目前钢构件应力无损检测方法主要存在以下缺点：一是只能检测应力的改变量，而不能检测绝对应力；二是检测应力位于构件表面和表面以下最多几十微米的深度范围，而不能检测更深深度范围的应力；三是可检测单向绝对应力，但不能检测绝对应力沿深度分布。为克服现有技术的不足本发明专利技术提供了一种基于临界折射纵波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，通过标定不同频率的Lcr波在钢构件中的传播深度和在固定声程上的声弹性系数B，采用自制卡尺探头检测不同频率Lcr波在钢构件中传播声时t，来求解钢构件绝对应力σ沿深度分布。使用本发明专利技术的方法的检测结果精度较高，能满足实际工程中的误差要求，并且在检测过程中不会对结构构件造成破坏。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钢构件绝对应力无损检测领域，具体涉及一种钢构件绝对应力沿深度 分布检测方法。
技术介绍
随着经济的飞速发展，我国正在兴建和筹建越来越多的钢结构工程项目。与此同 时，人们对这类工程的安全性越来越关注和重视。为确保结构安全及人民的生命财产和安 全，进行钢结构的健康监测是十分必要的。结构健康监测的内容很多，如载荷监测、温度监 测、加速度监测、位移监测、应变监测、应力检测等等。在役钢构件内部的应力是结构安全状 态的重要指标，在钢结构健康监测中占有重要地位。通过对已建或在建的钢构件进行应力 检测，可以避免由于设计失误引发的工程事故；通过对使用时间较长钢构件进行应力检测， 可以解决结构构件绝对应力的检测问题；通过对灾后钢结构的构件进行应力检测，可为灾 后钢结构安全评估提供现实依据。因此，对钢构件应力的检测有重要意义。 目前，已成熟的应力检测方法有：电阻应变计法、光弹性法、X射线法、磁弹性法、 钻孔法等。对在役钢构件内部绝对应力检测，各个方法均有缺陷。电阻应变片法虽然可以准 确记录应力，但是只能记录构件表面应力的改变量，对构件内部的绝对应力无法检测；光弹 性法必须用具有双折射效应的透明材料制作与工件形状类似的模型，这一点钢材不能满足 要求；X射线法准确性好、可靠性高，但是该方法的测量精度受到许多因素的影响，且测量 深度仅达几十微米，对在役钢结构内部应力检测不适合；磁弹性法受磁化条件限制，可靠性 和精度差，且设备复杂，不适合于钢结构内部绝对应力检测；钻孔法虽然精度高，可以检测 构件的绝对应力，但是会对原结构造成破坏，也不适合钢构件内部应力的无损检测。所以， 传统的应力检测方法并不适合于钢构件内部应力无损检测这一要求。 由于传统应力检测方法的缺点和问题，近年来许多的其它领域的专家学者开始研 究基于超声波法的应力无损检测方法，并且取得了不少的成绩。如哈尔滨工业大学的方洪 渊等人，他们用超声波法对焊接残余应力的无损测量，该试验方法克服了传统切割释放测 量方法费时耗力的缺点，为焊接结构服役状态下的可靠性评估奠定了基础。浙江工业大学 的鲁聪达等人，他们用超声波技术检测螺栓的紧固轴力，并研究了螺栓扭拉复合受力状态 和单一只受轴力受力状态的超声特性曲线区别，实验证实了声传播时间差和轴向应力的线 性关系，测得的结果比较准确，超声波在螺栓中的反射示意图如附图1所示（图中的1为入 射波，2为反射波）。同济大学的李永攀等人做了用反射纵波法来检测钢轨应力的实验，结 果显示应力变化引起的钢材料特性变化导致了声传播速率的变化，且应力变化与声传播 速率的变化呈线性关系。该结果证明了超声波测量钢轨应力的可行性。李祚华等人提出采 用Lcr波法无损检测在役钢结构构件内部绝对应力（详见专利文献1 :中国专利技术专利申请 号CN 201410181350. 2)，理论和试验验证了 Lcr波在钢构件中的传播速度与钢构件中的应 力成线性关系，首次实现了建筑钢结构构件绝对应力的无损检测。 此外，中国矿业大学的胡而已等人提出了一种基于超声表面波的应力测量主应力 分离的装置和方法（详见专利文献2:中国专利技术专利申请号CN201410723236. 8)，该方法实 现了 A3钢绝对应力的无损检测。但仍有以下几个方面的不足：第一，该方法使用的超声波 波型为表面波，这种波型的特点使其只能检测构件的表面应力；第二，该专利技术专利所提出的 方法所检测的应力对象为构件表面二维绝对应力，不能检测构件内部绝对应力，也不能检 测绝对应力沿构件深度方向的分布；第三，该装置和方法要用到成一定角度的六个超声换 能器，这要求构件表面的尺寸要求严格，不适用于建筑结构中最常用的长细钢构件。 因此，上各领域的方法直接应用于钢构件绝对应力沿深度分布的无损检测均存在 一些问题。主要包含以下几个方面：第一，构件材质的差别，钢结构用钢主要是低碳钢和 合金钢，而铁路行业中铁轨的用钢均为特种钢材，且钢材种类较单一，焊接残余应力的检测 中，母材因为受温度影响织构会发生改变，这与建筑行业的钢材种类不同；第二，构件尺寸 的影响，钢构件，如型钢、钢管等，其表面形态和构件形状具有特殊性，由于这个因素的影 响，使得其与上述方法中如螺栓的轴向应力检测选用的波型和探头布置方式有很大区别； 第三，波形的选取，上述方法选用的波型为纵波、纵横波相结合等，使用这些波型无法测量 钢构件内部绝对应力。而且，目前钢构件应力无损检测方法主要存在以下缺点：一是只能检 测应力的改变量，而检测不了当前状态下的应力大小；二是检测的应力位置处于构件表面 和表面以下最多几十微米的深度范围，而检测不了几个毫米深度的应力大小；三是所检测 绝对应力为单向应力，不能检测绝对应力沿深度分布。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的技术问题，本专利技术通过大量的实验研究，提出一种基于临界 折射纵波（Lcr波）法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，与现有技术相比，本发 明选用的超声波波型为Lcr波，可以检测钢构件中绝对应力沿深度方向的分布。在检测过 程中超声波换能器占的面积小，对构件表面的尺寸要求不严格。该方法还能够针对钢构件 的材质特征、尺寸特点等因素，准确无损检测出钢构件绝对应力沿深度的分布。 具体地，通过以下方案解决相应技术问题： -种基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，包括：通过标定 不同频率的Lcr波在钢构件中的传播深度和在固定声程上的声弹性系数，采用自制卡尺探 头检测不同频率Lcr波在钢构件中传播声时，来求解钢构件绝对应力沿深度分布。 其中，所述绝对应力是指在役钢构件在当前时刻正在使用状态下的应力，而不是 某段时间内应力的改变量。 所述方法包括以下步骤，第一步：标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度；第 二步：标定不同频率Lcr波在固定声程上的声弹性系数B ;第三步：测量不同频率Lcr波在 在役钢构件中的传播声时t;第四步：在役钢构件绝对应力〇沿深度分布的求解。其中，第 二步到第四步是在单向绝对应力检测系统上进行的，该过程需用到以下公式： 〇 = B (t〇-t) 在该公式中，〇即为钢构件某深度的绝对应力，单位是MPa ;B为应力-声时差系 数，单位是MPa/ns ;t。为复制钢构件零应力状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是 ns ;t为在役钢构件工作状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns。 所述方法通过硬件平台和软件平台实现，其中，所述硬件平台包括临界折射纵波 传播频率和深度对应关系标定系统、自制卡尺探头、单向绝对应力检测系统，所述软件平台 用于处理采集到的信号，求出在役钢构件的内部二维绝对应力。 所述第一步具体为：1.将卡尺探头置于钢构件上，调整超声波换能器的发射角度 和接收角度，使发射探头发出的信号进入钢构件后产生特定频率的Lcr波，传播一段距离 后被接收探头接收，接收到的Lcr波信号稳定显示于示波器屏幕上；2.采用铣刀在两探头 中间的钢构件上制作凹槽，深度由浅到深，在此过程中观察示波器上Lcr波的幅值；发射探 头发射的Lcr波传播至凹槽时会受到阻碍，因此接收探头接收到的Lcr波信号幅值会减弱； 随着凹槽深度的不断增加，Lcr波幅值不断减小，直到凹槽深度和Lcr波的传播深度相等 时，凹槽本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，其特征在于，所述方法包括：通过标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度和在固定声程上的声弹性系数B，检测不同频率Lcr波在钢构件中传播声时t的改变量，来求解钢构件绝对应力σ沿深度分布。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李祚华，滕军，何京波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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