波是通过调整发射探头的入射角产生的，首先计算出超声纵波能在钢结构构件中产生临界折射纵波的第一临界折射角，再调整发射探头的发射角和接收探头的接收角，使之等于第一临界折射角，这样临界折射纵波就会产生、发射、接收，第一个脉冲信号为临界折射纵波。

9.根据权利要求6—8任一权利要求所述的装置，其特征在于，还进一步包括带屏蔽的BNC线，探头与构件的耦合剂采用机油；曲面钢结构构件楔块。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还进一步包括带屏蔽的BNC线，探头与构件的耦合剂采用机油；曲面钢结构构件楔块。