CN116735063A - 一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法，获取待检测的在役钢结构构件的复制试件；对复制试件实施横波一发三收标定实验，确定复制试件的空间应力检测系数矩阵，得到空间应力信息的检测公式；确定检测区域，在检测区域内对在役钢构件实施横波一发三收空间应力检测实验，采集三个接收位置处的超声波时域信号；对获得的时域信号进行频谱分析，识别空间应力状态下三条传播路径上的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量，并将其代入复制试件的空间应力检测公式，得到钢构件空间应力信息。本发明的方法能够实现对不同材料不同厚度的在役钢板构件空间应力信息的直接检测，且测试仪器安装方便、成本低、易于实现。

Description

一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法

技术领域

本发明属于钢结构构件应力无损检测领域，尤其涉及一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法。

背景技术

随着我国近年来钢结构形式的发展，出现了大量趋于大型化和复杂化的钢质构件及节点。构件尺寸和节点域体积的增大使得平面应力假设不再适用，钢板构件除受到面内应力，其面外应力也不能忽略，构件实际处于空间应力状态下。同时，节点域体积的增大使得针对常规节点的空间力学模型研究方法不再适用，已有应力分布规律及截面变形理论不复成立。常规设计方法未考虑截面非平截面变形引起的变形释放，因此过高估计了构件、节点乃至结构体系的刚度，设计结果将偏于不安全。检测钢板构件的内部空间应力对于结构工程科学研究、安全建设和持续运营具有重要作用。

目前不论是在结构健康监测领域，还是在应力有损检测和应力无损检测领域，都未能实现对钢板的内部空间绝对应力检测。与其他应力检测手段相比，超声波法具有穿透性强、携带信息丰富、设备小便于携带等独特优势。同时，众多研究表明，超声波在金属材料单向/平面应力场中的时域信号和频域信号与构件应力呈现相关关系，这从原理上为空间绝对应力的无损检测提供了可能。然而由于空间应力的复杂性，利用超声波进行钢板构件内部空间绝对应力检测依旧存在困难。例如，超声信号与空间应力的具体关系尚不明确，同时，由于空间应力的复杂性，需要更多与应力有关的超声信息，常用的传感器布置方式和信号处理手段已不再能满足空间应力检测需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于横波一发三收的钢构件空间应力信息检测方法，实现对在役钢结构构件空间应力信息的无损检测。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法，包括以下步骤：

S1、获取需检测的在役钢构件的复制试件；

S2、对复制试件实施单向加载实验和横波一发三收实验，确定空间应力检测系数矩阵，得到空间应力检测公式；

S3、确定检测区域，在检测区域内对在役钢构件实施横波一发三收空间应力检测实验，获取三个接收位置处的超声波时域信号；

S4、对捕捉到的时域信号进行频谱分析，提取准横波声时差变化量和准纵波声时变化量，代入复制试件的空间应力检测公式，得到钢构件空间应力信息。

优选地，所述复制试件与原钢构件的厚度、材质、强度均相同，按比例缩小。

优选地，所述步骤S2包括如下子步骤：

S21、搭建钢构件空间应力信息检测硬件系统；

S22、对复制试件沿高度方向逐级施加单向压应力，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

S23、对复制试件沿长度方向再次逐级施加单向压应力，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

S24、在每个应力梯度的保持时间内，在选定的标定位置处发射和接收超声横波，采集并储存改应力状态下的三个接收位置处的时域信号；

S25、对采集到的时域信号进行频谱分析，截取准横波波段，利用准横波的幅度谱和相位谱提取1.2MHz频率的准横波声时差变化量，截取准纵波波段，利用准纵波的相位谱提取1.2MHz频率的准纵波声时变化量；

S26、将获得的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量代入空间应力信息检测公式，通过数据拟合与参数计算确定空间应力检测系数矩阵N。

优选地，所述钢构件空间应力信息检测硬件系统包括：超声波信号发射和接收器、一发三收横波传感器组、数字示波器、钢构件应力加载和控制器；

其中，一发三收横波传感器组包括四个相同的超声横波传感器，直径9mm，中心频率5MHz，主要频率范围0～10MHz，入射横波为多频率耦合简谐脉冲波；

应力加载和控制器为电液伺服万能实验机，其最大压力为1000KN。

优选地，对复制试件逐级施加单向压应力时，最大应力均不超过试件材料的屈服应力，使试件始终处于弹性状态。

优选地，在选定的标定位置处发射和接收超声横波，将发射传感器与接收传感器沿竖直摆放，呈方式1平行收发方式，发射横波脉冲，采集并储存三组接收时域信号；

将横波发射传感器旋转π/2角度，沿水平方向摆放，此时发射传感器与接收传感器呈方式2垂直收发方式，发射横波脉冲，采集并储存三组接收时域信号。

优选地，截取准横波波段，方式1接收的准横波的幅度谱函数为：

方式2接收的准横波的幅度谱函数为：

方式1接收的准横波的相位谱函数为：

方式2接收的准横波的相位谱函数为：

截取准纵波波段，方式2接收的准纵波的相位谱函数为：

其中，f为超声频率，L_i表示超声波的传播距离，φ_i表示准横波偏振角，i＝1,2,3，上标//和⊥分别表示收发方式1和方式2；L_r和φ_r分别表示接收信号的幅度和相位，可由时域信号经傅里叶变换后得到；

利用收发方式1和方式2接收的准横波的幅度谱和相位谱提取准横波的声时差和偏振角，为：

利用收发方式2接收的准纵波的相位谱提取准纵波的声时变化量，为：

其中，T₀为常数项，上述公式中，f＝1.2MHz。

优选地，所述空间应力信息检测公式为：

其中，σ₁₁，σ₂₂，σ₃₃，τ₁₂，τ₁₃，τ₂₃为六个空间应力分量，σ₁₁，σ₂₂，σ₃₃分别为钢板构件长度方向、高度方向和厚度方向上的法向应力，τ₁₂为板内剪应力，τ₁₃和τ₂₃为两个板外剪应力；N为应力检测系数矩阵，包含36个与构件材料和厚度、超声波的频率与传播路径相关的应力检测系数o₁～z₃；(Δt_qS)_i为在构件内部传播的两个准横波的声时差的变化量，(Δt_qP)_i为在构件内部传播的一个准纵波声时的变化量，下标i＝1,2,3表示三个接收传感器，此处的变化量指的是空间应力状态下的准横波声时差、准纵波声时相对于零应力状态下准横波声时差、准纵波声时的改变量，表达式如下：

其中，t_qS1、t_qS2、t_qSP分别表示空间应力状态下两个准横波qS1和qS2，以及一个准纵波qP的传播声时，上标0表示零应力状态，分别表示零应力状态下的相应声时；

将每个应力状态下的准横波声时差变化量(Δt_qS)_i、准纵波声时变化量(Δt_qP)_i代入空间应力信息检测公式，经多元线性拟合与参数计算即可确定应力检测系数矩阵N。

优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：

S31、在待检测区域内选定一发三收检测位置，以收发方式1入射超声横波，采集并储存三组接收超声波时域信号；

S32、旋转发射传感器，以收发方式2再次入射横波，采集并储存三组接收超声波时域信号。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于横波一发三收的钢构件空间应力信息检测方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的方法，能够实现对不同材料不同厚度的在役钢板构件空间应力的无损检测，操作简便，成本较低，有一定的工程应用价值。

(2)本发明的方法，以1.2MHz频率为检测频率，利用接收信号的幅度和相位特征识别准横波波速差变化量和准纵波波速变化量，灵敏度较高。

(3)本发明的方法，利用传感器一发三收布置，对空间应力进行了直接分离，能检测六个空间应力分量，精度较高。

综上所述，采用本发明所提出的一种基于横波一发三收的钢构件空间应力信息无损检测方法，实现了对不同材料不同厚度的在役钢板构件空间应力的无损检测，测试过程简便，测试仪器安装方便、成本低、易于实现。可用于对在建和已建钢结构板构件内部空间应力检测，也可用于其他金属板构件的空间应力检测。

附图说明

图1是本发明中直角坐标轴建立及横波三折射示意图；

图2是本发明中一发三收横波传感器布置示意图；

图3是本发明中搭建的钢构件空间应力信息检测系统示意图；

图4是本发明中横波传感器组的收发方式1；

图5是本发明中横波传感器组的收发方式2；

图6是本发明实施例中钢板检测系数标定的两种单向受压方式；

图7是本发明实施例中钢板试件一发三收标定点位置；

图8是本发明实施例中Q235b钢板通过方式1接收的三组超声信号时域图；

图9是本发明实施例中Q235b钢板通过方式2接收的三组超声信号时域图；

图10是本发明实施例中Q235b钢板中O₃接收位置处通过两种方式接收的准横波信号的幅度谱；

图11是本发明实施例中Q235b钢板中O₃接收位置处通过两种方式接收的准横波信号的相位谱；

图12是本发明实施例中Q235b钢板中O₃接收位置处通过方式2接收的准纵波信号的相位谱；

图13是本发明实施例中钢板的不均匀空间应力场建立和有限元应力云图；

图14是本发明实施例中钢板的四个待检测区域位置。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本实施例基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法中，基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法的原理如下：

在正交各向异性材料内部传播的超声横波，不沿对称主轴传播，而是在构件内部沿与对称主轴呈一定角度的斜向路径传播，此时横波会分解为一个准纵波qP和两个准横波qS1、qS2，这三个波分量的质点振动方向既不平行也不垂直于波传播方向。qP波的质点振动方向与波传播方向呈一个微小的夹角，接近于平行，同理，准横波的质点振动方向与波传播方向接近于垂直，如图1所示。空间应力影响下，准纵波qP和准横波qS1、qS2的波速变化规律均不相同。

加工后的钢板材料被认为是弱正交各向异性材料，建立的空间直角坐标系如图1所示，O为发射传感器位置。传感器一发三收布置如图2所示。构件的厚度为l₀，发射点O与接收点O_i同处于x₁Ox₃平面内，发射点O到接收点O_i的直线距离为L_i，发射点O到接收点O_i的水平距离为l_i。l₀、L_i与l_i之间满足勾股定理。同时，L_i与x₁正方向的夹角为β_i(π＞β_i＞0)，其中i＝1,2,3，分别表示三条传播路径。如图1所示，入射横波会分解成一个准纵波qP和两个准横波qS1和qS2。图1中的η_i表示准纵波的偏振角，φ_i表示沿OO_i路径传播的准横波的偏振角。

入射波为简谐脉冲波，横波脉冲可以看作是多个不同频率的谐振波的叠加，是一个较为复杂的波形，其中包含了各种不同频率的正弦波或者余弦波。对于单一频率的简谐波，其发射波的时域表达式为：

其中，u₀(t)表示振源O的振动的时域表达，A表示超声横波脉冲的幅值，t表示振源振动的时间，表示超声横波脉冲的初相位，f表示频率。

入射横波经三折射后，在每条路径上都会分解成三个波分量。采取两种特殊的传感器收发方式：发射横波传感器沿着x₂轴正向摆放，三个接收横波传感器沿着x₂轴正向摆放，呈平行收发方式(方式1)；其次，发射横波传感器沿着x₁轴正向摆放，三个接收横波传感器沿着x₂轴正向摆放，呈垂直收发方式(方式2)；方式1和方式2如图4和图5所示。

所有的波分量沿不同的路径以各自的速度传播到O_i处被传感器接收。经过傅里叶变化及必要的数学公式推导，得到两种方式接收到的准横波和准纵波的幅度谱和相位谱公式如下

准横波幅度谱公式为

准横波相位谱公式为

qP波相位谱公式为

其中，上标//和⊥分别表示收发方式1和方式2；L_r和φ_r分别表示接收信号的幅度和相位；分别表示qS1，qS2，qP波沿OO_i路径传播的声时。

联立式和式求解偏振角φ_i

联立式和式求解qS1波和qS2波的声时差变化量Δt_qS

联立式求解qP波传播声时变化量Δt_qP

其中，分别表示零应力状态下，单条路径上的qS1波、qS2波、qP波的传播声时。

由声弹性原理可知，qS1波、qS2波和qP波的Christoffel方程如下所示：

其中，G_ij为与构件材料和所受应力有关的声学张量；β_i(π＞β_i＞0)为传播路径的方位角，是传播路径与x₁正向的夹角；V_qS1、V_qS2和V_qP分别表示沿OO_i路径传播的qS1波相速、qS2波相速和qP波相速。

联立三条传播路径上的声弹性基本方程，用传播距离除以传播声时表示波速信息：

经过必要的数学公式推导和简化处理，可得空间应变-声时本构关系：

其中，M为空间应力检测系数矩阵，包含三十个与材料的密度、二阶三阶弹性系数、传播方向、超声波速有关，空间应变检测系数a₁～k₃。

通过胡克定律将应变转化为应力，得到空间应力-声时本构关系：

其中，N为空间应力检测系数矩阵，包含三十六个与材料的密度、二阶三阶弹性系数、传播方向、超声波速有关，空间应变检测系数o₁～z₃。系数矩阵N与M满足胡克定律，如下所示：

其中，C为弹性系数矩阵，λ、μ为材料的拉梅常数。

所有检测系数的值由标定实验和系数计算确定。

基于上述理论推导，可以总结出本方法的实施过程共分四大步。第一步是在役钢板构件的复制；第二步是利用钢板应力检测系统，针对1.2MHz频率，通过标定实验和系数计算确定该频率下复制构件的所有检测系数值，确定待检测钢板的空间应力-声时本构关系；第三步是针对在役钢板构件，确定其检测区域，实施横波一发三收实验，获取准横波及准纵波时域信号；第四步是对捕捉到的时域信号进行频谱分析，利用幅度谱和相位谱提取1.2MHz频率下的三个传播路径上的准横波声时变化量及准纵波声时变化量，并代入空间应力-声时本构关系，求得在役钢板构件空间应力各应力分量大小。本方法的四大步实施过程如下：

第一步，在役钢结构构件的复制：在役钢构件一般不可拆卸，本方法实施过程中需要在役钢构件的空间应力-声时本构关系。为此，选择与在役钢构件的材料、厚度均相同的复制构件，可按比例缩小至实验室尺寸，在复制试件上进行检测系数标定。

第二步，对复制试件进行单向加载实验和横波一发三收实验，确定复制试件的所有检测系数：这一步的具体步骤是：

(1)搭建钢构件空间应力信息检测硬件系统，如图3所示，包括：超声波信号发生器、超声横波一发三收传感器组、数字示波器、钢构件应力加载和控制器、用于信号处理的计算机，其中，超声横波一发三收传感器组中的四个横波传感器为同一型号横波传感器；

(2)确定标定位置，对试件进行沿两个方向的单向均匀受压，如图6所示，在每个加载方向，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施横波一发三收实验，整个受压过程中，试件始终处于弹性状态；

(3)在每个应力梯度的保持时间内，在标定位置处以收发方式1发射并接收超声信号，采集并储存三组时域信号，然后调整发射传感器方向，以收发方式2发射并接收超声信号，采集并储存三组时域信号；

(4)截取方式1和方式2接收的准横波时域信号，以及方式2接收的准纵波信号，通过傅里叶变换得到准横波的两次幅度谱和两次相位谱，以及准纵波的一次相位谱，提取1.2MHz频率的准横波幅值和/>准横波相位/>和/>准纵波相位/>通过式(7)、(8)和(9)识别准横波声时差变化量和准纵波声时变化量；

(5)将提取的声时信息代入如下空间应变-声时本构关系，标定实验中，γ₁₂＝0，γ₁₃＝0，γ₂₃＝0，空间应变-声时本构关系变为

将标定实验数据按上式进行拟合，确定a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃、g₁、h₁、j₁、g₂、h₂、j₂、g₃、h₃、j₃的值；

(6)与剪应变有关的应变检测系数d₁、e₁、f₁、k₁、d₂、e₂、f₂、k₂、d₃、e₃、f₃、k₃的值通过如下公式计算确定：

其中，C₄₅₆、C₃₅₅、C₃₄₄为材料的三阶弹性常数，ρ₀为钢材的密度，μ为材料的拉梅常数，和/>表示零应力状态下在钢质材料中传播的准横波和准纵波的波速，取

(7)根据胡克定律，通过式(17)将应变检测系数矩阵M转化为应力检测系数N，确定所有应力检测系数的值。

第三步，确定检测区域，对在役的受空间应力的钢板构件进行横波一发三收实验，获取检测区域位置的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量：这一步的具体操作如下：

(1)在一发三收测点处以收发方式1发射并接收超声波，采集并储存三组时域信号；

(2)调整发射传感器，以收发方式2发射并接收超声波，再次采集并储存三组时域信号；

第四步，对采集的六组时域信号进行频谱分析，提取三条传播路径上的1.2MHz频率的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量，并将其代入复制试件的空间应力-声时本构关系，求解在役钢构件空间应力信息：这一步的具体操作如下：

(1)截取方式1和方式2接收的准横波时域信号，以及方式2接收的准纵波信号，通过傅里叶变换得到准横波的两次幅度谱和两次相位谱，以及准纵波的一次相位谱；

(2)提取1.2MHz频率的准横波幅值和/>准横波相位/>和/>准纵波相位/>通过式(7)、(8)和(9)识别准横波声时差变化量和准纵波声时变化量；

(3)将提取的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量代入空间应力-声时本构关系(16)，获得在役钢构件空间应力信息。

实施例1

本发明选择常用的Q235b钢板试件，厚度为14mm，其长宽分别为240mm和140mm。按照实施例1所提的检测步骤进行检测。

第一步，在试件内确定一发三收标定点位置，如图7所示，沿宽度方向对试件从零开始逐级施加单向压力，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段足够长的时间，为使钢板始终处于弹性状态，加载的应力上限为165MPa。

第二步，在每个应力梯度的保持时间内，在一发三收标定点先以方式1发射并接收超声信号，并储存三组接收信号，如图8所示；将发射传感器旋转π/2角度，以方式2再次发射并接收超声信号，并储存三组接收信号，如图9所示。

第三步，第一轮加载结束后，将钢板旋转π/2角度，改变试件的受压方向，沿长度方向对试件从零开始逐级施加单向压力，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段足够长的时间，为使钢板始终处于弹性状态，加载的应力上限为165MPa。

第四步，在每个应力梯度的保持时间内，在一发三收标定点先以方式1发射并接收超声信号，再以方式2再次发射并接收超声信号。

第五步，针对采集到的所有时域信号，截取目标波段进行傅里叶变换。本发明中截取方式1中的准横波信号、方式2中的准纵波和准横波信号，如图8和图9所示；进行傅里叶变换后得到准横波两次幅度谱和两次相位谱，分别如图10和图11所示，以及准纵波一次相位谱，如图12所示；从中提取1.2MHz频率的准横波幅值和/>准横波相位和/>准纵波相位/>通过式(7)、(8)和(9)识别准横波声时差变化量和准纵波声时变化量。将获得的准横波声时差变化量和纵波声时变化量代入理论公式(16)，利用式(18)和式(19)确定所有应力检测系数值，如表1和表2所示。

第六步，建立不均匀空间应力场，如图13所示。确定检测区域Z1、Z2、Z3和Z4，如图14所示，在检测区域处进行超声实验。以方式1入射超声横波，采集并储存三组时域信号；旋转发射传感器，以方式2再次入射，采集并储存三组时域信号。

第七步，截取准横波和准纵波信号，利用傅里叶变换将时域信号转化成频域信号。提取1.2MHz频率的准横波幅值和/>准横波相位/>和/>准纵波相位/>通过式(7)、(8)和(9)识别准横波声时差变化量和准纵波声时变化量。

第八步，将识别的(Δt_qS)₁、(Δt_qS)₂、(Δt_qS)₃和(Δt_qP)₁、(Δt_qP)₂、(Δt_qP)₃代入理论公式(16)，获得待检测钢构件空间应力信息。为验证本方法的准确性，本发明采用已被应变片法验证后的有限元计算结果作为对比，对比结果如表3所示。

表1 Q235b钢板空间应变检测系数值(f＝1.2MHz)

表2 Q235b钢板空间应力检测系数值(f＝1.2MHz)

表3 Q235b钢板空间应力检测结果及对比

实施例2

本发明选择14mm厚度的Q345b钢板作为实验对象，其长宽分别为240mm和140mm。按照实施例1所提的检测步骤进行标定实验和检测实验，求得的空间应力检测系数取值如表4和表5所示。同样针对四个检测点Z1、Z2、Z3和Z4，采用有限元计算结果作为对比，对比结果如表6所示。

表4 Q345b钢板空间应变检测系数值(f＝1.2MHz)

表5 Q345b钢板空间应力检测系数值(f＝1.2MHz)

表6 Q345b钢板空间应力检测结果及对比

通过实施例可见，采用本发明的一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法，能够实现对不同材料不同厚度的在役钢构件内部空间应力的无损检测，测试仪器操作方便、检测成本低、易于实现；同时，灵敏度较高，易于数据采集。可用于对在建和已建钢构件内部空间应力检测，也可用于其他金属板构件内部空间应力检测。

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 (8)

1.一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取需检测的在役钢构件的复制试件；

S2、对复制试件实施单向加载实验和横波一发三收实验，确定空间应力检测系数矩阵，得到空间应力检测公式；

S3、确定检测区域，在检测区域内对在役钢构件实施横波一发三收空间应力检测实验，获取三个接收位置处的超声波时域信号；

S4、对捕捉到的时域信号进行频谱分析，提取准横波声时差变化量和准纵波声时变化量，代入复制试件的空间应力检测公式，得到钢构件空间应力信息；

所述空间应力信息检测公式为：

其中，σ₁₁，σ₂₂，σ₃₃，τ₁₂，τ₁₃，τ₂₃为六个空间应力分量，σ₁₁，σ₂₂，σ₃₃分别为钢板构件长度方向、高度方向和厚度方向上的法向应力，τ₁₂为板内剪应力，τ₁₃和τ₂₃为两个板外剪应力；N为应力检测系数矩阵，包含36个与构件材料和厚度、超声波的频率与传播路径相关的应力检测系数o₁～z₃；(Δt_qS)_i为在构件内部传播的两个准横波的声时差的变化量，(Δt_qP)_i为在构件内部传播的一个准纵波声时的变化量，下标i＝1,2,3表示三个接收传感器位置，此处的变化量指的是空间应力状态下的准横波声时差、准纵波声时相对于零应力状态下准横波声时差、准纵波声时的改变量，表达式如下：

其中，t_qS1、t_qS2、t_qSP分别表示空间应力状态下两个准横波qS1和qS2，以及一个准纵波qP的传播声时，上标0表示零应力状态下的相应声时；

将每个应力状态下的准横波声时差变化量(Δt_qS)_i、准纵波声时变化量(Δt_qP)_i代入空间应力信息检测公式，经多元线性拟合与参数计算即可确定应力检测系数矩阵N。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，

所述复制试件与在役钢构件的厚度、材质、强度均相同，尺寸按比例缩小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤S2包括如下子步骤：

S21、搭建钢构件空间应力信息检测硬件系统；

S22、对复制试件沿高度方向逐级施加单向压应力，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

S23、对复制试件沿长度方向再次逐级施加单向压应力，以7.5MPa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

S24、在每个应力梯度的保持时间内，在选定的标定位置处发射和接收超声横波，采集并储存改应力状态下的三个接收位置处的时域信号；

S25、对采集到的时域信号进行频谱分析，截取准横波波段，利用准横波的幅度谱和相位谱提取1.2MHz频率的准横波声时差变化量，截取准纵波波段，利用准纵波的相位谱提取1.2MHz频率的准纵波声时变化量；

S26、将获得的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量代入空间应力信息检测公式，通过数据拟合与参数计算确定空间应力检测系数矩阵N。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述钢构件空间应力信息检测硬件系统包括：超声波信号发射和接收器、一发三收横波传感器组、数字示波器、钢构件应力加载和控制器；

其中，一发三收横波传感器组包括四个相同的超声横波传感器，直径9mm，中心频率5MHz，主要频率范围0～10MHz，入射横波为多频率耦合简谐脉冲波；

应力加载和控制器为电液伺服万能实验机，其最大压力为1000KN。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

对复制试件逐级施加单向压应力时，最大应力均不超过试件材料的屈服应力，使试件始终处于弹性状态。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在选定的标定位置处发射和接收超声横波，将发射传感器与接收传感器沿竖直摆放，呈方式1平行收发方式，发射横波脉冲，采集并储存三组接收时域信号；

将横波发射传感器旋转π/2角度，沿水平方向摆放，此时发射传感器与接收传感器呈方式2垂直收发方式，发射横波脉冲，采集并储存三组接收时域信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

截取准横波波段，方式1接收的准横波的幅度谱函数为：

方式2接收的准横波的幅度谱函数为：

方式1接收的准横波的相位谱函数为：

方式2接收的准横波的相位谱函数为：

截取准纵波波段，方式2接收的准纵波的相位谱函数为：

其中，f为超声频率，L_i表示超声波的传播距离，φ_i表示准横波偏振角，i＝1,2,3，上标//和⊥分别表示收发方式1和方式2；L_r和φ_r分别表示接收信号的幅度和相位，可由时域信号经傅里叶变换后得到；

利用收发方式1和方式2接收的准横波的幅度谱和相位谱提取准横波的声时差和偏振角，为：

利用收发方式2接收的准纵波的相位谱提取准纵波的声时变化量，为：

其中，T₀为常数项，上述公式中，f＝1.2MHz。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤S3包括如下子步骤：

S31、在待检测区域内选定一发三收检测位置，以收发方式1入射超声横波，采集并储存三组接收超声波时域信号；

S32、旋转发射传感器，以收发方式2再次入射横波，采集并储存三组接收超声波时域信号。