一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法

本发明属于钢结构构件应力无损检测领域，尤其涉及一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法。

背景技术：

1、随着我国近年来钢结构形式的发展，出现了大量趋于大型化和复杂化的钢质构件及节点。构件尺寸和节点域体积的增大使得平面应力假设不再适用，钢板构件除受到面内应力，其面外应力也不能忽略，构件实际处于空间应力状态下。同时，节点域体积的增大使得针对常规节点的空间力学模型研究方法不再适用，已有应力分布规律及截面变形理论不复成立。常规设计方法未考虑截面非平截面变形引起的变形释放，因此过高估计了构件、节点乃至结构体系的刚度，设计结果将偏于不安全。检测钢板构件的内部空间应力对于结构工程科学研究、安全建设和持续运营具有重要作用。

2、目前不论是在结构健康监测领域，还是在应力有损检测和应力无损检测领域，都未能实现对钢板的内部空间绝对应力检测。与其他应力检测手段相比，超声波法具有穿透性强、携带信息丰富、设备小便于携带等独特优势。同时，众多研究表明，超声波在金属材料单向/平面应力场中的时域信号和频域信号与构件应力呈现相关关系，这从原理上为空间绝对应力的无损检测提供了可能。然而由于空间应力的复杂性，利用超声波进行钢板构件内部空间绝对应力检测依旧存在困难。例如，超声信号与空间应力的具体关系尚不明确，同时，由于空间应力的复杂性，需要更多与应力有关的超声信息，常用的传感器布置方式和信号处理手段已不再能满足空间应力检测需求。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于横波一发三收的钢构件空间应力信息检测方法，实现对在役钢结构构件空间应力信息的无损检测。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、一种基于横波一发三收的钢构件空间应力检测方法，包括以下步骤：

6、s1、获取需检测的在役钢构件的复制试件；

7、s2、对复制试件实施单向加载实验和横波一发三收实验，确定空间应力检测系数矩阵，得到空间应力检测公式；

8、s3、确定检测区域，在检测区域内对在役钢构件实施横波一发三收空间应力检测实验，获取三个接收位置处的超声波时域信号；

9、s4、对捕捉到的时域信号进行频谱分析，提取准横波声时差变化量和准纵波声时变化量，代入复制试件的空间应力检测公式，得到钢构件空间应力信息。

10、优选地，所述复制试件与原钢构件的厚度、材质、强度均相同，按比例缩小。

11、优选地，所述步骤s2包括如下子步骤：

12、s21、搭建钢构件空间应力信息检测硬件系统；

13、s22、对复制试件沿高度方向逐级施加单向压应力，以7.5mpa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

14、s23、对复制试件沿长度方向再次逐级施加单向压应力，以7.5mpa为一个应力梯度，每一梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

15、s24、在每个应力梯度的保持时间内，在选定的标定位置处发射和接收超声横波，采集并储存改应力状态下的三个接收位置处的时域信号；

16、s25、对采集到的时域信号进行频谱分析，截取准横波波段，利用准横波的幅度谱和相位谱提取1.2mhz频率的准横波声时差变化量，截取准纵波波段，利用准纵波的相位谱提取1.2mhz频率的准纵波声时变化量；

17、s26、将获得的准横波声时差变化量和准纵波声时变化量代入空间应力信息检测公式，通过数据拟合与参数计算确定空间应力检测系数矩阵n。

18、优选地，所述钢构件空间应力信息检测硬件系统包括：超声波信号发射和接收器、一发三收横波传感器组、数字示波器、钢构件应力加载和控制器；

19、其中，一发三收横波传感器组包括四个相同的超声横波传感器，直径9mm，中心频率5mhz，主要频率范围0～10mhz，入射横波为多频率耦合简谐脉冲波；

20、应力加载和控制器为电液伺服万能实验机，其最大压力为1000kn。

21、优选地，对复制试件逐级施加单向压应力时，最大应力均不超过试件材料的屈服应力，使试件始终处于弹性状态。

22、优选地，在选定的标定位置处发射和接收超声横波，将发射传感器与接收传感器沿竖直摆放，呈方式1平行收发方式，发射横波脉冲，采集并储存三组接收时域信号；

23、将横波发射传感器旋转π/2角度，沿水平方向摆放，此时发射传感器与接收传感器呈方式2垂直收发方式，发射横波脉冲，采集并储存三组接收时域信号。

24、优选地，截取准横波波段，方式1接收的准横波的幅度谱函数为：

25、

26、方式2接收的准横波的幅度谱函数为：

27、

28、方式1接收的准横波的相位谱函数为：

29、

30、方式2接收的准横波的相位谱函数为：

31、

32、截取准纵波波段，方式2接收的准纵波的相位谱函数为：

33、

34、其中，f为超声频率，li表示超声波的传播距离，φi表示准横波偏振角，i＝1,2,3，上标//和⊥分别表示收发方式1和方式2；lr和φr分别表示接收信号的幅度和相位，可由时域信号经傅里叶变换后得到；

35、利用收发方式1和方式2接收的准横波的幅度谱和相位谱提取准横波的声时差和偏振角，为：

36、

37、利用收发方式2接收的准纵波的相位谱提取准纵波的声时变化量，为：

38、

39、其中，t0为常数项，上述公式中，f＝1.2mhz。

40、优选地，所述空间应力信息检测公式为：

41、

42、其中，σ11，σ22，σ33，τ12，τ13，τ23为六个空间应力分量，σ11，σ22，σ33分别为钢板构件长度方向、高度方向和厚度方向上的法向应力，τ12为板内剪应力，τ13和τ23为两个板外剪应力；n为应力检测系数矩阵，包含36个与构件材料和厚度、超声波的频率与传播路径相关的应力检测系数o1～z3；(δtqs)i为在构件内部传播的两个准横波的声时差的变化量，(δtqp)i为在构件内部传播的一个准纵波声时的变化量，下标i＝1,2,3表示三个接收传感器，此处的变化量指的是空间应力状态下的准横波声时差、准纵波声时相对于零应力状态下准横波声时差、准纵波声时的改变量，表达式如下：

43、

44、其中，tqs1、tqs2、tqsp分别表示空间应力状态下两个准横波qs1和qs2，以及一个准纵波qp的传播声时，上标0表示零应力状态，分别表示零应力状态下的相应声时；

45、将每个应力状态下的准横波声时差变化量(δtqs)i、准纵波声时变化量(δtqp)i代入空间应力信息检测公式，经多元线性拟合与参数计算即可确定应力检测系数矩阵n。

46、优选地，所述步骤s3包括如下子步骤：

47、s31、在待检测区域内选定一发三收检测位置，以收发方式1入射超声横波，采集并储存三组接收超声波时域信号；

48、s32、旋转发射传感器，以收发方式2再次入射横波，采集并储存三组接收超声波时域信号。

49、(三)有益效果

50、本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于横波一发三收的钢构件空间应力信息检测方法，具有以下有益效果：

51、(1)本发明的方法，能够实现对不同材料不同厚度的在役钢板构件空间应力的无损检测，操作简便，成本较低，有一定的工程应用价值。

52、(2)本发明的方法，以1.2mhz频率为检测频率，利用接收信号的幅度和相位特征识别准横波波速差变化量和准纵波波速变化量，灵敏度较高。

53、(3)本发明的方法，利用传感器一发三收布置，对空间应力进行了直接分离，能检测六个空间应力分量，精度较高。

54、综上所述，采用本发明所提出的一种基于横波一发三收的钢构件空间应力信息无损检测方法，实现了对不同材料不同厚度的在役钢板构件空间应力的无损检测，测试过程简便，测试仪器安装方便、成本低、易于实现。可用于对在建和已建钢结构板构件内部空间应力检测，也可用于其他金属板构件的空间应力检测。