基于金屬磁記憶技術(shù)的鋼筋應(yīng)力無損檢測試驗

馬惠香, 周建庭, 趙瑞強(qiáng), 辛景舟, 李志剛

(1. 重慶工商大學(xué)融智學(xué)院, 重慶 401320; 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 3. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400074; 4. 招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067)

橋梁是促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)、科技等綜合國力的重要體現(xiàn).截止2016年底,我國建成的公路橋梁總數(shù)已經(jīng)達(dá)到80.53萬座[1].然而,隨著交通的快速發(fā)展和交通量的迅猛增長,公路橋梁超載、超重問題日益嚴(yán)重,橋梁自身的自然老化問題日益突出,大量橋梁處于亞健康或危險狀態(tài).既有橋梁的安全運(yùn)營情況、承載能力的評估及其維修加固已成為各國學(xué)者研究關(guān)注的焦點(diǎn)[2].而鋼筋損傷作為影響橋梁承載能力的主要因素,及時、準(zhǔn)確掌握橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋應(yīng)力工作狀態(tài),對于橋梁的安全性能評估及其后期加固、維修具有重大意義.已有的檢測方法主要依賴于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞性的應(yīng)力釋放[3],如斷筋法[4]、貼片法[5]和削面法[6],上述方法不可避免地造成構(gòu)件不同程度的損傷與破壞.

金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種利用金屬磁記憶效應(yīng)來檢測部件應(yīng)力集中部位的快速無損檢測方法[7-8].該技術(shù)無需破壞構(gòu)件便能夠直接對鐵磁性構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行診斷,是一種新的無損檢測手段[9],且不同于其他傳統(tǒng)漏磁技術(shù),該技術(shù)的激勵磁場即為地磁場,不需要外加激勵磁場便能夠進(jìn)行相應(yīng)檢測[10-12],漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度不會隨著荷載的卸載而消失.

金屬磁記憶技術(shù)具有方便、快捷省時和機(jī)制簡單的特點(diǎn),被廣泛運(yùn)用于飛機(jī)起落架、渦輪葉片、油氣管道等承力結(jié)構(gòu)件的損傷檢測[13-14],尚未應(yīng)用于橋梁的鋼筋損傷檢測.因此,結(jié)合金屬磁記憶的優(yōu)勢,本研究將金屬磁記憶技術(shù)與橋梁鋼筋應(yīng)力檢測結(jié)合起來,通過研究橋梁鋼筋應(yīng)力和試件磁感應(yīng)強(qiáng)度間的關(guān)系,分析應(yīng)力對試件磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測的影響,提出基于金屬磁記憶技術(shù)的鋼筋應(yīng)力檢測的新技術(shù)、新方法.

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗儀器

試驗用磁記憶掃描儀器為本課題組自主研發(fā)的基于金屬磁記憶技術(shù)的三維掃描檢測裝置,如圖1所示.

圖1 金屬磁記憶掃描裝置

三維檢測裝置是由3條機(jī)械軸和高靈敏度的磁傳感器組成的自動化掃描平臺.磁傳感器采用由Honey well公司研制的HMR2300三軸智能數(shù)字磁力計(量程為±2×10-7T，分辨率為6.7×10-9T),同時輸出x,y和z等3個方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量,可以用3個獨(dú)立的橋路定向檢測磁場x,y和z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量.具體方向如圖2所示.

圖2 HMR 2300方向指示圖

磁通量強(qiáng)度的Bx分量被定義為切向磁感應(yīng)強(qiáng)度,傳感器與試件間距離被定義為提離高度.本試驗中,主要設(shè)定磁記憶傳感器在被測鋼筋正上方沿x方向平行移動,通過不同提離高度,檢測鋼筋外側(cè)不同位置的切向磁感應(yīng)強(qiáng)度.在室溫條件下采用WAW-1000微機(jī)電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行短鋼筋試件的加載,最大試驗力為1 000 kN.

1.2 試件選取

本試驗選用光圓鋼筋作為研究對象,單根試件直徑為14 mm,長度為800 mm,有效掃描檢測長度為400 mm(以鋼筋左端為原點(diǎn),掃描范圍為250～650 mm).

圖3為鋼筋拉伸過程中位移-荷載曲線.根據(jù)鋼筋拉伸破壞全過程曲線,把試驗過程分為原始狀態(tài)、彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮斷裂等5個階段,分別標(biāo)記為①,②,③,④和⑤.圖3中紅色圓點(diǎn)表示每個階段達(dá)到的荷載值.選取5組鋼筋,每組鋼筋分別對應(yīng)不同的受力階段.為了提高試驗數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,每組鋼筋選取4根鋼筋試件進(jìn)行試驗.

圖3 鋼筋拉伸過程中位移-荷載曲線

由于工程應(yīng)用中,鋼筋均是包裹于混凝土之中,承受一定的包裹力,為了研究外包混凝土對試驗結(jié)果的影響,本研究對荷載作用后的鋼筋再次進(jìn)行外包混凝土,進(jìn)一步對外包混凝土后試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了研究.外包混凝土為工程實際中常用的C40混凝土.

1.3 試驗開展

試件拉伸前,利用金屬磁記憶三維掃描裝置，對5組鋼筋試件分別進(jìn)行初始狀態(tài)下的磁信號平行掃描檢測,測量試件的初始漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度,以作為比對.

對初始狀態(tài)鋼筋試件掃描檢測后,利用WAW-1000微機(jī)電液伺服萬能試驗機(jī),對5組鋼筋試件分別進(jìn)行① 原始狀態(tài)、② 拉伸至彈性階段、③ 拉伸至屈服階段、④ 拉伸至強(qiáng)化階段和⑤ 拉伸至頸縮斷裂等相應(yīng)的拉伸處理.然后再次利用金屬磁記憶三維掃描裝置對各階段試件進(jìn)行相應(yīng)拉伸狀態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度平行掃描檢測.

掃描時,利用金屬磁記憶三維掃描裝置進(jìn)行單通道(x通道)掃描,試件南北放置,掃描時確保磁記憶傳感器沿x通道行走方向與被測鋼筋試件南北放置方向一致,進(jìn)行平行掃描;同時對掃描程序進(jìn)行設(shè)定:在提離高度分別為20,40,60,80,100和120 mm高度處,沿x通道以50 mm·min-1的速度進(jìn)行掃描,從試件x=250 mm處掃描至試件x=650 mm處,每0.1 s采集一次試驗數(shù)據(jù).具體的平行掃描檢測方式如圖4所示.

分別對加載至彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段等4個受力階段后的卸載狀態(tài)鋼筋試件及外包混凝土試件進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度測量,獲取切向磁感應(yīng)強(qiáng)度.

圖4 平行掃描檢測方式示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

通過對比不同應(yīng)力階段試件的磁記憶掃描檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),每一組4根試件試驗結(jié)果顯示出相同的變化趨勢.圖5為頸縮階段4根試件試驗結(jié)果比較.由圖5可知,頸縮階段4根試件的試驗結(jié)果表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性,說明檢測信號具有良好的可重復(fù)性和可靠性.因此,后面僅以每組鋼筋內(nèi)的一根試件加以分析說明.同時,限于篇幅,本研究僅對切向分量磁信號磁感應(yīng)強(qiáng)度—鋼筋掃描位置(Bx-x)數(shù)據(jù)曲線的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行探討.

對每一應(yīng)力階段、不同提離高度的磁信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,分析結(jié)果如圖6所示.圖6為鋼筋試件在每一應(yīng)力階段、磁傳感器不同提離高度時,鋼筋表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx隨探頭掃描位置x變化的關(guān)系曲線.由圖6可知:在彈性階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線斜率幾乎為0,隨提離高度增加,信號逐漸減弱,而磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線也逐漸接近于背景磁場線;在屈服階段,曲線斜率是相同的,且曲線幅值相對于彈性階段整體增大,同時曲線更接近背景磁場;當(dāng)應(yīng)力增加到強(qiáng)化階段,出現(xiàn)不同提離高度的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線疊加現(xiàn)象,且曲線貼近于背景磁場線,由此可以區(qū)別于其他階段;在頸縮階段,鋼筋頸縮斷裂部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線發(fā)生畸變,由此可以識別頸縮階段.

為進(jìn)一步分析混凝土對試驗結(jié)果的影響,對不同應(yīng)力階段下的外包混凝土試件進(jìn)行相同的磁記憶掃描檢測.圖7為外包混凝土試件不同應(yīng)力階段、不同提離高度磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx隨掃描位置x變化的關(guān)系曲線.由圖6，7可知,鋼筋外包混凝土前后掃描檢測的結(jié)果表現(xiàn)出很大的相似性.

分別對比圖6b和圖7b、圖6c和圖7c可知:由于混凝土保護(hù)層的存在,導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線也不同;相對于未包裹混凝土試件,包裹混凝土試件各個受力階段的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線不是很光滑,曲線呈多個小峰模式,且曲線的絕對幅值整體增大.比較圖6b,7b可知,外包混凝土后,屈服階段的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出相匯于背景磁場線的趨勢,由此可以識別屈服階段.比較圖6c,7c可知,外包混凝土后強(qiáng)化階段試件磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線出現(xiàn)反向波峰,由此可以識別鋼筋強(qiáng)化階段.

圖5 頸縮階段4根試件試驗結(jié)果比較

圖6 無外包混凝土試件Bx-x關(guān)系曲線

導(dǎo)致這些不同結(jié)果的原因主要是外包混凝土后,鋼筋與混凝土包裹在一起,鋼筋承受一定的混凝土包裹力;同時,混凝土由于收縮會產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力,鋼筋與混凝土共同承擔(dān)的收縮應(yīng)力導(dǎo)致了鋼筋應(yīng)力不均勻的增大,進(jìn)一步導(dǎo)致外包混凝土試件磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線的絕對幅值整體增大.在綜合因素作用下,導(dǎo)致掃描檢測的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線的波折性.

此外,隨著磁探頭與鋼筋試件間提離高度的增大,磁感應(yīng)強(qiáng)度會相對變?nèi)?但磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線所表現(xiàn)的重合于背景磁場線、畸變情況仍然清晰可辨,依然可以識別鋼筋的不同受力階段.

設(shè)計使用年限為50 a的混凝土結(jié)構(gòu),最外層鋼筋的保護(hù)層厚度在三 b環(huán)境類別下應(yīng)不小于50 mm[15].另外,由于混凝土和空氣的磁導(dǎo)率相同,不會影響磁信號的傳播和檢測.因此,基于金屬磁記憶技術(shù)的鋼筋應(yīng)力檢測方法在橋梁檢測工程中具有重要的應(yīng)用推廣價值.

圖7 外包混凝土試件Bx-x關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)應(yīng)力處于彈性階段時,磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線斜率為0;應(yīng)力增加至屈服階段時,磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線的幅值相對于彈性階段增大;在強(qiáng)化階段,不同提離高度的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線幅值均大于彈性和屈服階段,且與背景磁場線重疊;頸縮階段的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線發(fā)生畸變,在頸縮處達(dá)到最大值.

2) 鋼筋外包混凝土后,磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線絕對幅值整體增大,磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線所表現(xiàn)的重合于背景磁場線、畸變情況仍然清晰可辨,可以識別鋼筋不同受力階段,對試驗結(jié)果無較大影響.

3) 鋼筋試件不同受力階段的磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測結(jié)果表明:磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線能夠定性表征鋼筋的受力狀態(tài),操作簡單,具有很好的工程實踐應(yīng)用和推廣的價值.

4) 金屬磁記憶技術(shù)在較大的提離高度時仍能檢測出相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度.

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