鋼結(jié)構(gòu)梁橋焊縫殘余應(yīng)力技術(shù)研究

摘要：為探究鋼結(jié)構(gòu)梁橋焊縫殘余應(yīng)力檢測(cè)、判定及調(diào)控技術(shù)。本文以實(shí)際工程為背景，提出鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，評(píng)估殘余應(yīng)力影響，提出不同部位焊縫殘余應(yīng)力判定方法并進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控。結(jié)果表明，通過與盲孔法數(shù)據(jù)相比，得出適合鋼板梁和鋼箱梁焊接應(yīng)力超聲檢測(cè)技術(shù)具有可行性。完成針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的聲束激勵(lì)器設(shè)計(jì)和制備，聲阻抗反饋技術(shù)、多路頻率跟蹤算法和優(yōu)化激勵(lì)工藝，模擬不同工況環(huán)境對(duì)分辨率的影響程度，制作適用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的斜入射導(dǎo)波聲束激勵(lì)器。由工程應(yīng)用研究可知，采用超聲臨界折射縱波法可有效檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力或服役應(yīng)力的大小及分布。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；梁橋焊縫；超聲波檢測(cè)；殘余應(yīng)力調(diào)控

中圖分類號(hào)：U44""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)主要采用焊接工藝修建鋼橋。由于焊接工藝的復(fù)雜性，因此會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成殘余應(yīng)力[1]。如果能準(zhǔn)確檢測(cè)鋼橋構(gòu)件應(yīng)力分布并對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，就可以減少殘余應(yīng)力的危害。

在超聲檢測(cè)技術(shù)研究方面，應(yīng)力檢測(cè)可細(xì)分為縱波和橫波、表面波、導(dǎo)波、非線性超聲、臨界折射縱波。Jhang[2]利用應(yīng)力對(duì)超聲縱波速度的改變來評(píng)估高壓螺栓的加緊力，通過相位探測(cè)準(zhǔn)確測(cè)定了縱波在螺栓內(nèi)的飛行時(shí)間。Erofeev等[3]通過理論和試驗(yàn)證實(shí)了利用表面波可以監(jiān)測(cè)彎曲應(yīng)力。在殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)方面，形成了許多常見的焊后調(diào)整方法，常見的有熱處理法[4]、振動(dòng)時(shí)效法[5]等。

可以看到，常規(guī)應(yīng)力檢測(cè)不適合檢測(cè)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力，在超聲檢測(cè)對(duì)多維絕對(duì)應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)研究與焊接殘余應(yīng)力調(diào)控方面研究不足。因此本文提出鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力檢測(cè)方法和不同部位焊縫殘余應(yīng)力的判定方法，并對(duì)超過“閾值”的焊縫或構(gòu)件進(jìn)行殘余應(yīng)力調(diào)控，在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果。

1橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力超聲無(wú)損檢測(cè)原理

彈性波在有應(yīng)力的固體材料中的傳播速度不僅取決于材料的二階彈性常數(shù)和密度，還與高階彈性常數(shù)和應(yīng)力有關(guān)，表現(xiàn)為聲彈性效應(yīng)。聲彈性理論是研究彈性波的傳播速度與應(yīng)力的關(guān)系，這是超聲波法應(yīng)力測(cè)定的主要依據(jù)之一。

聲彈性理論的基本假設(shè)：①物體是超彈性的、均勻的。②固體連續(xù)性假設(shè)。③聲波的小擾動(dòng)疊加在物體靜態(tài)有限變形上。④物體在變形中可視為等溫或等熵過程。

1.1不同模式超聲波速與應(yīng)力關(guān)系

彈性固體聲彈性理論中波動(dòng)方程的非零解的條件：det|AIJKLκJκL-ρiV2δIK|=0，其中，K為超聲波的單位法線方向，δIK為Kroneckerdelta函數(shù)，當(dāng)各項(xiàng)同性介質(zhì)在簡(jiǎn)單初始應(yīng)力加載下，可解析得到應(yīng)力隨波速變化關(guān)系式，求導(dǎo)可確定敏感性。考察不同模式的超聲波對(duì)鋼中應(yīng)力的敏感度，將低碳鋼（0.12%C）的Lame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)代入，考慮聲速隨應(yīng)力波動(dòng)小，簡(jiǎn)化后采用零應(yīng)力數(shù)值，并取V1S=3.2km/s，V1L=5.9km/s，V11=3.0km/s，σ=100MPa，得到公式（1）。

dV11≈dV12≈-0.00153dσ（1）

式中：V11，V12分別為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下固體中縱波和剪切波波速。

分析不同形式的超聲波相關(guān)敏感情況數(shù)值可知，低碳鋼單軸下，與應(yīng)力同向的縱波最為敏感。其他常用金屬材料，各參數(shù)變化大抵與低碳鋼一致。

1.2塑性誘導(dǎo)仿真與試驗(yàn)

假設(shè)材料狀態(tài)（FP，ξ，θ，θ，θ）是已知的，對(duì)于

tn+1時(shí)刻，本構(gòu)模型已知變形梯度Fn+1、溫度Tn+1和高能超聲強(qiáng)度Eu，n+1。這說明tn+1時(shí)，延著增量塑性變形的方向，材料的未知狀態(tài)變量為（F+1，ξ+1，θPn+1，θ+1，θ+1），得到公式（2）。

式中：F為變形梯度；ξP為有效的偏塑性應(yīng)變；θP為有效體積塑性應(yīng)變；T為絕對(duì)溫度；Eu為超聲波強(qiáng)度（單位面積超聲波能量的速率）。

上述變分形式的最小值返回到未知狀態(tài)變量和塑性流動(dòng)方向時(shí)的修正值。當(dāng)tn+1時(shí)，上述的最小值是有效的增量應(yīng)變能量密度，它可以作為第一Piola-Kirchhoff應(yīng)力張量Pn+1。根據(jù)對(duì)數(shù)彈性應(yīng)變的預(yù)估校正方法來解決增量變分問題，從而減少了有限變形，將其修正為小應(yīng)變和純動(dòng)態(tài)。

采用軟件仿真和試驗(yàn)測(cè)試兩種方法驗(yàn)證理論的正確性。試驗(yàn)采用Q345鋼材，在試驗(yàn)過程中，打開高能超聲發(fā)生器后再關(guān)閉。試驗(yàn)結(jié)果表明：在超聲波發(fā)生器聯(lián)通后，由于超聲軟化效應(yīng)，因此相同應(yīng)變需要更小的應(yīng)力。在超聲波發(fā)生器關(guān)閉后，超聲硬化導(dǎo)致拉應(yīng)力反彈到比平均值更高的數(shù)值，該硬化與加工硬化相似，它與高能超聲頻率無(wú)關(guān)，與高能超聲強(qiáng)度有關(guān)。

由此可見，材料在彈性或塑性變形的過程中受到高能超聲能量的影響會(huì)發(fā)生軟化，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)顯著下降，當(dāng)超聲結(jié)束時(shí)，力學(xué)性能恢復(fù)并產(chǎn)生一定加工硬化。高能超聲對(duì)金屬的作用和熱處理有一些相似，但是高能超聲的效率極高，例如對(duì)鋁合金材料來說，達(dá)到與熱處理同樣的軟化效果只需要其千萬(wàn)分之一的能量。不僅如此，其他金屬（例如鐵、銅、鋅等）材料在高能超聲聲場(chǎng)的輻射效應(yīng)下都會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象。Q345鋼力學(xué)參數(shù)見表1。

2橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)

由于橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)形式多樣化，因此橋梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)適用于多種復(fù)雜環(huán)境，設(shè)備應(yīng)具有輕便、方便攜帶，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，使用的探頭能在狹小空間操作等特點(diǎn)。

2.1殘余應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)研制

2.1.1殘余應(yīng)力超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成

為了更好地適應(yīng)橋梁鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力超聲無(wú)損檢測(cè)，須對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行開發(fā)和調(diào)整。系統(tǒng)主要由應(yīng)力檢測(cè)探頭、高性能數(shù)字隔離電源、信號(hào)雙級(jí)隔離模塊、超聲信號(hào)源、主控制器、數(shù)字分析模塊、兩級(jí)溫度補(bǔ)償模塊和終端顯示模塊組成。主要性能指標(biāo)為檢測(cè)材料、超聲頻率、應(yīng)力檢測(cè)精度、應(yīng)力檢測(cè)深度、系統(tǒng)工作溫度、檢測(cè)表面粗糙度等。

2.1.2超聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

超聲激勵(lì)模塊產(chǎn)生目標(biāo)，高壓脈沖激勵(lì)超聲換能器產(chǎn)生超聲波，接收換能器檢測(cè)回波信號(hào)并將其傳輸?shù)交夭ń邮漳K，經(jīng)過一系列信號(hào)處理后，數(shù)據(jù)采集模塊將含有檢測(cè)信息的數(shù)字量經(jīng)由數(shù)字控制與數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)焦た貦C(jī)，再進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，同時(shí)在工作過程中，各模塊的相關(guān)參數(shù)設(shè)置也是由工控機(jī)通過數(shù)據(jù)通信與數(shù)字控制模塊完成。

2.1.3超聲波應(yīng)力檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

超聲波應(yīng)力檢測(cè)探頭由超聲收/發(fā)換能器和聲楔塊組成。將超聲換能器的中心頻率設(shè)計(jì)為1MHz、2MHz、2.5MHz、4MHz、5MHz、7.5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等。對(duì)普通大小構(gòu)件的應(yīng)力檢測(cè)來說，將換能器的外徑設(shè)計(jì)為10mm，長(zhǎng)為14mm，壓電晶片直徑為6mm。對(duì)較小或復(fù)雜工件應(yīng)力檢測(cè)來說，須進(jìn)一步縮小探頭體積，可在聲楔塊上貼壓電晶片，貼壓電晶片的角度須符合第一臨界折射角，從而通過壓電晶片直接對(duì)LCR波進(jìn)行收發(fā)。

在聲楔塊的材料選用方面，最好是選用聲阻抗最小、聲速最小、聲衰減系數(shù)最小、熱膨脹系數(shù)最小以及最易獲得和透明的材料。綜合機(jī)加工性能和價(jià)格因素，采用更為常見的有機(jī)玻璃作為聲楔塊材料。

2.1.4環(huán)境溫度采集模塊設(shè)計(jì)

環(huán)境溫度采集模塊的硬件由熱電阻、熱電阻信號(hào)調(diào)理器、溫度采集卡組成，選擇PT100熱電阻，檢測(cè)溫度為0℃～50℃。熱電阻信號(hào)調(diào)理器的作用是為熱電阻提供電源，同時(shí)將熱電阻反饋的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，由溫度采集卡收集熱電阻信號(hào)調(diào)理器輸出信息，PCI插槽一端連接主機(jī)，另一端連接采集卡。

2.1.5殘余應(yīng)力超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)軟件

針對(duì)建立的硬件平臺(tái)，采用VC++基于對(duì)話框的編程環(huán)境，開發(fā)檢測(cè)殘余應(yīng)力的系統(tǒng)軟件。采用的超聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊具有100m/s的高速采樣率，但是，應(yīng)力造成的聲時(shí)差變化同樣是ns級(jí)別的，因此為了將時(shí)差測(cè)量精度提高到0.5ns，可以在相鄰的LCR波原始數(shù)據(jù)間插入20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，同理，插入100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以將時(shí)差測(cè)量精度精確到0. 1ns。

對(duì)零應(yīng)力狀態(tài)下的LCR波與被檢測(cè)處LCR波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可計(jì)算聲時(shí)差。處理的方法通常有峰值算法和互相關(guān)算法。峰值算法是將兩列LCR波峰值處的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，從而計(jì)算聲時(shí)差。互相關(guān)算法將測(cè)試波類比零應(yīng)力下LCR波。若信號(hào)分別為x（t）、y（t），離散后為x（n）、y（n），則根據(jù)離散信號(hào)的互相關(guān)計(jì)算過程如公式（3）所示。

式中：N為采樣點(diǎn)數(shù)；m為時(shí)延序列。當(dāng)t=t0時(shí)，呈現(xiàn)最大值，t=t0反映x（t）與y（t）間的滯后時(shí)間，即聲時(shí)差。

為了確定100MHz的數(shù)據(jù)采集卡采集到的LCR波數(shù)據(jù)，在利用不同差值算法后，用峰值法或互相關(guān)法計(jì)算能否達(dá)到預(yù)期的聲時(shí)差測(cè)量精度，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。利用Matlab軟件模擬兩列正弦信號(hào)，正弦信號(hào)的頻率為5MHz（換能器的中心頻率），這兩組正弦信號(hào)唯一的區(qū)別是存在一定延時(shí)，可以通過軟件實(shí)時(shí)改變延時(shí)。

2.2殘余應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)

2.2.1應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

采用應(yīng)力加載試驗(yàn)法，可以解決應(yīng)力系數(shù)計(jì)算中Lame常數(shù)、Murnaghan常數(shù)、聲程和聲速等問題，具體步驟如下：用同材料制作成縱向拉伸構(gòu)件，對(duì)拉伸試塊進(jìn)行零應(yīng)力處理，按要求進(jìn)行測(cè)試。記錄Δσ與Δt，擬合后計(jì)算Q345鋼的應(yīng)力系數(shù)K=11.2MPa/ns。

2.2.2溫度補(bǔ)償系數(shù)

高低溫箱是由制冷系統(tǒng)和制熱系統(tǒng)組成的，工作溫度為-60℃～+120℃，步長(zhǎng)為0.05℃，根據(jù)設(shè)置，高低溫箱在設(shè)定時(shí)間內(nèi)溫度能基本保持恒定，計(jì)算可知補(bǔ)償系數(shù)為6.87ns/℃。

2.3比對(duì)試驗(yàn)

通過盲孔法與超聲法測(cè)試Q345qD焊接結(jié)構(gòu)并橫向?qū)Ρ?，以此?yàn)證了超聲法的有效性。超聲法檢測(cè)范圍廣且不損傷結(jié)構(gòu)，因此檢測(cè)順序?yàn)槌暦?盲孔法，盲孔檢測(cè)法以超聲檢測(cè)法作為依據(jù)。

超聲法可以測(cè)量平行焊縫的路徑及垂直焊縫的路徑殘余應(yīng)力，并標(biāo)注測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在去應(yīng)力退火試件上標(biāo)注零刻度。盲孔法測(cè)試沿著平行焊縫的路徑及垂直焊縫的路徑布設(shè)點(diǎn)位間隔，分別為30mm、25mm。對(duì)Q345qD鋼來說，不同測(cè)試數(shù)據(jù)整體變化大致一致，數(shù)據(jù)量級(jí)差異較小，反映測(cè)試結(jié)果與過程真實(shí)準(zhǔn)確，可以測(cè)量殘余應(yīng)力。

3橋梁鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)研究

對(duì)檢測(cè)到殘余應(yīng)力集中的區(qū)域來說，需要在現(xiàn)場(chǎng)采取有效措施減少和消除殘余應(yīng)力，建立高能超聲控制系統(tǒng)為解決此類問題提供了更好的技術(shù)支持。

3.1殘余應(yīng)力原位調(diào)控系統(tǒng)研制

3.1.1殘余應(yīng)力調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成

高能超聲調(diào)控系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)包括調(diào)控材料、調(diào)控頻率、調(diào)控功率、應(yīng)力調(diào)控消減率、單點(diǎn)一次調(diào)控時(shí)間。殘余應(yīng)力調(diào)控系統(tǒng)包括高能超聲激勵(lì)器、高能超聲發(fā)生器和相關(guān)儀器。

3.1.2殘余應(yīng)力調(diào)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

發(fā)生器采用數(shù)字電路，這樣可以起到消除溫度漂移等作用，自研的高能超聲發(fā)生器包括主控板、開關(guān)電源、電源板、變壓器、電感、液晶板、驅(qū)動(dòng)板、電容板等部件。高能超聲激勵(lì)器又稱為高能超聲換能器，耗電量少，可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化與傳遞。本系統(tǒng)采用夾心式壓電陶瓷換能器。將壓電材料設(shè)計(jì)成片狀，三層結(jié)構(gòu)依次為銀正極、相關(guān)材料、銀負(fù)極，當(dāng)外界電磁變化時(shí)，兩極產(chǎn)生協(xié)同的交變變形，并形成聲波。

激勵(lì)器為兩層蓋板夾住壓電晶片，三者阻抗分別為Z1、Z2和Z3（Zn=ρn VnSn，其中，n=1，2，3，…），長(zhǎng)度分別是l1、l2和l3。

3.1.3殘余應(yīng)力閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)

以殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)理論為基礎(chǔ)，利用臨界折射縱波對(duì)構(gòu)件的殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和獲取，以此作為反饋信號(hào)指導(dǎo)高能超聲對(duì)構(gòu)件殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的閉環(huán)控制，將閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用于Q460低合金高強(qiáng)鋼的應(yīng)力閉環(huán)調(diào)控中，應(yīng)力的閉環(huán)調(diào)控試驗(yàn)步驟如圖1所示。

3.2殘余應(yīng)力原位調(diào)控結(jié)果

對(duì)比應(yīng)力消除前后的應(yīng)力、變形，如圖2所示。當(dāng)施加壓力時(shí)，試樣表面2個(gè)檢測(cè)區(qū)域產(chǎn)生-148.26MPa和-100.89MPa的壓應(yīng)力，這與有限元仿真結(jié)果相同。有限元仿真表明，施加100N壓力，產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力極值為211. 13MPa、-215.25MPa，而Q460鋼屈服強(qiáng)度約460MPa，表明在中間施加壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力遠(yuǎn)達(dá)不到屈服極限，因此在釋放壓力后，試樣會(huì)很快恢復(fù)原狀。在這種受力狀態(tài)下，對(duì)中間區(qū)域施加20kHz/250W高能超聲作用持續(xù)25min，得到試樣表面2個(gè)檢測(cè)區(qū)域的應(yīng)力分別為-13.25MPa和10.06MPa，說明高能超聲能量對(duì)應(yīng)力起到消減作用。在釋放螺桿壓力后，中間消除區(qū)域變形已經(jīng)無(wú)法恢復(fù)，當(dāng)應(yīng)力松弛時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性形變，導(dǎo)致尺寸變形。

4指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程情況

4.1工程概況

某高速公路依托某匝道橋第三聯(lián)工程，該橋梁為45m+40m跨線槽型鋼箱連續(xù)梁橋，該匝道橋跨越高速公路。橋梁寬0.5m（欄桿）+9.0m行車道+0.5m（欄桿）=10.0m，主梁結(jié)構(gòu)為槽型鋼箱梁，腹板、上翼緣、底板厚度分別為18mm、28mm、20mm，上翼緣、底板寬度分別為700mm、2700mm，梁高2500mm。橋面上覆厚0. 1m的瀝青，橋板為0.35m混凝土。

4.2殘余應(yīng)力檢測(cè)

檢測(cè)對(duì)接焊縫、底板、對(duì)接焊縫和底板十字交叉焊縫的殘力，鋼箱梁鋼材為Q345qD，將檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)在斜底板十字交叉縱向?qū)雍缚p、斜底板十字交叉橫向?qū)雍缚p、斜底板十字交叉橫向?qū)雍缚p、梁段邊腹板對(duì)接焊縫、SM15梁段底板對(duì)接焊縫、梁段邊腹板對(duì)接焊縫處。對(duì)各測(cè)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)，焊縫兩側(cè)存在一定殘余應(yīng)力，大多焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力在130MPa以下。

5結(jié)論

本文經(jīng)過研究，得出以下結(jié)論。1）基于聲彈性理論，研究了縱波、表面波和剪切波傳播速度和方向與應(yīng)力的關(guān)系，得到了不同模式超聲波對(duì)應(yīng)力的敏感度。2）開發(fā)了適合鋼板梁和鋼箱梁焊接應(yīng)力超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接特點(diǎn)完成了探頭設(shè)計(jì)和制備、信號(hào)分析處理、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。并通過與盲孔法測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明了超聲法的可行性與準(zhǔn)確性。3）針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成聲束激勵(lì)器設(shè)計(jì)和制備、聲阻抗實(shí)時(shí)反饋技術(shù)、多路頻率跟蹤算法和優(yōu)化激勵(lì)工藝，模擬不同工況環(huán)境（溫度、壓力、速度、振動(dòng)、環(huán)焊縫等）對(duì)分辨率的影響程度，制作適用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的斜入射導(dǎo)波聲束激勵(lì)器。4）通過工程應(yīng)用研究可知，采用超聲臨界折射縱波方法可以有效檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)焊接的殘余應(yīng)力或服役應(yīng)力的大小及分布。殘余應(yīng)力高能聲束調(diào)控對(duì)消減應(yīng)力是非常有效的，對(duì)降低焊接過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，控制焊接變形等具有顯著成效。

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