CN107063526A - 基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，通过标定临界折射纵波在钢构件一组声程上的应力‑声时差系数，采用单发双收传感器组检测临界折射纵波在役钢构件对应声程上的传播声时，求解钢构件的绝对应力，从而得到钢构件绝对应力沿轴向的分布；所述单发双收传感器组包含一个发射传感器和两个接收传感器。采用本发明的技术方案，能够实现对在建和已建钢构件绝对应力沿轴向分布的无损检测；可以实现在役钢构件局部绝对应力的测试，得到在役钢构件绝对应力分布，尤其是可以准确测试构件绝对应力梯度较大区域应力分布。

Description

基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法

技术领域

本发明属于钢构件绝对应力无损检测领域，尤其涉及一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法。

背景技术

为适应经济和社会发展，我国已经建设诸多大跨桥梁、高层建筑和大跨空间等钢结构建筑。这些结构投资大、结构复杂、服役环境恶劣，在其建造与长期服役过程中，将遭受环境侵蚀、疲劳荷载、强/台风、地震、洪水/暴雨等多种灾害作用，其空间应力状态会发生明显变化，这将对钢结构安全造成不利的影响，这些结构一旦破坏失效将带来巨大的直接和间接经济损失以及恶劣的社会影响。因此，研究已建钢结构绝对应力无损检测方法，可直接得到结构安全状态，这将为掌握钢结构长期服役的累积损伤和性能退化提供有效手段，并对确保不同环境下钢结构建筑正常使用有重要意义。

现有应力无损检测方法主要分为机械方法和物理方法两大类。由于机械方法检测过程中会对钢结构造成破坏，因此不适用于已建钢结构绝对应力的检测。应力检测的物理方法主要包括电阻应变计法、光弹性法、X射线法、磁弹性法等，这些方法或因只能检测表面应力、或因仪器操作复杂不适用于现场检测等原因不适用于钢结构构件绝对应力的快速无损检测。因此，寻求一种专门针对钢构件绝对应力状态的高性能无损检测方法，是结构健康监测领域亟须解决的问题。

基于声弹性效应的超声波绝对应力无损检测方法，因其检测过程快速、仪器操作方便、结果可靠性好等优点受到国内外学者的关注和研究。李祚华等人在CN201410181350.2中提出采用Lcr波法无损检测在役钢结构构件内部绝对应力，实现了钢构件绝对应力的无损检测。但是，超声波法检测的应力是超声波传播声程上的平均应力，对于应力梯度较大的构件，采用超声波法检测应力结果并不准确，这制约了采用超声波检测构件绝对应力的研究和应用。因此，提出一种采用超声波法检测构件绝对应力沿轴向分布的检测方法，对于超声波法绝对应力检测的研究和应用推广具有重要意义。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，能够实现对在建和已建钢构件绝对应力沿轴向分布的检测。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其通过标定临界折射纵波在钢构件一组声程上的应力-声时差系数，采用单发双收传感器组检测临界折射纵波在在役钢构件对应声程上的传播声时，求解钢构件的绝对应力，从而得到钢构件绝对应力沿轴向的分布；所述单发双收传感器组包含一个发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器。采用所述单发双收传感器组是为了精确测量临界折射纵波在构件中的传播声时。与现有技术相比，本发明的技术方案在自主设计的单发双收传感器组上，选用临界折射纵波，可以检测钢构件绝对应力沿轴向方向的分布。

作为本发明的进一步改进，所述发射传感器位于第一接收传感器的一侧，所述第二接收传感器位于第一接收传感器的另一侧，所述第一接收传感器与发射传感器固定连接，所述第一接收传感器、第二接收传感器分别与游标卡尺的两个外侧量爪连接。

其中，所述游标卡尺包括固定外量爪和活动外量爪，所述固定外量爪与所述第一接收传感器固定连接，所述活动外量爪与所述第二接收传感器固定连接。作为本发明的进一步改进，所述钢构件的绝对应力采用以下公式计算得到：(1)

其中，i为非负整数，j＝i+1，i表示钢构件上从一端到另一端从0开始依次标记的测量点编号；

L_i和L_j分别为第一接收传感器位置固定，第二接收传感器分别在测量点i、测量点j时临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声程，单位是mm；

σ_i-j为在役钢构件从L_i段到L_j段的平均应力，单位是MPa；即为在役钢构件从测量点i点到测量点j点之间的平均应力；

B_i和B_j分别为临界折射纵波在声程为L_i和L_j时的应力-声时差系数，单位是MPa/ns；即B_i和B_j分别为临界折射纵波从第一接收传感器传播到测量点i点与测量点j点的应力-声时差系数，也就是临界折射纵波分别在第二接收传感器位于测量点i点、测量点j点与第一接收传感器之间的应力-声时差系数；

t_0,i和t_0,j分别为临界折射纵波在复制钢构件声程为L_i和L_j时的传播声时，单位是ns；即t_0,i和t_0,j分别为临界折射纵波在复制钢构件上从第一接收传感器传播到测量点i点和测量点j点的传播声时，也就是说t_0,i和t_0,j分别为临界折射纵波在复制钢构件上第二接收传感器分别位于测量点i点、测量点j点与第一接收传感器之间的传播声时；

t_i和t_j分别为临界折射纵波在在役钢构件声程为L_i和L_j时的传播声时，单位是ns。即t_i和t_j分别为临界折射纵波在在役钢构件上从第一接收传感器传播到测量点i点和测量点j点的传播声时；也就是说t_i和t_j分别为临界折射纵波在在役钢构件上第二接收传感器分别位于测量点i点、测量点j点与第一接收传感器之间的传播声时。

优选的，所述钢构件上的第i点到第j点的长度为0.02～20mm；优选的，所述钢构件上的第i点到第j点的长度为0.02～10mm；所述钢构件上的第i点到第j点的长度为0.02～5mm；进一步优选的，所述钢构件上的第i点到第j点的长度为0.5～5mm；

作为本发明的进一步改进，所述临界折射纵波的传播声程采用单发双收传感器组测量，方法为：测得第一接收传感器和第二接收传感器的距离L_y；第一接收传感器的长度可直接测量，记为L_g，则临界折射纵波的传播声程为L＝L_y+L_g。

作为本发明的进一步改进，所述钢构件的绝对应力采用以下公式计算得到：

其中，σ_1-2为在役钢构件L_1-2段的绝对应力，单位是MPa；L₁和L₂分别为第一接收传感器位置固定，第二接收传感器分别在测量位置点第一点和第二点时临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声程，单位是mm，也就是第二接收传感器分别位于测量位置点第一点和第二点时与第一接收传感器之间的临界折射纵波的传播声程；B₁和B₂分别为临界折射纵波在声程为L₁和L₂时的应力-声时差系数，单位是MPa/ns；t_0,1和t_0,2分别为临界折射纵波在复制钢构件声程为L₁和L₂时的传播声时，单位是ns；t₁和t₂分别为临界折射纵波在在役钢构件声程为L₁和L₂时的传播声时，单位是ns。这一公式可以通过检测L₁段和L₂段的平均应力计算得到L₁段与L₂段声程差的绝对应力值。当L₁段到L₂段的距离变小，如L₂-L₁＝1mm，可以认为L_1-2段的平均应力为这一段的准确应力值。

作为本发明的进一步改进，所述临界折射纵波的传播声程采用以下步骤得到：调整发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器的发射接收角度到第一临界折射角，使传感器能发射并接收临界折射纵波；其次，测量临界折射纵波在第一接收传感器、第二接收传感器之间的传播声程，即为接收第一接收传感器的长度与两接收传感器净距离之和，记为L₁；再次，移动第二接收传感器到第二位置，测量临界折射纵波在第一接收传感器、第二接收传感器之间的传播声程，记为L₂；最后，计算出临界折射纵波在第二接收传感器的第一位置和第二位置之间的传播声程为L_1-2＝L₁-L₂。

作为本发明的进一步改进，所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法包括以下步骤：

步骤S1：复制在役钢构件，得到复制的钢构件；

步骤S2：以复制的钢构件为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，标定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的应力-声时差系数；

步骤S3：以在役钢构件为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，测定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的传播声时；

步骤S4：计算在役钢构件不同测量点与其后一测量点对应声程下的平均绝对应力；

步骤S5：通过所述在役钢构件已测声程的平均绝对应力计算未测声程的绝对应力；

步骤S6：改变两个接收传感器的位置，重复上述过程，得到在役钢构件其他声程的绝对应力值；

步骤S7：绘制在役钢构件沿轴向的绝对应力分布图。

采用此方法，可以实现在役钢构件局部绝对应力的测试，可以得到在役钢构件绝对应力分布测试，尤其是可以准确测试构件绝对应力梯度较大区域应力分布。

作为本发明的进一步改进，上述检测方法采用的仪器包括：超声波发生器、一个发射传感器、两个相同的接收传感器、两个信号放大器、示波器和PC机，所述两个相同的接收传感器分别与两个信号放大器电连接，所述两个信号放大器与示波器电连接，所述示波器与PC机连接。

作为本发明的进一步改进，所述超声波发生器激发发射传感器产生在钢构件中传播的临界折射纵波信号，信号被两个接收传感器分别接收，两个接收传感器接收的信号分别经信号放大器放大后被示波器接收；两个接收传感器接收的信号的时间间隔即为临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声时。采用该技术方案的有益效果在于，不用采集同步信号即可得直接得到临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声时，方法简单，容易实施。

作为本发明的进一步改进，在测量过程中，为了保障检测钢构件绝对应力沿轴向分布的准确性，相邻声程的距离差不应该过大。另外，在测量过程中，在钢构件绝对应力梯度较大的区域，应减小相邻声程的距离差。

作为本发明的进一步改进，所述钢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，也包括其他适用于本方法的构件。

本发明还公开了一种采用上述方法测量钢构件绝对应力分布的测量系统，其包括：超声波发生器、发射传感器、游标卡尺、第一接收传感器、第二接收传感器、第一信号放大器、第二信号放大器、示波器，所述第一接收传感器、第二接收传感器分别与游标卡尺连接，所述发射传感器和第一接收传感器固定连接，第一接收传感器、第二接收传感器分别与游标卡尺的两个外侧量爪进行螺纹连接；所述第一接收传感器与第一信号放大器连接，所述第二接收传感器与第二信号放大器连接，所述第一信号放大器、第二信号放大器与示波器电连接。

优选的，其还包括PC机，所述示波器与PC机连接。

本发明还公开了如上任意一项所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法的应用，其应用于建筑钢构件以及其他工业金属材料绝对应力分布的无损检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，通过采用基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法，可以实现在役钢构件局部绝对应力的无损测试，得到在役钢构件绝对应力分布测试，尤其是可以准确测试构件绝对应力梯度较大区域应力分布；仪器和方法简单，容易实施，准确度高。

本发明提出的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法，可应用于在建的和已建的钢构件绝对应力分布无损检测，也可应用于经自然灾害后的钢构件绝对应力分布无损检测。

附图说明

图1是钢构件绝对应力沿轴向分布检测仪器布置图。

图2是采用传感器组测量临界折射纵波传播声程示意图。

图3是试件A实物图。

图4是试件A尺寸图，图中的数字的单位为mm。

图5是试件B实物图。

图6是试件B尺寸图，图中的数字的单位为mm。

图7是在试件A上建立的坐标系示意图。

图8是传感器组在试件A上的初始位置，图中的数字10、40的单位为mm。

图9是采用本发明方法检测试件A加载后的应力分布图。

图10是采用应变片法验证本发明方法时应变片布置图，图中的数字单位为mm。

图11是采用应变片法检测试件A加载后的应力分布图。

图12是采用数值模拟方法得到的试件A加载后的应力云图。

图13是采用数值模拟方法检测试件A加载后检测区应力分布图。

图14是三种方法检测试件A加载后应力分布对比图。

图中标记包括：

1-超声波发生器，2-发射传感器，3-游标卡尺，4-第一接收传感器，5-第二接收传感器，6-临界折射纵波，7-被测构件，8-第一信号放大器，9-第二信号放大器，10-示波器，11-PC机，12-螺丝，13-移动后临界折射纵波，21-第二位置，22-钢构件，23-固定件。

具体实施方式

本发明提出一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，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。

鉴于现有技术存在的技术问题，在大量实验研究的基础上，本发明提出一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法，与现有技术相比，本发明在自主设计的单发双收传感器组上，选用临界折射纵波，可以检测钢构件绝对应力沿轴向方向的分布。具体地，通过以下方案解决相应技术问题：

一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法，包括：通过标定临界折射纵波在钢构件一组声程上的应力-声时差系数，采用自主设计的单发双收传感器组检测临界折射纵波在在役钢构件对应声程上的传播声时，带入本发明提出的理论公式，来求解钢构件绝对应力沿轴向的分布。

基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法仪器布置如图1所示，所述仪器包括超声波发生器1、发射传感器2、游标卡尺3、第一接收传感器4、第二接收传感器5、第一信号放大器8、第二信号放大器9、示波器10和PC机11，所述第一接收传感器4、第二接收传感器5分别与游标卡尺3连接，所述发射传感器2和第一接收传感器4固定连接，第一接收传感器4、第二接收传感器5分别与游标卡尺3的两个外侧量爪通过螺丝12连接；所述第一接收传感器4、第二接收传感器5放置在被测构件7上。所述第一接收传感器4与第一信号放大器8连接，所述第二接收传感器5与第二信号放大器9连接，所述第一信号放大器8、第二信号放大器9与示波器10电连接，所述示波器10与PC机11连接。

如图1所示，传感器组测量临界折射纵波传播声时的测量原理为：超声波发生器1发射脉冲电信号激发发射传感器2产生超声纵波，经波型转换后得到在构件中传播的临界折射纵波6信号，并被第一接收传感器4、第二接收传感器5分别接收，第一接收传感器4、第二接收传感器5的接收信号分别经第一信号放大器8、第二信号放大器9放大后被示波器10接收，最后输入PC机11上软件进行处理。两个接收信号的时间间隔即为临界折射纵波在第一接收传感器4、第二接收传感器5之间的传播声时。采用这一布置方式的优势在于不用对比同步信号即可直接得到超声波在两个接收传感器之间的传播声时。

传感器组测量临界折射纵波传播声程示意图如图2所示，图2中，第一接收传感器4、第二接收传感器5为两个一样尺寸和型号的超声波接收传感器，第一接收传感器4、第二接收传感器5分别与游标卡尺3的外量爪用螺丝12固定连接，第二接收传感器5在钢构件22上移动后的位置为第二位置21，所述发射传感器2和第一接收传感器4通过固定件23固定连接，固定件23通过螺丝12和第一接收传感器4连接，第二接收传感器5移动到第二位置21后接收的为移动后临界折射纵波13。

测量时，首先，调整发射传感器2、第一接收传感器4、第二接收传感器5的发射接收角度到第一临界折射角，使传感器能发射并接收临界折射纵波6；其次，测量临界折射纵波6在第一接收传感器4、第二接收传感器5之间的传播声程，即为接收第一接收传感器4的长度与两接收传感器净距离之和，记为L₁；再次，移动第二接收传感器5到第二位置21，测量临界折射纵波6在第一接收传感器4、第二接收传感器5之间的传播声程，记为L₂；最后，计算出临界折射纵波6在第二接收传感器5的第一位置和第二位置21的传播声程为L_1-2＝L₁-L₂。

通过测量L₁和L₂的绝对应力值计算得到L_1-2的绝对应力值，具体方法为：选择与在役钢构件同材质的钢构件作为复制构件，将单发双收传感器组布置于复制钢构件表面。如图2所示，测试第一接收传感器4、第二接收传感器5第一位置时临界折射纵波的传播声程并记为L₁，测试第一接收传感器4与第二接收传感器5移动到第二位置21时的临界折射纵波的传播声程并记为L₂；测试临界折射纵波6在传播声程分别为L₁和L₂时的传播声时，记为t_0,1和t_0,2。试验标定临界折射纵波6在传播声程分别为L₁和L₂时复制构件的应力-声时差系数，记为B₁和B₂。将单发双收传感器组布置于待测钢构件表面，测试临界折射纵波在传播声程分别为L₁和L₂时的传播声时，记为t₁和t₂。通过下式可计算出钢构件L_1-2段的绝对应力，也就是第一位置到第二位置之间段的绝对应力：

公式中，σ_1-2为在役钢构件L_1-2段的绝对应力，单位是MPa；L₁和L₂分别为第一接收传感器位置固定，第二接收传感器分别在测量位置点第一点和第二点时临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声程，单位是mm；B₁和B₂分别为临界折射纵波在声程为L₁和L₂时的应力-声时差系数，单位是MPa/ns；t_0,1和t_0,2分别为临界折射纵波在复制钢构件声程为L₁和L₂时的传播声时，单位是ns；t₁和t₂分别为临界折射纵波在在役钢构件声程为L₁和L₂时的传播声时，单位是ns。当L₁段到L₂段的距离变小，如L₂-L₁＝1mm，可以认为L_1-2段的平均应力为这一段的准确应力值。

第二接收传感器5到新的位置，重复上述过程，可以得到下一段声程的准确应力值。采用这种方法可以得到整个构件不同位置应力值，将所有测得的应力值绘制出来，即可得到钢构件绝对应力分布图。

在测量过程中，为了保障检测钢构件绝对应力沿轴向分布的准确性，相邻声程的距离差不应该过大，在钢构件绝对应力梯度较大的区域，应减小相邻声程的距离差。

实施例1

以下为基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法原理性解释。

将建筑钢构件材料视为各向同性体。当临界折射纵波在钢构件中传播一段声程L时，采用专利文献201410181350.2中详述的方法可以检测L段声程的平均应力，可用下列公式求解：

σ＝B(t₀-t) (3)

公式(3)中，σ为在役钢构件绝对应力，单位是MPa；B为应力-声时差系数，单位是MPa/ns；t₀为临界折射纵波在复制钢构件某声程上的传播声时，单位是ns；t为临界折射纵波在在役钢构件某声程上的传播声时，单位是ns。

可以看出，上述方法检测钢构件L段的应力时平均应力。通过改变L段距离和减小接收传感器尺寸可以将L段距离减小到大约50mm，但对于钢构件某些应力集中和应力梯度较大的部位，仍难以检测钢构件应力的真实值。为此，在上述检测基础上，结合本发明提出的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法，按照下列步骤检测钢构件绝对应力沿轴向分布。

第一步，复制在役钢构件，得到复制的钢构件。制作与在役钢构件同质钢构件作为复制构件，制作复制构件的目的是标定应力-声时差系数和测定零应力状态下临界折射纵波的传播声时。

第二步，以复制的钢构件为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，标定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的应力-声时差系数。如图2所示，分别测量传感器组第一接收传感器4、第二接收传感器5位置在第一位置时，以及第一接收传感器4不动、第二接收传感器5移动到第二位置21时的临界折射纵波的传播声程，分别记为L₁、L₂；测量零应力状态下临界折射纵波在声程L₁、L₂上的传播声时，记为t_0,1、t_0,2；采用专利文献1中详述的方法标定临界折射纵波传播声程为L₁和L₂时的应力-声时差系数，记为B₁、B₂。

第三步，以在役钢构件为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，测定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的传播声时。将传感器组布置于待测在役钢构件表面，测试临界折射纵波在传播声程分别为L₁、L₂时的传播声时，记为t₁、t₂。

第四步，计算在役钢构件不同测量点与其后一测量点对应声程下的平均绝对应力。通过公式(3)可以计算临界折射纵波在传播声程分别为L₁、L₂时在役钢构件的绝对应力，记为σ₁、σ₂。其中：

σ₁＝B₁(t_0,1-t₁) (4)

σ₂＝B₂(t_0,2-t₂) (5)

第五步，通过在役钢构件已测声程的平均绝对应力计算未测声程的绝对应力。第四步得到了钢构件L₁段和L₂段的绝对应力分别为σ₁和σ₂，钢构件L_1-2段的绝对应力的计算方法为：

将公式(4)和(5)带入公式(6)可得：

当L₁段到L₂段的距离变小，如L₂-L₁＝1mm，可以认为L_1-2段的平均应力为这一段的准确应力值。

第六步，改变两个接收传感器的位置，重复上述过程，得到在役钢构件其他声程的绝对应力值。采用这种方法可以得到整个构件不同位置应力值。

第七步，绘制在役钢构件沿轴向的绝对应力分布图。将所有测得的应力值绘制出来，即可得到钢构件绝对应力分布图。

实施例2

基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法用于钢构件绝对应力分布的试验及验证。

选择钢板作为试验对象。为了产生具有不同应力值分布的应力场，设计制作了如图3所示的试件A，试件A材料为45号钢材，试件A尺寸如图4所示。为了拟合不同声程下的应力-声时差系数，设计制作了如图5所示的试件B，试件B材料为45号钢材，试件B尺寸如图6所示。

按照实施例1中的步骤检测钢构件绝对应力沿轴向分布。

第一步，复制在役钢构件，得到复制的钢构件。复制钢构件为试件B。

第二步，以试件B为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，标定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的应力-声时差系数。在试件B上进行应力-声时差系数的标定，设定两接收传感器压电晶片之间的距离用L_i表示，其中初始距离为L₀＝40mm。固定发射传感器和第一接收传感器，每间隔5mm将第二接收传感器移动到不同的位置，使L₁＝45mm、L₂＝50mm、……、L₆₃＝355mm，如表1所示；测量零应力状态下临界折射纵波在声程L₀、L₁、……、L₆₃上的传播声时，记为t_0,0、t_0,1、……、t_0,63，如表1所示；标定临界折射纵波传播声程为L₀、L₁、……、L₆₃时的应力-声时差系数，记为B₀、B₁、……、B₆₃，如表1所示。

表1

第三步，以试件A为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，测定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的传播声时。为试件A施加荷载，在试件A上建立如图7，图7中，L轴为距离试件A端部距离，σ轴为应力值，所示的坐标系，传感器组在试件A上的初始位置如图8所示，测试临界折射纵波在传播声程分别为L₀、L₁、……、L₆₃时的传播声时，记为t₀、t₁、……、t₆₃。数据如表2所示。

表2

第四步，计算试件A不同测量点与其后一测量点对应声程下的平均绝对应力。通过公式(3)可以计算临界折射纵波在传播声程分别为L₀、L₁、……、L₆₃时加载试件A的绝对应力，记为σ₀、σ₁、……、σ₆₃。数据如表3所示。

表3

第五步，通过试件A已测声程的平均绝对应力计算未测声程的绝对应力。通过得到的试件A的L₀段和L₁段绝对应力σ₀和σ₁，计算L₀到L₁(记为P_0-1)段的绝对应力值σ_0-1。同理，可计算其他段绝对应力值σ_1-2、σ_2-3、……、σ_62-63。数据如表4所示。

表4

第六步，绘制试件A沿轴向的绝对应力分布图。将所有测得的应力值σ_0-1、σ_1-2、……、σ_62-63绘制出来，得到试件A加载后绝对应力分布图。如图9所示。

对比实验1

应变片法测定试件A加载后绝对应力分布。

采用本发明提出的方法检测试件A绝对应力沿轴向分布第三步时，在试件A表面贴应变片，应变片布置图如图10所示。采用应变片法测试试件A加载后构件应力分布，测试结果如图11所示。

对比实验2

数值模拟方法测定试件A加载后绝对应力分布。

采用通用有限元软件ABAQUS建立试件A有限元模型，模拟试件A加载后的受力状态，其应力云图如图12所示，本发明测试区域应力分布图如图13所示。

将图9、图11和图13的数值进行对比，绘制于图14中，可以看到，三组数据值基本吻合，这说明基于临界折射纵波的钢构件绝对应力沿轴向分布检测方法的有效性。

本发明方法可应用于建筑钢构件以及其他工业金属材料绝对应力分布的无损检测，测量结果精度较高。

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 (9)

1.一种基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于：通过标定临界折射纵波在钢构件一组声程上的应力-声时差系数，采用单发双收传感器组检测临界折射纵波在在役钢构件对应声程上的传播声时，求解钢构件的绝对应力，从而得到钢构件绝对应力沿轴向的分布；所述单发双收传感器组包含一个发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器。

2.根据权利要求1所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于：所述发射传感器位于第一接收传感器的一侧，所述第二接收传感器位于第一接收传感器的另一侧，所述第一接收传感器与发射传感器固定连接，所述第一接收传感器、第二接收传感器分别与游标卡尺的两个外侧量爪连接。

3.根据权利要求1所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于，所述钢构件的绝对应力采用以下公式计算得到：

其中，i为非负整数，j＝i+1，i表示钢构件上从一端到另一端从0开始依次标记的测量点编号；

L_i和L_j为第一接收传感器位置固定，第二接收传感器分别在测量点i、测量点j时临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声程，单位是mm；

σ_i-j为在役钢构件从L_i段到L_j段的平均应力，单位是MPa；

B_i和B_j分别为临界折射纵波在声程为L_i和L_j时的应力-声时差系数，单位是MPa/ns；

t_0,i和t_0,j分别为临界折射纵波在复制钢构件声程为L_i和L_j时的传播声时，单位是ns；

t_i和t_j分别为临界折射纵波在在役钢构件声程为L_i和L_j时的传播声时，单位是ns。

4.根据权利要求3所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于：所述临界折射纵波的传播声程采用单发双收传感器组测量，方法为：通过记录两个接收传感器接触和分离时游标卡尺读数，测得第一接收传感器和第二接收传感器之间的距离L_y；第一接收传感器的长度直接测量，记为L_g，则临界折射纵波的传播声程为L＝L_y+L_g。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤S1：复制在役钢构件，得到复制的钢构件；

步骤S2：以复制的钢构件为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，标定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的应力-声时差系数；

步骤S3：以在役钢构件为对象，固定发射传感器和第一接收传感器的位置，测定第二接收传感器在不同测量点与其后一测量点时临界折射纵波在不同声程下的传播声时；

步骤S4：计算在役钢构件不同测量点与其后一测量点对应声程下的平均绝对应力；

步骤S5：通过所述在役钢构件已测声程的平均绝对应力计算未测声程的绝对应力；

步骤S6：改变两个接收传感器的位置，重复上述过程，得到在役钢构件其他声程的绝对应力值；

步骤S7：绘制在役钢构件沿轴向的绝对应力分布图。

6.根据权利要求1所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于：其采用的仪器包括：超声波发生器、一个发射传感器、两个相同的接收传感器、两个信号放大器、示波器和PC机，所述两个相同的接收传感器分别与两个信号放大器电连接，所述两个信号放大器与示波器电连接，所述示波器与PC机连接。

7.根据权利要求6所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于：所述超声波发生器激发发射传感器产生在钢构件中传播的临界折射纵波信号，信号被两个接收传感器分别接收，两个接收传感器接收的信号分别经信号放大器放大后被示波器接收，两个接收传感器接收的信号的时间间隔即为临界折射纵波在两个接收传感器之间的传播声时。

8.根据权利要求1所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法，其特征在于：在测量过程中，在钢构件绝对应力梯度较大的区域，减小相邻声程的距离差。

9.如权利要求1～8任意一项所述的基于临界折射纵波的钢构件绝对应力分布的检测方法的应用，其特征在于，其应用于建筑钢构件以及其他工业金属材料绝对应力分布的无损检测。