鋼結(jié)構(gòu)隱性損傷的磁記憶識(shí)別機(jī)理及試驗(yàn)研究

王 威 樊 浩 楊為勝 劉 靜

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安710055）

鋼結(jié)構(gòu)隱性損傷的磁記憶識(shí)別機(jī)理及試驗(yàn)研究

王 威 樊 浩*楊為勝 劉 靜

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安710055）

以金屬磁記憶檢測(cè)機(jī)理為基礎(chǔ)，提出關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)早期微裂紋缺陷的磁記憶識(shí)別機(jī)理模型。采用拉伸試驗(yàn)研究了Q235典型建筑鋼在靜載作用下的磁記憶效應(yīng)，利用WT10B數(shù)字高斯計(jì)獲得了不同加載階段的磁場(chǎng)信號(hào)。發(fā)現(xiàn)法向磁場(chǎng)與外荷載存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，法向磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度可用來(lái)對(duì)試件的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行定位，磁場(chǎng)梯度最大值可用來(lái)判斷試件的危險(xiǎn)時(shí)刻。表明磁記憶是鋼結(jié)構(gòu)早期隱性損傷安全診斷的有效方法。

鋼結(jié)構(gòu)，金屬磁記憶，隱性損傷，機(jī)理模型，拉伸試驗(yàn)

1 引 言

目前，大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)、大跨鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)備受關(guān)注，這些重大工程早期損傷的健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定技術(shù)正變成土木工程領(lǐng)域所面臨的瓶頸問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)的主要損傷源為應(yīng)力集中區(qū)，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件因應(yīng)力集中和各種微觀缺陷擴(kuò)展而引發(fā)的脆性破壞現(xiàn)象非常嚴(yán)重。例如，我國(guó)哈爾濱的濱州線松花江鋼橋，因冷脆造成鉚接點(diǎn)裂紋擴(kuò)展發(fā)生脆性斷裂，香港某高層建筑由于各承重柱隨著裂紋萌發(fā)擴(kuò)展而發(fā)生突然倒塌［1］。發(fā)生這類(lèi)事故的主要原因就是沒(méi)有一個(gè)很好的方法能對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)中潛在的損傷及構(gòu)造關(guān)鍵部位的材性變化和早期損傷狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)方法，如超聲、磁粉、射線、滲透等只能對(duì)已形成的裂紋或宏觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，不能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的隱性損傷進(jìn)行早期檢測(cè)。隱性與顯性相對(duì)，指沒(méi)有形成明顯的物理不連續(xù)，而難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，且一旦凸顯將造成重大災(zāi)難［2］。雖然隱性損傷最終會(huì)形成宏觀缺陷，但宏觀缺陷萌生前所耗費(fèi)的時(shí)間在整個(gè)過(guò)程中比例較大，而且在隱性損傷積累的過(guò)程中，微小的外界作用都有可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成致命的影響。其自由發(fā)展的后果往往是無(wú)任何明顯征兆的結(jié)構(gòu)突然垮塌［3］。因此，及時(shí)找出結(jié)構(gòu)段裂前的危險(xiǎn)區(qū)域并進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)和評(píng)估具有較高的理論和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

金屬磁記憶檢測(cè)是1997年俄羅斯學(xué)者杜波夫提出的一種新興無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)借助于天然的地磁場(chǎng)作用、金屬內(nèi)部各種微觀缺陷和局部應(yīng)力集中對(duì)磁作用的特殊反映機(jī)制，能夠?qū)﹁F磁體進(jìn)行早期診斷［4，5］。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在石油、機(jī)械、化工、電力、鐵路等部門(mén)開(kāi)始推廣應(yīng)用，但在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域才處于起步階段。本文在金屬磁記憶原理的基礎(chǔ)上，提出了鋼結(jié)構(gòu)早期微裂紋診斷的磁記憶檢測(cè)識(shí)別機(jī)理模型。以典型建筑鋼材Q235鋼板為研究對(duì)象，通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)，分析了整個(gè)拉伸過(guò)程中磁場(chǎng)信號(hào)的變化規(guī)律。分析表明，磁記憶是運(yùn)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)早期損傷檢測(cè)的有效方法。

2 鋼結(jié)構(gòu)磁記憶識(shí)別機(jī)理

2.1 磁記憶檢測(cè)基本原理

磁記憶檢測(cè)的原理實(shí)際上是磁彈性和磁機(jī)械效應(yīng)共同作用的結(jié)果［6］，磁彈性效應(yīng)的原理見(jiàn)圖1。當(dāng)鐵磁構(gòu)件在周期性荷載和外磁場(chǎng)（如地磁場(chǎng)）的共同作用下，會(huì)在作用部位出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度以及自磁化增長(zhǎng)的現(xiàn)象。其中，ΔBr為殘余磁感應(yīng)量的變化，Δσ為周期性荷載變化，He為外磁場(chǎng)。

圖1 磁彈性效應(yīng)原理圖Fig.1 Magneto-elastic effect schematic diagram

鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度的變化與應(yīng)力或應(yīng)變等力學(xué)變量的變化密切相關(guān)的現(xiàn)象稱為磁機(jī)械效應(yīng)。鐵磁學(xué)研究表明，彈性應(yīng)力對(duì)鐵磁體不但產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發(fā)磁化方向。根據(jù)能量極小原理，當(dāng)鐵磁體受到外力作用時(shí)，鐵磁體內(nèi)磁化強(qiáng)度會(huì)在應(yīng)力作用下被迫改變方向以減少應(yīng)力能，應(yīng)力能表達(dá)式：

式中，λs表示材料的磁致伸縮系數(shù)；σ為應(yīng)力；θ為應(yīng)力方向與磁化方向的夾角。

當(dāng)金屬構(gòu)件受外力或者由于內(nèi)部缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)在微弱的地球磁場(chǎng)作用下發(fā)生自發(fā)磁化現(xiàn)象，產(chǎn)生磁極，以磁能的形式抵消部分應(yīng)力能，使總能量E趨于最小。并在此區(qū)域形成退磁場(chǎng)，使此處鐵磁體的磁導(dǎo)率最小，在其表面形成大大高于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的漏磁場(chǎng)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作荷載消除后依然保留，“記憶”著應(yīng)力集中和微觀缺陷的位置，即所謂的磁記憶效應(yīng)［7］。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)磁記憶機(jī)理模型

從磁記憶檢測(cè)原理可知，缺陷漏磁場(chǎng)是磁記憶檢測(cè)的基礎(chǔ)。鋼結(jié)構(gòu)與應(yīng)力有關(guān)的早期隱性損傷所形成的微觀缺陷，以裂紋類(lèi)缺陷為主。根據(jù)電磁學(xué)理論［8］，可將其簡(jiǎn)化為無(wú)限長(zhǎng)矩形槽，假定槽寬2b，深h，將裂紋壁上的磁荷等效為兩側(cè)均勻分布的兩條磁荷帶，即形成帶磁偶極子。其面密度為ρ，左右兩邊極性相反，采用等效帶偶極子模型模擬缺陷漏磁場(chǎng)。等效帶偶極子模型如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)微裂紋磁偶極子模型Fig.2 Steel structuremembermicro-crack magnetic dipolemodel

此時(shí)，槽壁上具有寬度為dη的面元上的磁荷載P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

式中，

它們的x及y分量為

通過(guò)積分疊加后可得總的磁場(chǎng)分量Hx、Hy為

式中，ρ為帶磁偶極子面密度；μ0為真空磁導(dǎo)率，均為常數(shù)。

根據(jù)式（4），運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于實(shí)際工程中，法向磁場(chǎng)信號(hào)比切向磁場(chǎng)更容易檢測(cè)到，僅對(duì)法向分量Hp（y）展開(kāi)數(shù)值模擬。取提離高度y＝1，由于系數(shù)不影響函數(shù)形狀，為簡(jiǎn)化問(wèn)題且作為定性研究，不對(duì)其參與賦值。則由缺陷造成的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量隨深度h和寬度b的分布曲線如圖3、圖4所示。

圖3 法向漏磁場(chǎng)隨深度分布曲線Fig.3 Leakage field distribution curve in normalwith different depth

圖4 法向漏磁場(chǎng)隨寬度分布曲線Fig.4 Leakage field distribution curve in normalwith differentwidth

在構(gòu)件含有微觀缺陷的部位即x＝0處，法向分量Hp（y）過(guò)零點(diǎn)且改變符號(hào)，以x＝0為中心對(duì)稱，并且具有較大的梯度。值得注意的是，裂紋深度與寬度的改變對(duì)磁記憶信號(hào)有一定的影響，隨裂紋深度的增加，法向磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，同時(shí)具有更大的峰值與梯度；隨裂紋寬度的增加，缺陷附近法向磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度減小，但具有更大的峰值。實(shí)際檢測(cè)中，可根據(jù)法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)及其梯度的變化情況，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)潛在的裂紋類(lèi)早期損傷的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行判斷并及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)部位，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)性脆性破壞。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法

為尋找構(gòu)件斷裂前潛在隱性損傷與法向磁場(chǎng)之間的關(guān)系，選用典型建筑用鋼Q235鋼材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究。試件中央檢測(cè)區(qū)域長(zhǎng)100 mm、寬30 mm、板厚10 mm，兩邊夾持部位與中央檢測(cè)區(qū)光滑過(guò)渡，用以保證拉斷位置處于中央檢測(cè)區(qū)，構(gòu)件形狀如圖5所示。以試件軸線b為對(duì)稱，等間距（間隔10 mm）劃上三條平行線，逐點(diǎn)檢測(cè)。試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)材料研究所的WAW-2000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，由計(jì)算機(jī)控制拉伸過(guò)程，如圖6所示。磁場(chǎng)信號(hào)采集設(shè)備選用高精度的WT10B型數(shù)字高斯計(jì)，精度0.01 mt。

圖5 試件形狀（單位：mm）Fig.5 Specimen shape（Unit：mm）

圖6 拉伸試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Tensile testingmachine

為了解構(gòu)件的力學(xué)性能，首先對(duì)該試件進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，得到Q235構(gòu)件的實(shí)際屈服荷載為90 kN，斷裂荷載為128.3 kN。選用3根試件1＃、2＃、3＃進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，彈性階段分0、30 kN、60 kN、90 kN四級(jí)加載，塑性階段分100 kN、110 kN、120 kN、128.3 kN四級(jí)加載。檢測(cè)過(guò)程中高斯計(jì)探頭緊貼構(gòu)件表面，以減小提離高度的影響。整個(gè)試驗(yàn)都在拉伸機(jī)上在線測(cè)量，使試件在各個(gè)階段處于同一外界環(huán)境，有效消除了外界環(huán)境的改變對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)所造成的影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

靜載拉伸過(guò)程中隨外加荷載的變化，同一試件三條測(cè)線的磁場(chǎng)信號(hào)表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，僅在數(shù)值上略有不同，每個(gè)試件僅選擇其中的一條b測(cè)量線進(jìn)行分析。圖7為各試件加載斷裂前的法向磁場(chǎng)信號(hào)隨荷載的變化情況。

施加軸向拉伸荷載后，三個(gè)試件均表現(xiàn)出良好的磁特性，出現(xiàn)唯一過(guò)零點(diǎn)位置。零值點(diǎn)左側(cè)HP（y）為負(fù)值，右側(cè)HP（y）為正值。由于未做消磁處理，構(gòu)件的初始磁信號(hào)并不為零，構(gòu)件兩端磁場(chǎng)信號(hào)值（絕對(duì)值）最大，這與樣品加工及夾持過(guò)程中端部被磁化有關(guān)。整個(gè)加載過(guò)程，法向磁場(chǎng)強(qiáng)度隨荷載的增加而緩慢增大，表明構(gòu)件的應(yīng)力集中程度逐漸增強(qiáng)。彈性階段內(nèi)，磁場(chǎng)信號(hào)較為平緩，與初始磁場(chǎng)信號(hào)曲線有較強(qiáng)的相似性；塑性階段，磁場(chǎng)強(qiáng)度在曲線中部有變陡峭的趨勢(shì)。

斷裂后三個(gè)試件的磁記憶曲線如圖8所示。斷裂處的磁化向量轉(zhuǎn)向與外應(yīng)力方向一致，試件內(nèi)各磁疇磁化強(qiáng)度相互疊加，致使該處法向磁場(chǎng)強(qiáng)度激增，同時(shí)其它區(qū)域磁疇磁化向量也發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，但遠(yuǎn)小于斷口處。試件拉斷后，原本貫穿于試件內(nèi)部的磁力線在斷口處中斷，使斷口兩側(cè)形成極性相反的兩個(gè)磁極，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線出現(xiàn)波峰與波谷現(xiàn)象。

圖7 不同荷載下構(gòu)件的磁記憶信號(hào)分布圖Fig.7 Magneticmemory signal distribution of specimens with different loads

從加載到最終斷裂，磁場(chǎng)強(qiáng)度零值線并不固定在一個(gè)位置，而是在一定范圍內(nèi)發(fā)生了漂移。隨著拉伸荷載的增加，過(guò)零點(diǎn)位置逐漸趨向于最終斷裂位置，在斷口處磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇改變，零值點(diǎn)位置與斷口位置一致。以試件1＃為例進(jìn)行說(shuō)明，整個(gè)加載過(guò)程中，零值線位置由零載時(shí)的x＝65 mm，30 kN時(shí)的x＝63mm逐漸向左靠攏，最終在x＝55mm左右位置斷裂，圖9為1＃試件斷裂前后對(duì)比圖。對(duì)比最后斷裂位置發(fā)現(xiàn)1＃試件受載后的最大漂移距離約為10 mm。另兩試件的最大漂移距離分別為11 mm、9 mm，綜合誤差10%左右。表明利用法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷危險(xiǎn)區(qū)的方法，對(duì)Q235鋼材有重要的指導(dǎo)意義。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行早期損傷判斷的一個(gè)重要依據(jù)就是提早發(fā)現(xiàn)潛在破壞區(qū)域，及時(shí)找出可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的時(shí)刻。針對(duì)塑性階段構(gòu)件的法向磁場(chǎng)有明顯變陡峭的變化，采用origin軟件的二階差分法對(duì)所提取的磁場(chǎng)強(qiáng)度值進(jìn)行微分，不同荷載下的曲線斜率即梯度K＝d HP（y）／d x的變化如圖10所示。

圖8 各試件斷裂后磁場(chǎng)分布圖Fig.8 Magneticmemory signal distribution of specimens after fracture

圖9 1＃試件斷裂前后對(duì)比Fig.9 omparison of specimen 1＃before and after fracture

圖10 不同荷載下各試件的磁場(chǎng)梯度分布圖Fig.10 Magnetic gradient distribution of specimens with different loads

圖11為試件斷裂后的梯度曲線，斷口處磁場(chǎng)梯度激增，形成明顯的波峰，在斷口位置有最大值。

圖11 各試件斷裂后磁場(chǎng)梯度分布圖Fig.11 Magnetic gradient distribution of specimens after fracture

三根試件梯度曲線雖然在數(shù)值上略有差別，但表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，每級(jí)荷載下，磁場(chǎng)梯度K在構(gòu)件兩端呈現(xiàn)較小值，在中間區(qū)域呈現(xiàn)較大值。隨荷載的增大，K值緩慢增加，在彈性范圍內(nèi)圖形比較接近，在強(qiáng)化階段梯度曲線出現(xiàn)明顯尖端，梯度峰值Kmax有很大突變。加載過(guò)程中Kmax逐漸向某一區(qū)域聚攏，最終出現(xiàn)在試件斷裂處。發(fā)現(xiàn)，Kmax位置同樣并非一一對(duì)應(yīng)著潛在破壞面，強(qiáng)化階段以前，梯度峰值點(diǎn)在破壞截面附近一定范圍內(nèi)較平緩地波動(dòng)；當(dāng)加載到110 kN試件進(jìn)入強(qiáng)化階段后，三個(gè)試件的梯度曲線均出現(xiàn)明顯尖端，梯度峰值突變，峰值點(diǎn)位置已很接近最終斷裂面。

以1＃試件為例進(jìn)行分析，在0～100 kN范圍內(nèi)，法向漏磁場(chǎng)梯度峰值Kmax都集中在0.004～0.0045 mt·mm－1左右，無(wú)較大波動(dòng)，峰值點(diǎn)位于x＝40mm附近。當(dāng)荷載加到110 kN、120 kN時(shí)，Kmax突變到0.005 5mt／mm、0.006 5mt／mm，出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，峰值點(diǎn)位于x＝50mm附近，與最終斷裂位置十分接近。試件最終斷裂荷載為128.3 kN，Kmax激增到0.14 mt／mm，峰值點(diǎn)位于x＝55 mm附近，與試件斷口發(fā)生位置高度吻合。觀察拉伸試驗(yàn)機(jī)所繪制的荷載-位移曲線圖12發(fā)現(xiàn)，試件在荷載加到110 kN已進(jìn)入強(qiáng)化階段并開(kāi)始逐漸進(jìn)入頸縮階段，表明此刻構(gòu)件即將破壞失效。

圖12 荷載-位移曲線Fig.12 Force-displacement curve

可根據(jù)梯度峰值迅速增強(qiáng)的突變時(shí)刻，作為構(gòu)件即將破壞前危險(xiǎn)時(shí)刻的判據(jù)；以Kmax位置對(duì)構(gòu)件失效前的潛在危險(xiǎn)面進(jìn)行補(bǔ)充判斷：峰值突變之前所對(duì)應(yīng)的位置可作為區(qū)域參考判據(jù)；峰值產(chǎn)生劇烈突變后所對(duì)應(yīng)的位置可作為確定性判據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）以金屬磁記憶基本原理為基礎(chǔ)，提出關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)微裂紋型隱性損傷的漏磁場(chǎng)模型，在含微觀缺陷的地方法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)，且梯度有最大值。

（2）以Q235建筑鋼試件為研究對(duì)象，分析了拉伸過(guò)程中磁場(chǎng)信號(hào)變化規(guī)律，表明受拉鋼構(gòu)件應(yīng)力變化與其磁記憶信號(hào)變化有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)及磁場(chǎng)梯度峰值位置可用于判斷構(gòu)件失效前的潛在破壞位置，Kmax突變時(shí)刻可用于判斷構(gòu)件危險(xiǎn)時(shí)刻。

（3）鋼構(gòu)件裂紋的深度與寬度改變對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的變化有一定影響關(guān)系，尚需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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Identification M echanism and Experiment of M etal M agnetic M emory in Steel Structure Imp licit Damage Testing

WANGWei FAN Hao*YANGWeisheng LIU Jing
（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Based on themechanism ofmetalmagnetic memory testing，the early micro crac damage ofmagnetic memory testingmodel for building steel structure are proposed.The magnetic memory effect of typical structure steel Q235-steel under static-load were studied，and magnetic field signal of different loading stages weremeasured byWT10B digital gaussmeter.The results show that there are some correlation relationship between the normalmagnetic field and the loads.The normalmagnetic field intensity and the gradient can be used to locate hazardous area of specimens，the dangerousmoment can be judged by the maximum magnetic field gradient.The research indicate that themagneticmemory testing is an effectivemethod for diagnosing the early implicit damage of building steel structure.

steel structure，metalmagneticmemory，implicit damage，physicalmechanism model，tensile experiment

2013－09－02

陜西省教育廳自然科學(xué)基金（12JK0913），國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51478383）。*聯(lián)系作者，Email：hao66880＠126.com