門式剛架工字鋼柱應(yīng)力集中與磁記憶效應(yīng)對(duì)應(yīng)關(guān)系的試驗(yàn)研究

蘇三慶，葛 靜，王 威，郭 歡，李 成，胡敬余

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

單層門式剛架由于具有重量輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高、施工周期短、結(jié)構(gòu)布置靈活、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為近些年來(lái)發(fā)展、應(yīng)用比較迅速的一種建筑結(jié)構(gòu)形式.但門式剛架結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的構(gòu)造和受力復(fù)雜，在服役過(guò)程中遭受循環(huán)荷載、自然災(zāi)害、人為原因等各種因素的作用，不可避免地產(chǎn)生應(yīng)力集中等隱性損傷，從而威脅整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全和正常使用[1].磁性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)鐵磁材料比較廣泛的一種技術(shù)，其中金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種新興的弱磁性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以根據(jù)鐵磁材料在地磁場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的磁信號(hào)檢測(cè)評(píng)估鐵磁材料的應(yīng)力集中，由于應(yīng)力集中狀態(tài)常常和隱性損傷相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而用于宏觀缺陷發(fā)現(xiàn)之前階段的早期損傷診斷.該方法的原理是鐵磁性材料構(gòu)件在工作載荷和地磁場(chǎng)的激勵(lì)作用下，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域磁疇組織會(huì)發(fā)生定向和不可逆的重新取向，從而在該部位產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，其法向分量過(guò)零點(diǎn)且具有較大梯度值，水平分量則具有最大值.根據(jù)通檢測(cè)的鐵磁構(gòu)件表面的漏磁場(chǎng)信號(hào)分布情況，可以準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中或缺陷[2-5].

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是1997年在美國(guó)舊金山舉行的第50屆國(guó)際焊接學(xué)術(shù)會(huì)議上，由俄羅斯學(xué)者Doubov正式提出.由于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，它在損傷評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性一直受到密切關(guān)注，基于磁記憶現(xiàn)象的理論與應(yīng)用研究非?；钴S[2].文獻(xiàn)[6]對(duì)材性板件進(jìn)行了拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的研究.文獻(xiàn)[7]對(duì)試件進(jìn)行了不同拉壓荷載作用下的研究.文獻(xiàn)[8]對(duì)焊接試件進(jìn)行了三點(diǎn)受彎狀態(tài)下的研究.文獻(xiàn)[9]對(duì)不同焊縫的磁記憶特征進(jìn)行了研究.然而，磁記憶檢測(cè)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中壓彎構(gòu)件的應(yīng)用卻少有研究.本文通過(guò)對(duì)Q235鋼材的單層門式剛架進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，在無(wú)側(cè)向支撐的情況下，門式剛架中工字形鋼柱受力狀態(tài)復(fù)雜，且受焊縫等初始缺陷的影響，易提前進(jìn)入屈服甚至破壞，通過(guò)對(duì)規(guī)定路徑上的漏磁場(chǎng)法向分量值的采集，可以得到不同應(yīng)力狀態(tài)下的檢測(cè)線磁信號(hào)的變化規(guī)律，研究了工字鋼柱的磁信號(hào)法向分量和特征參量K隨應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)而建立磁信號(hào)與建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位的表征關(guān)系.利用磁記憶信號(hào)表征鋼結(jié)構(gòu)鐵磁材料的應(yīng)力狀態(tài)，為金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)提供定量評(píng)估和安全預(yù)警的理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為常用的Q235鋼，其力學(xué)性能和化學(xué)組成如表1所示.

表1 Q235低碳鋼力學(xué)性能

在工廠利用線切割技術(shù)將工字鋼柱尺寸加工為1 080 mm，截面尺寸為300 mm×120 mm×10 mm×12 mm.考慮實(shí)際應(yīng)用，而且構(gòu)件尺寸較大，所以沒有對(duì)構(gòu)件進(jìn)行退磁處理.試驗(yàn)前將門式剛架的梁柱用螺栓拼接，并按設(shè)計(jì)在各構(gòu)件正面畫好檢測(cè)線和檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)線和檢測(cè)點(diǎn)如圖1所示.

圖1 試件尺寸及檢測(cè)線和檢測(cè)點(diǎn)的位置(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本門式剛架的擬靜力加載設(shè)備是MTS液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，其主要的技術(shù)參數(shù)是：最大試驗(yàn)力為1 000 kN,試驗(yàn)力試值相對(duì)誤差≤±1%，試驗(yàn)力測(cè)范圍為最大試驗(yàn)力的6%～100%，如圖2所示.磁記憶信號(hào)檢測(cè)設(shè)備是EMS2003磁記憶檢測(cè)儀，其主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)量通道數(shù)：8個(gè)，最小測(cè)距：1 mm，檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：100組.

圖2 MTS液壓伺服試驗(yàn)機(jī)

本試驗(yàn)為了更好地觀察不同受力階段的磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，采取分級(jí)加載的方式，結(jié)構(gòu)加載的等級(jí)為：0 kN、60 kN、90 kN、120 kN、150 kN、180 kN、210 kN、240 kN、270 kN、300 kN、330 kN、360 kN、390 kN、420 kN、450 kN，加載到450 kN時(shí)剛架位移135 mm，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一端鋼柱開始進(jìn)入屈服，此時(shí)采取位移控制，按一倍屈服位移135 mm循環(huán)加載三次,下一級(jí)按1.5倍屈服位移循環(huán)加載，但加載到18.8 mm時(shí)整個(gè)門式剛架失穩(wěn).在試驗(yàn)過(guò)程中，加載設(shè)備達(dá)到預(yù)先設(shè)定的加載等級(jí)后，在保載的情況下檢測(cè)磁記憶信號(hào)，并觀察結(jié)構(gòu)的變化.測(cè)量前，將檢測(cè)設(shè)備初始化，把初始值校正到0 A/m.文獻(xiàn)[2]指出探頭提離值的大小會(huì)直接影響磁記憶信號(hào)的幅值，為了使檢測(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確，將筆式探頭垂直并且緊貼試件的表面，保證提離值恒為零.檢測(cè)時(shí)，按照檢測(cè)線從左到右的順序，檢測(cè)點(diǎn)從上到下的順序，步距為5 mm.磁記憶檢測(cè)技術(shù)是利用鐵磁材料自身的弱磁信號(hào)，容易受到周圍環(huán)境的影響而不穩(wěn)定，所以每次檢測(cè)都在相同的環(huán)境下進(jìn)行，并且保證每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)至少檢測(cè)3次，直至得到穩(wěn)定的磁信號(hào)，以減小誤差.

2 試驗(yàn)結(jié)果

工字鋼柱翼緣受力較大，選取遠(yuǎn)離作動(dòng)器一端柱子翼緣內(nèi)側(cè)的一條檢測(cè)線研究.

2.1 翼緣部位的磁信號(hào)和應(yīng)力的關(guān)系

結(jié)構(gòu)加載之前，沿檢測(cè)線測(cè)量工字鋼柱表面的初始漏磁信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，因?yàn)槲催M(jìn)行去應(yīng)力退火處理，且構(gòu)件加工、拼裝、焊接過(guò)程中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，鋼柱內(nèi)部磁疇的取向不具有一定的規(guī)律性，所以初始時(shí)構(gòu)件表面的漏磁信號(hào)分布不均勻.在25 cm處出現(xiàn)峰值，表明在此處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力.

圖3 初始荷載下的Hp(y)值(單位:A·m-1)

圖4 初始不同荷載下的Hp(y)值(單位:A·m-1)

圖4為初始階段、彈性階段和塑性階段鋼柱翼緣表面法向分量的分布曲線.彈性階段，各曲線形狀相似且數(shù)值接近，但與初始階段相比，檢測(cè)線0～45 cm范圍內(nèi)的磁信號(hào)與初始磁信號(hào)走向基本一致，在25 cm處出現(xiàn)極值點(diǎn)，這表明這一部分整體受力較均勻，25 cm位置處的初始缺陷造成應(yīng)力集中；而從45 cm位置處開始，彈性階段磁信號(hào)相比初始磁信號(hào)發(fā)生很大變化，Hp(y)沿檢測(cè)線方向由負(fù)變?yōu)檎?，這是由于鋼柱在此范圍內(nèi)受力相對(duì)較大，在應(yīng)力和地磁場(chǎng)的共同作用下，鋼柱的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生了不均勻的漏磁場(chǎng)，磁信號(hào)發(fā)生變化.

屈服時(shí)，0～45 cm范圍內(nèi)磁信號(hào)曲線與屈服前相似，在25 cm處極值達(dá)到最大，但Hp(y)值增加了1.6倍，這是因?yàn)殍F磁體在外力作用下，磁晶體內(nèi)產(chǎn)生了很高的應(yīng)力能.此時(shí)，根據(jù)“實(shí)際存在的狀態(tài)必定是能量最小的狀態(tài)”原則，為了使總的自由能最小，鋼柱內(nèi)部將發(fā)生磁疇組織的重新取向，磁化強(qiáng)度提高.由此，Hp(y)值的1.6倍大幅增加可以判斷構(gòu)件進(jìn)入屈服.45～80 cm范圍內(nèi)，曲線形狀相似且值接近，卻在65 cm位置處出現(xiàn)一個(gè)跟彈性階段反向的波峰，這是由于連接鋼柱翼緣與加勁肋的焊縫存在，殘余應(yīng)力大，提前進(jìn)入屈服.塑性階段，0～45 cm范圍內(nèi)磁信號(hào)曲線較屈服時(shí)形狀相似，但值小很多，這是因?yàn)樗苄宰冃问沟娩撝鶅?nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)，位錯(cuò)對(duì)磁疇有釘扎作用，磁疇的有序排列受到阻礙，從而磁化強(qiáng)度有所降低.45～80 cm處，曲線與屈服時(shí)一致，在65 cm處形成反向波峰，與試驗(yàn)中局部屈曲部位一致，因此，磁信號(hào)在65 cm處形成的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以判斷鋼柱的應(yīng)力集中部位.

鋼柱上半段較下半段出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，主要是因?yàn)樯舷聝啥问芰Σ煌?，上半段受力均勻，因而磁疇組織排列有序均勻，所以磁信號(hào)較捏攏.下半段較上半段離散，下半段受力不均，磁疇組織無(wú)規(guī)律的移動(dòng)使得磁信號(hào)分離.

在地磁場(chǎng)和外力作用下，鐵磁材料對(duì)外顯示的是一種微弱磁性的磁信號(hào)，極易受到初始缺陷和外界的干擾，但對(duì)鐵磁材料自身的缺陷和損傷也更敏感，所以利用Hp(y)值可以很準(zhǔn)確的判斷應(yīng)力集中部位.

2.2 磁記憶信號(hào)梯度值和應(yīng)力的關(guān)系

為了更好的對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行判斷，對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行微分，可以有效的排除外界恒定磁場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾.本文用K=dHp(y)/dx表示磁信號(hào)法向分量的梯度值，得到梯度值與應(yīng)力的關(guān)系曲線.

圖5 不同荷載下K值的變化

圖5為鋼柱初始階段、彈性階段、屈服階段和塑性階段的磁信號(hào)梯度曲線.從圖中可以看出各階段磁信號(hào)梯度值曲線基本一致，在30 cm和70 cm處出現(xiàn)峰-峰值，與試件的應(yīng)力集中部位存在一定偏差，這是因?yàn)镠p(y)在25～30 cm之間比較穩(wěn)定，此區(qū)間內(nèi)應(yīng)力集中范圍較廣，梯度值的極值可能會(huì)延后.因此，磁信號(hào)法向分量梯度極值點(diǎn)不能準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中部位，但是偏差不大.與實(shí)際應(yīng)力集中部位比較，用磁信號(hào)法向分量Hp(y)的極值判斷更準(zhǔn)確，對(duì)應(yīng)的磁信號(hào)梯度值偏離不大，可以輔助判斷應(yīng)力集中部位.在無(wú)側(cè)向支撐的情況下，門式剛架中工字形鋼柱受力狀態(tài)復(fù)雜，且受焊縫等初始缺陷的影響，易提前進(jìn)入屈服甚至破壞，磁記憶檢測(cè)技術(shù)通過(guò)提供一種簡(jiǎn)便的無(wú)損檢測(cè)手段，可以很好地通過(guò)磁信號(hào)及磁信號(hào)特征參量對(duì)鐵磁構(gòu)件進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè).

3 結(jié)論

(1)Hp(y)是一種微弱磁信號(hào),對(duì)鐵磁材料自身的應(yīng)力集中和缺陷很敏感，用Hp(y)的極值和反轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中部位和缺陷；而且Hp(y)值增加1.6倍時(shí)可以很好的判斷構(gòu)件進(jìn)入屈服.

(2)磁信號(hào)梯度值K的極值與應(yīng)力集中和缺陷部位存在小偏差，可以輔助Hp(y)對(duì)應(yīng)力集中和缺陷部位進(jìn)行判斷.

(3)門式剛架中柱的受力狀態(tài)復(fù)雜，上下兩段的磁信號(hào)規(guī)律不完全相同，上段捏攏下段離散，表明鋼柱上下兩段受力不同，上段受力均勻，下段受力不均.