殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫的應(yīng)用

朱 飛，尹東亞，陸榮偉，高 科

隨著焊接工藝、焊接技術(shù)、焊接設(shè)備等研究的深入和發(fā)展，焊縫的性能逐步提升到更加接近母材。焊接技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在制造工廠的板單元制造、節(jié)段拼裝和橋位現(xiàn)場(chǎng)拼裝的流水作業(yè)，有效地提高了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的制造效率，縮短了橋梁建造周期。由于鋼結(jié)構(gòu)焊縫工藝在焊縫區(qū)域需要經(jīng)歷溫度的升高降低和相變的影響，鋼結(jié)構(gòu)焊縫中不可避免地存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會(huì)限制焊縫的變形能力和力學(xué)性能，從而影響整個(gè)構(gòu)件的尺寸、性能及使用壽命。闡述殘余應(yīng)力檢測(cè)方法研究情況，橋梁鋼結(jié)構(gòu)沉井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造工藝，探頭了超聲檢測(cè)方法在沉井結(jié)構(gòu)焊縫的殘余應(yīng)力檢測(cè)的適用性和有效性。

1 殘余應(yīng)力檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀

殘余應(yīng)力是由于材料的制備及加工后在材料中殘留的附加應(yīng)力，對(duì)材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、使用壽命等方面均有一定程度的影響，尤其是現(xiàn)場(chǎng)大型焊接件，無法或很難采用整體消除殘余應(yīng)力的方法，局部消除殘余應(yīng)力方法的實(shí)施效果需要有效性的檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

殘余應(yīng)力常用的檢測(cè)方法有鉆孔法、射線檢測(cè)、磁性檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等。鉆孔法一般是在試件表面鉆取小直徑盲孔，通過釋放盲孔缺失區(qū)域的殘余應(yīng)變，再測(cè)量盲孔區(qū)域應(yīng)變的變化情況進(jìn)行應(yīng)力的計(jì)算。小直徑盲孔法是一種局部破壞性檢測(cè)方法，但其測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確且對(duì)構(gòu)件的損傷相對(duì)較小，已成為構(gòu)件殘余應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

殘余應(yīng)力的射線檢測(cè)法，其原理是通過測(cè)定X射線在物質(zhì)內(nèi)的衍射現(xiàn)象來計(jì)算殘余應(yīng)力。當(dāng)金屬材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力時(shí)，其微觀尺度的晶格排列及間距將發(fā)生一定的變化，從而導(dǎo)致X射線產(chǎn)生的布拉格效應(yīng)產(chǎn)生變化且其變化程度與殘余應(yīng)力有關(guān)，通過測(cè)量出的衍射角計(jì)算出對(duì)應(yīng)方向的殘余應(yīng)力。劉柏清等采用X射線衍射法對(duì)大型起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)部件常用的Q345平板對(duì)接試樣進(jìn)行測(cè)試分析，焊縫中心為殘余拉應(yīng)力，從焊縫的熔合區(qū)到熱影響區(qū)其殘余拉應(yīng)力值逐漸減小，融熔合線處的殘余應(yīng)力梯度較大，由焊縫熱影響區(qū)到母材其殘余應(yīng)力進(jìn)一步降低并呈壓應(yīng)力狀態(tài)，焊縫熔合區(qū)的金屬在電弧加熱作用下膨脹擠壓焊縫附近母材使其處于壓應(yīng)力狀態(tài)，在焊后冷卻階段焊縫熔合區(qū)的金屬隨著溫度降低產(chǎn)生收縮變形從而使得熔合區(qū)處于拉應(yīng)力狀態(tài)，由焊縫熔合區(qū)到熱影響再到母材，由拉應(yīng)力狀態(tài)變化到壓應(yīng)力狀態(tài)。由于焊縫熔合區(qū)的殘余應(yīng)力變化梯度大，是影響其構(gòu)件性能及使用壽命的重要影響因素。何山等分析了采用X射線衍射法進(jìn)行Q235B焊縫殘余應(yīng)力檢測(cè)的結(jié)構(gòu)及表面處理方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響因素分析。圓筒環(huán)形對(duì)接焊縫的結(jié)構(gòu)因素包括焊縫寬度、厚度、直徑等，并研究了電動(dòng)打磨、手工打磨、電化學(xué)腐蝕等表面處理方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，電動(dòng)打磨勞動(dòng)強(qiáng)度低效率高，但會(huì)破壞試件表面的殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力區(qū)域；手工打磨勞動(dòng)強(qiáng)度大對(duì)構(gòu)件影響較小，但也會(huì)增加試件殘余壓應(yīng)力但手工打磨方向一致時(shí)可改善試件表面殘余壓應(yīng)力的影響；電化學(xué)腐蝕殘留的電解質(zhì)能與母材形成無殘余應(yīng)力的組織，電化學(xué)腐蝕后的拋光不完整會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力值減小，且試件表面殘余應(yīng)力隨著腐蝕深度的增加呈減小趨勢(shì)。李磊等闡述在役特種設(shè)備球形儲(chǔ)罐壓力容器焊縫的殘余應(yīng)力檢測(cè)的重要性，焊縫的殘余應(yīng)力檢測(cè)可避免裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展從而提升球形儲(chǔ)罐的使用安全性。在役焊縫的殘余應(yīng)力檢測(cè)需要去除表面涂裝或銹蝕層后方可進(jìn)行基體檢測(cè)，以與球形儲(chǔ)罐材質(zhì)及板厚相同的平板對(duì)接試塊試樣進(jìn)行涂裝/銹蝕層打磨、拋光及檢測(cè)工藝探索，采用機(jī)械方式去除涂裝層和銹蝕層至露出金屬光澤，由于表面涂裝層和銹蝕層的機(jī)械去除方式會(huì)產(chǎn)生附加表面壓應(yīng)力，需要采用電解拋光的方式去除附加壓應(yīng)力區(qū)域。通過幾種表面涂裝或銹蝕層的處理方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的定量分析對(duì)比，采用千頁片和砂輪機(jī)打磨具有較小附加壓應(yīng)力層，選擇合適的探頭距離和探頭角度獲得完整的德拜環(huán)，從而保證殘余應(yīng)力測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

徐春廣等人設(shè)計(jì)了基于臨界折射縱波的殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)法，采用發(fā)射探頭激發(fā)臨界折射縱波、接收探頭接收的信號(hào)來檢測(cè)殘余應(yīng)力場(chǎng)。其原理是縱波波速的變化與材料內(nèi)部應(yīng)力值呈線性關(guān)系，縱波波速隨壓應(yīng)力增大而增加、隨拉應(yīng)力增大而減小，但殘余應(yīng)力差異引起的縱波聲速變量太小而較難測(cè)量，臨界折射縱波對(duì)其傳播方向的殘余應(yīng)力較為敏感。通過對(duì)C形應(yīng)力試樣的檢測(cè)結(jié)果表明了殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)方法的有效性。以不同材質(zhì)的金屬材料拉伸試驗(yàn)下的應(yīng)力變化規(guī)律，進(jìn)行非線性超聲特性研究。采用超聲橫波、縱波相結(jié)合的方法研究了螺栓軸向拉伸的殘余應(yīng)力變化。殘余應(yīng)力的本質(zhì)是晶格彈性畸變，而晶格彈性畸變很大程度上是由晶格之間的約束力引起的，高能超聲提供金屬內(nèi)部質(zhì)元的能量大于晶格之間的約束力的勢(shì)能時(shí)，金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力將得以釋放。徐春廣等建立了高能超聲殘余應(yīng)力調(diào)控系統(tǒng)，對(duì)西氣東輸?shù)墓艿赖沫h(huán)焊縫和縱焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)及消減，提高了服役機(jī)械構(gòu)件整體強(qiáng)度、抗疲勞和耐腐蝕能力，增加了管道的使用壽命、安全性和可靠性。

2 常泰長江大橋及沉井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常泰長江大橋位于江陰大橋上游和泰州大橋下游，連接常州與泰興，是一座集高速公路、一級(jí)公路和城際鐵路的公鐵兩用鋼桁架斜拉橋。傳統(tǒng)的公鐵兩用橋梁一般采用公路在上、鐵路在下的雙層方案，如南京長江大橋、滬蘇通長江大橋、五峰山長江大橋等，常泰長江大橋采用了雙層非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，上層為高速公路、雙向6車道方案，下層的下游側(cè)為雙向4車道的一級(jí)公路、上游側(cè)為兩線并行的城際鐵路方案。常泰長江大橋主跨度為1176m，是在建橋梁中跨度最大的公鐵兩用斜拉橋，其橋塔的設(shè)計(jì)及建造的困難傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和工法無法滿足，主航道斜拉橋橋塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁+沉井相結(jié)合的方式。

由于橋梁的設(shè)計(jì)荷載較大，常泰長江大橋斜拉橋主跨的橋塔墩基礎(chǔ)曾對(duì)比了鉆孔樁、鋼管樁和沉井三種方案的適用性和經(jīng)濟(jì)性，鉆孔樁基礎(chǔ)需要227根直徑為2.5m的鉆孔樁，其承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到了99m長、81.6m寬，近百米的承臺(tái)尺寸，河床沖刷作用大，且承臺(tái)下河床沖刷深度的影響因素多波動(dòng)性大，難以進(jìn)行沖刷程度的檢測(cè)及修復(fù)。若采用常規(guī)的沉井基礎(chǔ)，其截面尺寸為92.9m長、54.2m寬，在沉井于橋塔連接處的承臺(tái)是一個(gè)平面大尺寸的厚壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大量的工程實(shí)踐表明，大尺寸后壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響因素多，容易開裂，而有效的抑制開裂的方式是減小截面尺寸。采用常規(guī)的沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案將會(huì)導(dǎo)致沉井基礎(chǔ)的尺寸巨大，橋梁基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沉井尺寸越大、壁厚越大，則澆筑的大體積混凝土受到影響因素越多出現(xiàn)開裂的可能也越大。同時(shí)鋼沉井尺寸越大，其下沉施工的難度也越大，沉井的埋深還受局部沖刷深度和持力層的影響，沉井沖刷是水流遇到障礙物從產(chǎn)生，長江的水流深度及流速均較大，水流沖刷也限制了沉井尺寸不能太大。通過綜合對(duì)比研究采用了鉆孔灌注樁和沉井相結(jié)合的橋塔基礎(chǔ)。沉井的截面均采用跑道形設(shè)計(jì)，即在水流的上游和下游均采用圓弧形設(shè)計(jì)、與水流平行方向采用矩形設(shè)計(jì)，既使得沉井具有較高的抗水流沖刷能力，又能具有較好的抗水壓承載力，使得沉井結(jié)構(gòu)具有較高的承載力和穩(wěn)定性，跑道形結(jié)構(gòu)使得沉井在著床、浮運(yùn)過程中，水流的流場(chǎng)變化對(duì)沉井的縱向和橫向水流力影響較小。

綜合常泰長江大橋的設(shè)計(jì)載荷和水力條件，橋塔基礎(chǔ)采用臺(tái)階型減沖刷減自重沉井基礎(chǔ)。沉井鋼結(jié)構(gòu)總高度64米，自底向上共分為10個(gè)節(jié)段，其中截面變化的臺(tái)階位于第6、7節(jié)段之間，1個(gè)～6個(gè)節(jié)段的大尺寸可以滿足橋塔載荷的要求，7～10節(jié)段的小尺寸可滿足水流沖刷要求，同時(shí)減少了沉井的厚壁大體積鋼筋混凝土的開裂影響因素。

沉井的施工步驟是將沉井鋼結(jié)構(gòu)在制造廠內(nèi)依次進(jìn)行板單元制作、小節(jié)段拼裝焊接，到橋位現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行第1節(jié)段整個(gè)截面拼裝焊接，內(nèi)部灌注鋼筋混凝土，依次進(jìn)行后續(xù)節(jié)段鋼結(jié)構(gòu)拼裝焊接、澆筑混凝土、下沉。第7、8、9、10的焊接施工除了水流沖刷作用，還要受到前面節(jié)段結(jié)構(gòu)尺寸偏差累計(jì)的影響，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊縫產(chǎn)生更大的結(jié)構(gòu)變形和殘余應(yīng)力。

3 沉井鋼結(jié)構(gòu)焊縫的無損檢測(cè)

以常泰長江大橋斜拉橋橋塔基礎(chǔ)的鋼沉井結(jié)構(gòu)的對(duì)接焊縫為研究對(duì)象，涉及的鋼板厚度分別為10mm和18mm，分析常規(guī)無損檢測(cè)方法的適用性，以及如何充分利用各種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)來提高焊縫缺陷的檢出率，從而有效保證鋼沉井對(duì)接焊縫的制造質(zhì)量。

常規(guī)的無損檢測(cè)方法包括超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)。超聲波檢測(cè)方法是利用聲束的反射、衍射特點(diǎn)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，鋼沉井結(jié)構(gòu)對(duì)接焊縫宜采用脈沖超聲波檢測(cè)方法，利用聲束遇到缺陷反射信號(hào)的聲程和衰減情況，進(jìn)行缺陷位置和缺陷大小的判斷，對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)應(yīng)采用斜探頭進(jìn)行鋸齒形掃查，為了能夠發(fā)現(xiàn)各種形式及走向的缺陷，應(yīng)分別再焊縫兩側(cè)沿著焊縫縱向和橫向進(jìn)行多次檢測(cè)，從而提高缺陷檢出率。射線檢測(cè)是利用X射線或γ射線經(jīng)過待檢物體時(shí)的衰減規(guī)律，當(dāng)待檢區(qū)域存在缺陷時(shí)，缺陷部位會(huì)在底片上曝光量大于無缺陷部位，通過底片沖洗顯影后即可進(jìn)行缺陷位置及大小的判斷。磁粉檢測(cè)的原理是通過將待檢工件進(jìn)行磁化，當(dāng)待檢區(qū)域存在缺陷時(shí)，缺陷區(qū)域附近的磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生變化，使用磁懸液可顯示因缺陷引起的磁場(chǎng)變化情況，從而進(jìn)行缺陷位置及大小的判斷。滲透檢測(cè)是利用毛細(xì)作用原理，當(dāng)待檢工件存在開口型缺陷時(shí)，滲透液將深入缺陷處，再利用毛細(xì)作用將缺陷處的滲透液在工件表面顯示，由此進(jìn)行缺陷位置及大小的判斷。

對(duì)于鋼沉井結(jié)構(gòu)對(duì)接焊縫的無損檢測(cè)，超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)均具有適用性，但也存在一定的局限性，多種無損檢測(cè)方法的組合使用，可在檢出率、檢測(cè)效率、經(jīng)濟(jì)性方面取到更好均衡性。基于脈沖的超聲波檢測(cè)方法對(duì)面積型缺陷更加敏感，具有更高的缺陷檢出率和檢測(cè)效率，但要求缺陷走向與聲束角度盡量垂直，因此需要進(jìn)行多次多個(gè)方向的掃查方能保證其缺陷檢出率。射線檢測(cè)方法對(duì)體積型缺陷更為敏感，對(duì)面積型缺陷的檢出率受缺陷走向的影響較大，射線檢測(cè)需要經(jīng)過拍片檢測(cè)、洗片、評(píng)片等環(huán)節(jié)，射線檢測(cè)的周期較長、檢測(cè)效率較低，現(xiàn)階段發(fā)展的電子射線法可實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，但其設(shè)備昂貴導(dǎo)致檢測(cè)費(fèi)用較高。磁粉檢測(cè)要求待檢工件具有鐵磁性，檢測(cè)精度可達(dá)到微米級(jí)，但僅能檢測(cè)表面及近平面缺陷，無法進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)。滲透檢測(cè)根據(jù)其原理可檢測(cè)表面開口型缺陷，無法檢測(cè)非開口型內(nèi)部缺陷，滲透檢測(cè)需要消耗檢測(cè)試劑，但對(duì)檢測(cè)環(huán)境具有更好的適應(yīng)性。超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)對(duì)于內(nèi)部缺陷具有更高檢出率，磁粉檢測(cè)和射線檢測(cè)對(duì)于表面缺陷具有更高檢出率。為了在檢出率、檢測(cè)效率、檢測(cè)成本方面獲得更多的平衡性，在工廠內(nèi)部采用超聲波+射線+磁粉檢測(cè)的組合形式，采用超聲波和射線進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)、磁粉進(jìn)行表面缺陷檢測(cè)，在橋位采用超聲波+滲透檢測(cè)的組合形式，超聲波進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)、滲透進(jìn)行表面缺陷檢測(cè)。

4 沉井鋼結(jié)構(gòu)焊縫的殘余應(yīng)力檢測(cè)

沉井鋼結(jié)構(gòu)外壁和內(nèi)壁的鋼板厚度分別為18mm和10mm，外壁需要較大的水壓力和水流沖刷作用，因此其壁厚更厚，鋼結(jié)構(gòu)焊縫的厚度越大，其焊接難度更大且焊縫的殘余應(yīng)力的區(qū)域和數(shù)值也更大。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)焊縫存在較大的拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的焊縫變形能力變差，當(dāng)承受低于強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋，殘余應(yīng)力的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫的力學(xué)性能、承載能力和使用壽命均具有較大的影響。對(duì)于橋梁沉井的大尺寸鋼結(jié)構(gòu)焊縫，應(yīng)采取有效措施減小或消除殘余應(yīng)力。常用的消除殘余應(yīng)力方法有退火、錘擊、超聲沖擊等方法，退火是最簡單有效的消除應(yīng)力方法，但由于沉井鋼結(jié)構(gòu)焊縫尺寸大，且現(xiàn)場(chǎng)條件限制，難以實(shí)現(xiàn)退火消除應(yīng)力。錘擊法也是有效的消除應(yīng)力方法，但錘擊力大小和方向受施工人員影響很大，操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生附加損傷，同時(shí)錘擊消除應(yīng)力方法勞動(dòng)強(qiáng)度大效率低。超聲沖擊法在消除應(yīng)力效果、勞動(dòng)強(qiáng)度和施工效率方面，對(duì)于沉井鋼結(jié)構(gòu)焊縫具有較好的適用性。鋼結(jié)構(gòu)焊縫殘余應(yīng)力的消除效果需要有效的檢測(cè)方法來保證。

采用超聲殘余應(yīng)力檢測(cè)方法分別對(duì)應(yīng)力消除前后的沉井鋼結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。以臺(tái)階型沉井鋼殼的第8、9節(jié)段鋼結(jié)構(gòu)焊縫為對(duì)象，采用超聲殘余應(yīng)力檢測(cè)方法進(jìn)行焊縫殘余應(yīng)力測(cè)量。測(cè)量設(shè)備采用超聲應(yīng)力儀（型號(hào)為USG_S2），時(shí)域分辨率0.37ns，采用精度為12bit，采用的探頭為直徑為6mm、頻率為5MHz的探頭，測(cè)量方式是一發(fā)一收。探頭與待檢工件之間要良好耦合，因此在進(jìn)行測(cè)量前需要對(duì)焊縫檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行打磨，且由于檢測(cè)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)焊縫形式包括豎直和水平兩種形式，兩個(gè)探頭分別布置在豎直焊縫的左側(cè)和右側(cè)，水平焊縫的上側(cè)和下側(cè)，通過獲取的超聲信號(hào)波形進(jìn)行焊縫殘余應(yīng)力的測(cè)量。

在沉井鋼殼的第8節(jié)段和第9節(jié)段分別選取了20處對(duì)接焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的殘余應(yīng)力值均在200MPa以內(nèi)，且相同位置的2個(gè)測(cè)量值的差異均在可接受范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

闡述了鋼結(jié)構(gòu)沉井的設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常用無損檢測(cè)方法在沉井鋼結(jié)構(gòu)對(duì)接焊縫的適用性及組合使用可在檢出率、檢測(cè)效率和檢測(cè)成本獲得更多均衡性。

闡述了鋼結(jié)構(gòu)焊縫產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原理，殘余應(yīng)力對(duì)焊縫的力學(xué)性能、構(gòu)件的使用壽命具有一定程度的影響。采用超聲殘余應(yīng)力檢測(cè)方法對(duì)橋梁沉井鋼殼對(duì)接焊縫進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明了殘余應(yīng)力檢測(cè)方法在橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)用的有效性。