CN115508453B - 一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法及系统，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库；本发明通过前期数据积累，建立受应变时效影响后的高强度钢材声发射信号特征库，以便采用声发射无损检测方法对受损修复后继续服役钢结构整体受力性能进行应变时效影响程度评估，避免传统破坏性力学性能试验的取样过程对既有高强度钢结构造成进一步损伤。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，尤其涉及一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法及系统。
背景技术
钢结构建筑易于改建、用途变更和灾后修复，在结构实际服役时，由于过载、长期静载、设防烈度地震以及突发冲击荷载等作用的影响，钢结构建筑受到损伤，若评估认定其具有继续服役能力，则不必完全拆除重建，而是修复后继续使用该建筑，或回收利用部分构件。实际上，受损结构的修复工作通常不会立即进行，在结构等待修复期间，经一定塑性变形的钢材在自然环境中放置，会受到应变时效的影响，钢材的塑性与韧性下降而硬度提高。应变时效使钢材韧性降低、屈强比提高，将导致钢结构整体受力性能的变化。因此，受损钢结构在进行受力性能分析时应考虑应变时效对钢材力学性能的影响，避免采用原始的钢材力学性能模型进行分析导致的结果偏差，造成修复后结构存在安全隐患。而高强度结构钢与普通钢相比，自身屈强比偏高、韧性偏低，对受损高强钢结构进行应变时效影响程度评估更是必要。
发明人发现，钢材在应变时效过程中，微观形貌发生改变，其金属晶格畸变、位错数目增加，导致间隙溶质原子溶解度下降，并在室温或较高温度下扩散，造成原子与位错发生弹性交互作用而形成柯垂尔(Cottrell)气团，气团对位错运动具有钉扎、阻止作用，致使钢材难以发生进一步塑性变形，即造成材料强度提高、塑性下降且脆性增加。因此，目前常采用分析材料微观形貌的方法来获取钢材受应变时效影响的程度。此外，由于钢材受应变时效影响后，各项力学性能发生显著变化，常采用拉伸试验、冲击试验以及硬度检测等传统力学性能测试方法，来评估应变时效对钢材的影响情况。然而，这些常规检测手段用于在役的既有钢结构时，均需于结构局部取样，并进行破坏性测试。破坏性的取样和检测过程会进一步损伤结构完整性，对既有钢结构建筑的后续服役安全性较为不利。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法及系统，基于标准断铅实验、声发射检测技术以及大量高度强钢材应变时效试验数据，提供了一种获取既有高强钢结构应变时效影响程度的无损检测及评价方法，旨在避免目前用于测试应变时效影响的传统力学性能试验取样过程对既有钢结构建筑的破坏，实现应变时效对既有高强度钢结构建筑影响程度的无损检测。
第一方面，本发明提供了一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，包括：
获取既有高强钢结构的现场声发射信号；
依据获取的现场声发射信号与预设声发射信号库中声发射信号的对比分析，得到既有高强钢结构中钢材的应变时效程度；
其中，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库。
进一步的，在既有高强钢结构的待测区域内多个点位进行标准断铅实验，收集现场声发射信号。
进一步的，将钢材试件拉伸至不同塑性应变后卸载，模拟钢材在实际结构工程中受到的不同程度损伤；将试件拉伸至拟定塑性变形量并卸载，保持损伤状态静置不同时长，以模拟受损钢结构在等待修复过程中所经不同程度时效的影响；受损高强度结构钢试件达到拟定的不同时效时间后，在试件上进行断铅实验。
进一步的，利用声发射传感器对每个试件进行实验时，反复拆下声发射传感器并安装多次，每次每个断铅位置记录多次断铅实验信号。
进一步的，将声发射信号进行快速傅里叶变换处理，得到信号频谱分布情况。
进一步的，对获得的多组经不同应变时效影响的高强度结构钢声发射信号进行分析，声发射信号特征库，声发射信号特征库包含声发射信号频谱分布情况。
进一步的，利用小波变换将声发射信号转换至时频域，将频域和时域结合到一起，对声发射信号特征进行更为全面分析。
第二方面，本发明还提供了一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取既有高强钢结构的现场声发射信号；
检测模块，被配置为：依据获取的现场声发射信号与预设声发射信号库中声发射信号的对比分析，得到既有高强钢结构中钢材的应变时效程度；
其中，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面中所述的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面中所述的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过前期数据积累，建立受应变时效影响后的高强度钢材声发射信号特征库，以便采用声发射无损检测方法对受损修复后继续服役钢结构整体受力性能进行应变时效影响程度评估，避免传统破坏性力学性能试验的取样过程对既有高强度钢结构造成进一步损伤；
2、本发明针对于受损修复后继续服役的既有高强钢结构，提供了一种应变时效影响程度无损检测方法，对高强度结构钢在地震区钢结构工程中持续、深度应用具有一定的指导意义和参考价值；目前高强度结构钢购买成本相对较高，本发明所提供技术有益于高强度钢构件再利用，以及高强度钢结构建筑的震后修复，具有显著的经济、社会与环境效益。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的基本操作流程图；
图2为本发明实施例1的需加工的小型试件及其拉伸示意图；
图3为本发明实施例1的为了构建声发射信号特征库时的小型试件声发射断铅实验布置示意图；
图4为本发明实施例1的前期数据积累阶段进行断铅实验的断铅位置示意图；
图5为本发明实施例1的经不同应变时效程度影响后，高强钢的断铅实验声发射信号原始形态对比；
图6为本发明实施例1的高强钢无应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的断铅实验声发射信号参数对比；
图7为本发明实施例1的声发射信号参数意义说明；
图8为本发明实施例1的高强钢无应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的断铅实验声发射信号频谱对比；
图9为本发明实施例1的高强钢无应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的断铅实验声发射信号时频分布对比；
图10为本发明实施例1的既有钢结构现场检测时的声发射传感器布置及断铅位置示意图；
图11为本发明实施例1的现场检测声发射信号频谱分布与声发射信号特征库中的频谱数据比对示意图；
图12为本发明实施例1的现场检测声发射信号时频分布与声发射信号特征库中的时频数据比对示意图；
其中，1、试件；2、夹持段；3、声发射传感器；4、第一位置；5、试件中心位置；6、第二位置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
高强度结构钢材，简称高强钢，名义屈服强度≥460MPa，作为一种高性能材料，具有高强度、良好延性、韧性及加工性能，其正以显著的优越性逐渐应用于国内外工程。其中，最新发布的钢结构设计标准GB50017-2017首次明确了460MPa以上高强度结构钢材的各项设计指标与方法，为高强钢在钢结构工程中的大规模推广应用进一步奠定基础。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，包括：
获取既有高强钢结构的现场声发射信号；
依据获取的现场声发射信号与预设声发射信号库中声发射信号的对比分析，得到既有高强钢结构中钢材的应变时效程度；
其中，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库。
具体的，本实施例中基于大量的钢材应变时效声发射信号分析结果、标准断铅实验和声发射信号频谱与时频分析技术，实现既有高强钢结构建筑的应变时效影响程度无损检测，包括以下步骤：
S1、前期数据积累：使小型高强度钢材试件受到不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的小型试件上进行标准断铅实验，并采集声发射数据。
S1.1、将待测的高强度结构钢材加工成如图2所示的多组小型钢材试件1，并将其放置于材料试验机上，用试验机夹头固定试件1的夹持段2，进行单调拉伸；通过将小型钢材试件拉伸至不同塑性应变后卸载的方式，模拟钢材在实际结构工程中受到的不同程度损伤。
S1.2、将试件拉伸至拟定塑性变形量并卸载后，保持损伤状态静置不同时长，以模拟受损钢结构在等待修复过程中所经不同程度时效的影响。
S1.3、受损高强度结构钢小型试件达到拟定的不同时效时间后，立即在试件上进行断铅实验，并监测其声发射信号：
S1.3.1、如图3所示，将两个声发射传感器3对称布置在试件的中轴线上，为有效降低声发射信号在传感器和试件接触面处的过度散射和衰减，声发射传感器和试件之间需通过硅脂耦合剂进行耦合。
S1.3.2、可以根据GB/T 26646-2011《无损检测小型部件声发射检测方法》，采用直径为0.5mm的2H铅芯，将铅芯伸出约2.5mm长度，并使铅芯与被测试件表面呈30度夹角；在受不同应变时效影响的小型钢材试件1表面，将铅芯折断以模拟声发射源。
S1.3.3、如图3所示，于试件中心位置5进行标准断铅实验，产生的弹性波通过布置在试件表面的声发射传感器检测，并由声发射监测设备转换为数字信号并显示如图5所示波形；根据已知的断铅实验信号位置信息，以及两声发射传感器分别检测到的信号时间差，标定经不同程度应变时效影响的高强钢材中的声发射信号波速。
S1.3.4、如图4所示，在经不同程度应变时效影响的小型钢材试件上，距离传感器距离不同的多个位置进行断铅实验，比如在第一位置4、试件中心位置5和第二位置6处进行断铅实验。通过两个声发射传感器所检测到的数据，对声发射源进行线性定位，实时确认铅芯折断在拟定位置。为降低实验误差，每个小型试件进行实验时，声发射传感器需反复拆下并安装多次，比如三次，每次每个断铅位置记录多次断铅实验信号，比如不少于六次断铅实验信号。
S1.3.5、经相同应变时效影响的钢材，其声发射信号应具有较为一致的特征，对比所检测到的不同位置的所有声发射信号，剔除具有明显差异的信号值，保留在该应变时效影响程度的钢材上所获得的规律一致声发射信号。
S2、构建信号特征库：对采集到的声发射数据进行分析，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库。
对获得的多组经不同应变时效影响的高强度结构钢声发射信号进行分析，积累该类型钢材的声发射信号及其各项特征数据，建立特征库；本实施例中，将以Q460C高强度结构钢的断铅实验声发射信号为例，说明经不同程度应变时效影响的高强度钢声发射信号特征库应包括的内容：
S2.1、图5为一组具有代表性的Q460C高强钢声发射信号样本实例，波形图表明受应变时效影响的高强钢声发射信号原始波形均为典型的突发型、高衰减信号。其中，无应变时效影响的高强钢声发射信号波形与其它信号波形相比，幅值明显偏低。但受不同应变时效影响的高强钢声发射信号波形较为相似，需将声发射信号原始波形进行解析，以建立更加全面立体的声发射信号特征库。
S2.2、从图5所示的Q460C高强钢声发射信号中，可提取多项声发射特征参数。图6为每种钢材、每个断铅位置的多次声发射信号特征参数平均值分布情况，各特征参数意义如图7所示。
无应变时效影响的高强钢声发射信号特征参数值，与受到应变时效后的高强钢声发射特征参数值具有显著不同。高强钢的声发射特征参数值根据应变时效程度的不同，具有规律性的趋势变化，且各特征参数值对预应变量的变化更为敏感，即受损程度的变化更为敏感。从大量的小型钢材试件声发射信号中提取特征参数值，可进一步完善声发射信号特征库。
S2.3、声发射信号中包含多种频率分量，且每种频率分量所具有的能量不同。图8为将声发射信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)处理后，得到信号频谱分布情况。比如，Q460C高强钢声发射信号频率均主要分布在200kHz以下范围内，且主要分布于三个频段内：以5kHz～7kHz频率为中心的较窄频段，以及50kHz～100kHz和160kHz～190kHz宽频段。
无应变时效影响的高强钢声发射信号的频谱分布，与经应变时效后的高强钢声发射信号具有显著不同。比如，无应变时效影响的Q460高强钢声发射信号以低频为主，且峰值点非常明显。同时，频谱分布特征随着应变时效程度的改变具有规律性的趋势变化，且对时效时间的变化更为敏感。本实施例中的声发射信号特征库应包含声发射信号频谱分布情况，使高强钢结构的应变时效影响程度趋于准确。
S2.4、小波变换(Wavelet Transform，WT)方法可以将声发射信号转换至时频域，将频域和时域结合到一起，对声发射信号特征进行更为全面的分析。图9为将高强钢声发射信号进行小波变换处理后，得到信号时频分布情况。其中，颜色尺度代表声发射能量的强度。
无应变时效影响的高强钢声发射信号的时频分布，与经应变时效后的高强钢声发射信号具有显著不同。比如，无应变时效影响的Q460C高强钢声发射信号能量主要分布在10kHz以下的频率范围内，声发射能量最大强度出现在约0.7ms处；受应变时效影响的Q460C高强钢声发射信号，不仅在10kHz以下的频率范围内有较高强度的能量出现，在40kHz以上频率范围内也有高强度的声发射能量分布。同时，其时频分布特征，如声发射能量最大强度出现的频段、时间段等，随着应变时效程度的改变具有规律性的趋势变化，且对时效时间的变化更为敏感。本发明所述的声发射信号特征库应包含声发射信号时频分布情况，使高强钢结构的应变时效影响程度对比数据更为全面和准确。
S3、现场声发射信号收集：在既有高强钢结构的待测区域布置声发射系统，在区域内多个点位进行标准断铅实验，并收集现场声发射信号。对受损的既有钢结构进行声发射无损检测，获取经应变时效影响的受损高强钢结构。
S3.1、如图10所示，以常见的钢框架结构为例，根据既有钢结构实际情况，确定需检测位置，比如，重要的梁、柱构件及节点域的重点区域。以图10中边跨主梁为例，在待检测区域选定多个标准断铅实验位置5，并布置多组声发射传感器3，建立全方位声发射信号捕捉系统。
S3.2、现场检测开始前，应首先进行现场噪声测试，控制各信号通道的噪声水平低于门槛阈值。此外，需对检测系统进行校准，主要包括：校准系统主机、测试通道灵敏度和测定信号传播衰减。
S3.3、检测时，应按照标准断铅实验要求，在预定区域、预定点位进行大量断铅实验，收集声发射信号，并随时观察声发射信号特征。
S4、根据前期积累信号数据与现场收集数据的对比分析，对既有钢结构不同区域钢材已受到应变时效影响的程度进行分析，评估目前既有高强钢结构中钢材的应变时效程度。将受损钢结构声发射现场检测得到的信号进行筛选和特征分析，并与已建立的应变时效影响高强钢声发射信号特征库中的各声发射信号特征进行对比，评估既有高强钢结构重要区域的钢材应变时效程度。
本实施例中，以Q460C钢材为例，已知该既有高强钢结构建筑经历“过载”作用受损后卸载已有一个月，现需判断其应变时效影响情况，以便采用相对应的材料力学性能对其继续服役安全性进行评估。首先，从所获取的大量声发射信号中提取各项特征值，将各特征参数均值放入如图6所示的多个特征参数数据库中进行比对，初步判定其所经历的预应变量区间，即变形情况；随后，如图11和图12所示，分别将频谱、时频分析结果与声发射信号特征库中的数据进行比对，可进一步确定其可能经历过的变形情况、时效时间。
S5、依据应变时效影响程度评估结果，在进行受应变时效影响高强钢构件及结构的力学性能分析时，相应地选择考虑了不同应变时效影响因素的钢材本构模型，使受损结构继续服役安全性评估结果更加准确。
在绿色环保和中震可修等设计思想指导下，应确认可修复的受损高强钢结构应变时效影响情况，以便使用正确的钢材力学性能评估受损高强钢结构建筑修复后继续服役的可能性和安全性。本实施例中，声发射信号特征库中积累了大量的、经多种程度应变时效影响的声发射信号，通过与特征库数据进行多轮比对，可不断缩小受损的既有高强钢结构所经历的变形情况和时效时间，最终评估出较为准确的高强钢结构应变时效影响水平。
实施例2：
本实施例提供了一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取既有高强钢结构的现场声发射信号；
检测模块，被配置为：依据获取的现场声发射信号与预设声发射信号库中声发射信号的对比分析，得到既有高强钢结构中钢材的应变时效程度；
其中，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库。
所述系统的工作方法与实施例1的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法中的步骤。
实施例4：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法中的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，其特征在于，包括：
获取既有高强钢结构的现场声发射信号，在既有高强钢结构的待测区域内多个点位进行标准断铅实验，收集现场声发射信号；
依据获取的现场声发射信号与预设声发射信号库中声发射信号的对比分析，得到既有高强钢结构中钢材的应变时效程度；
其中，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库。
2.如权利要求1所述的一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，其特征在于，将钢材试件拉伸至不同塑性应变后卸载，模拟钢材在实际结构工程中受到的不同程度损伤；将试件拉伸至拟定塑性变形量并卸载，保持损伤状态静置不同时长，以模拟受损钢结构在等待修复过程中所经不同程度时效的影响；受损高强度结构钢试件达到拟定的不同时效时间后，在试件上进行断铅实验。
3.如权利要求1所述的一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，其特征在于，利用声发射传感器对每个试件进行实验时，反复拆下声发射传感器并安装多次，每次每个断铅位置记录多次断铅实验信号。
4.如权利要求1所述的一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，其特征在于，将声发射信号进行快速傅里叶变换处理，得到信号频谱分布情况。
5.如权利要求1所述的一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，其特征在于，对获得的多组经不同应变时效影响的高强度结构钢声发射信号进行分析，声发射信号特征库，声发射信号特征库包含声发射信号频谱分布情况。
6.如权利要求1所述的一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法，其特征在于，利用小波变换将声发射信号转换至时频域，将频域和时域结合到一起，对声发射信号特征进行更为全面分析。
7.一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取既有高强钢结构的现场声发射信号，在既有高强钢结构的待测区域内多个点位进行标准断铅实验，收集现场声发射信号；
检测模块，被配置为：依据获取的现场声发射信号与预设声发射信号库中声发射信号的对比分析，得到既有高强钢结构中钢材的应变时效程度；
其中，对高强度钢材试件施加不同程度的应变时效影响，在未经应变时效影响和经应变时效影响的高强度钢材试件上进行标准断铅实验，并获取声发射数据；根据获取声发射数据，构建未经应变时效影响，以及经不同程度应变时效影响后的高强度钢材标准断铅实验声发射信号库，得到预设的声发射信号库。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-6任一项所述的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法中的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-6任一项所述的考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法中的步骤。
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| CN202211318019.1A CN115508453B (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法及系统 |
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| CN202211318019.1A CN115508453B (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 一种考虑应变时效影响的高强度钢无损检测方法及系统 |
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- 2022-10-26 CN CN202211318019.1A patent/CN115508453B/zh active Active
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