鋼結(jié)構(gòu)隱性損傷的磁記憶識別機理及試驗研究

王 威 樊 浩 楊為勝 劉 靜

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

鋼結(jié)構(gòu)隱性損傷的磁記憶識別機理及試驗研究

王 威 樊 浩*楊為勝 劉 靜

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

以金屬磁記憶檢測機理為基礎(chǔ)，提出關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)早期微裂紋缺陷的磁記憶識別機理模型。采用拉伸試驗研究了Q235典型建筑鋼在靜載作用下的磁記憶效應(yīng)，利用WT10B數(shù)字高斯計獲得了不同加載階段的磁場信號。發(fā)現(xiàn)法向磁場與外荷載存在一定的對應(yīng)關(guān)系，法向磁場強度及其梯度可用來對試件的危險區(qū)域進行定位，磁場梯度最大值可用來判斷試件的危險時刻。表明磁記憶是鋼結(jié)構(gòu)早期隱性損傷安全診斷的有效方法。

鋼結(jié)構(gòu)，金屬磁記憶，隱性損傷，機理模型，拉伸試驗

1 引 言

目前，大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)、大跨鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)備受關(guān)注，這些重大工程早期損傷的健康監(jiān)測與安全評定技術(shù)正變成土木工程領(lǐng)域所面臨的瓶頸問題。鋼結(jié)構(gòu)的主要損傷源為應(yīng)力集中區(qū)，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件因應(yīng)力集中和各種微觀缺陷擴展而引發(fā)的脆性破壞現(xiàn)象非常嚴重。例如，我國哈爾濱的濱州線松花江鋼橋，因冷脆造成鉚接點裂紋擴展發(fā)生脆性斷裂，香港某高層建筑由于各承重柱隨著裂紋萌發(fā)擴展而發(fā)生突然倒塌［1］。發(fā)生這類事故的主要原因就是沒有一個很好的方法能對大型鋼結(jié)構(gòu)中潛在的損傷及構(gòu)造關(guān)鍵部位的材性變化和早期損傷狀況進行實時監(jiān)測。常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)無損檢測方法，如超聲、磁粉、射線、滲透等只能對已形成的裂紋或宏觀缺陷進行檢測，不能對鋼結(jié)構(gòu)的隱性損傷進行早期檢測。隱性與顯性相對，指沒有形成明顯的物理不連續(xù)，而難以及時發(fā)現(xiàn)，且一旦凸顯將造成重大災(zāi)難［2］。雖然隱性損傷最終會形成宏觀缺陷，但宏觀缺陷萌生前所耗費的時間在整個過程中比例較大，而且在隱性損傷積累的過程中，微小的外界作用都有可能對結(jié)構(gòu)造成致命的影響。其自由發(fā)展的后果往往是無任何明顯征兆的結(jié)構(gòu)突然垮塌［3］。因此，及時找出結(jié)構(gòu)段裂前的危險區(qū)域并進行在線監(jiān)測，對于鋼結(jié)構(gòu)的損傷檢測和評估具有較高的理論和實際工程應(yīng)用價值。

金屬磁記憶檢測是1997年俄羅斯學者杜波夫提出的一種新興無損檢測技術(shù)，該技術(shù)借助于天然的地磁場作用、金屬內(nèi)部各種微觀缺陷和局部應(yīng)力集中對磁作用的特殊反映機制，能夠?qū)﹁F磁體進行早期診斷［4，5］。金屬磁記憶檢測技術(shù)已經(jīng)在石油、機械、化工、電力、鐵路等部門開始推廣應(yīng)用，但在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域才處于起步階段。本文在金屬磁記憶原理的基礎(chǔ)上，提出了鋼結(jié)構(gòu)早期微裂紋診斷的磁記憶檢測識別機理模型。以典型建筑鋼材Q235鋼板為研究對象，通過靜力拉伸試驗，分析了整個拉伸過程中磁場信號的變化規(guī)律。分析表明，磁記憶是運用于建筑鋼結(jié)構(gòu)早期損傷檢測的有效方法。

2 鋼結(jié)構(gòu)磁記憶識別機理

2.1 磁記憶檢測基本原理

磁記憶檢測的原理實際上是磁彈性和磁機械效應(yīng)共同作用的結(jié)果［6］，磁彈性效應(yīng)的原理見圖1。當鐵磁構(gòu)件在周期性荷載和外磁場（如地磁場）的共同作用下，會在作用部位出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)強度以及自磁化增長的現(xiàn)象。其中，ΔBr為殘余磁感應(yīng)量的變化，Δσ為周期性荷載變化，He為外磁場。

圖1 磁彈性效應(yīng)原理圖Fig.1 Magneto-elastic effect schematic diagram

鐵磁物質(zhì)的磁化強度的變化與應(yīng)力或應(yīng)變等力學變量的變化密切相關(guān)的現(xiàn)象稱為磁機械效應(yīng)。鐵磁學研究表明，彈性應(yīng)力對鐵磁體不但產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發(fā)磁化方向。根據(jù)能量極小原理，當鐵磁體受到外力作用時，鐵磁體內(nèi)磁化強度會在應(yīng)力作用下被迫改變方向以減少應(yīng)力能，應(yīng)力能表達式：

式中，λs表示材料的磁致伸縮系數(shù)；σ為應(yīng)力；θ為應(yīng)力方向與磁化方向的夾角。

當金屬構(gòu)件受外力或者由于內(nèi)部缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中時，應(yīng)力集中區(qū)在微弱的地球磁場作用下發(fā)生自發(fā)磁化現(xiàn)象，產(chǎn)生磁極，以磁能的形式抵消部分應(yīng)力能，使總能量E趨于最小。并在此區(qū)域形成退磁場，使此處鐵磁體的磁導(dǎo)率最小，在其表面形成大大高于地球磁場強度的漏磁場。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作荷載消除后依然保留，“記憶”著應(yīng)力集中和微觀缺陷的位置，即所謂的磁記憶效應(yīng)［7］。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)磁記憶機理模型

從磁記憶檢測原理可知，缺陷漏磁場是磁記憶檢測的基礎(chǔ)。鋼結(jié)構(gòu)與應(yīng)力有關(guān)的早期隱性損傷所形成的微觀缺陷，以裂紋類缺陷為主。根據(jù)電磁學理論［8］，可將其簡化為無限長矩形槽，假定槽寬2b，深h，將裂紋壁上的磁荷等效為兩側(cè)均勻分布的兩條磁荷帶，即形成帶磁偶極子。其面密度為ρ，左右兩邊極性相反，采用等效帶偶極子模型模擬缺陷漏磁場。等效帶偶極子模型如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)微裂紋磁偶極子模型Fig.2 Steel structuremembermicro-crack magnetic dipolemodel

此時，槽壁上具有寬度為dη的面元上的磁荷載P點產(chǎn)生的磁場強度為

式中，

它們的x及y分量為

通過積分疊加后可得總的磁場分量Hx、Hy為

式中，ρ為帶磁偶極子面密度；μ0為真空磁導(dǎo)率，均為常數(shù)。

根據(jù)式（4），運用matlab軟件進行數(shù)值模擬分析。由于實際工程中，法向磁場信號比切向磁場更容易檢測到，僅對法向分量Hp（y）展開數(shù)值模擬。取提離高度y＝1，由于系數(shù)不影響函數(shù)形狀，為簡化問題且作為定性研究，不對其參與賦值。則由缺陷造成的漏磁場強度法向分量隨深度h和寬度b的分布曲線如圖3、圖4所示。

圖3 法向漏磁場隨深度分布曲線Fig.3 Leakage field distribution curve in normalwith different depth

圖4 法向漏磁場隨寬度分布曲線Fig.4 Leakage field distribution curve in normalwith differentwidth

在構(gòu)件含有微觀缺陷的部位即x＝0處，法向分量Hp（y）過零點且改變符號，以x＝0為中心對稱，并且具有較大的梯度。值得注意的是，裂紋深度與寬度的改變對磁記憶信號有一定的影響，隨裂紋深度的增加，法向磁場強度逐漸增強，同時具有更大的峰值與梯度；隨裂紋寬度的增加，缺陷附近法向磁場強度和梯度減小，但具有更大的峰值。實際檢測中，可根據(jù)法向磁場過零點及其梯度的變化情況，對鋼結(jié)構(gòu)潛在的裂紋類早期損傷的發(fā)展狀況進行判斷并及時發(fā)現(xiàn)危險部位，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)性脆性破壞。

3 試驗研究

3.1 試驗方法

為尋找構(gòu)件斷裂前潛在隱性損傷與法向磁場之間的關(guān)系，選用典型建筑用鋼Q235鋼材進行拉伸試驗研究。試件中央檢測區(qū)域長100 mm、寬30 mm、板厚10 mm，兩邊夾持部位與中央檢測區(qū)光滑過渡，用以保證拉斷位置處于中央檢測區(qū)，構(gòu)件形狀如圖5所示。以試件軸線b為對稱，等間距（間隔10 mm）劃上三條平行線，逐點檢測。試驗在西安建筑科技大學材料研究所的WAW-2000電液伺服萬能試驗機上進行，由計算機控制拉伸過程，如圖6所示。磁場信號采集設(shè)備選用高精度的WT10B型數(shù)字高斯計，精度0.01 mt。

圖5 試件形狀（單位：mm）Fig.5 Specimen shape（Unit：mm）

圖6 拉伸試驗機Fig.6 Tensile testingmachine

為了解構(gòu)件的力學性能，首先對該試件進行了拉伸實驗，得到Q235構(gòu)件的實際屈服荷載為90 kN，斷裂荷載為128.3 kN。選用3根試件1＃、2＃、3＃進行拉伸實驗，彈性階段分0、30 kN、60 kN、90 kN四級加載，塑性階段分100 kN、110 kN、120 kN、128.3 kN四級加載。檢測過程中高斯計探頭緊貼構(gòu)件表面，以減小提離高度的影響。整個試驗都在拉伸機上在線測量，使試件在各個階段處于同一外界環(huán)境，有效消除了外界環(huán)境的改變對缺陷漏磁場所造成的影響。

3.2 試驗結(jié)果與分析

靜載拉伸過程中隨外加荷載的變化，同一試件三條測線的磁場信號表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，僅在數(shù)值上略有不同，每個試件僅選擇其中的一條b測量線進行分析。圖7為各試件加載斷裂前的法向磁場信號隨荷載的變化情況。

施加軸向拉伸荷載后，三個試件均表現(xiàn)出良好的磁特性，出現(xiàn)唯一過零點位置。零值點左側(cè)HP（y）為負值，右側(cè)HP（y）為正值。由于未做消磁處理，構(gòu)件的初始磁信號并不為零，構(gòu)件兩端磁場信號值（絕對值）最大，這與樣品加工及夾持過程中端部被磁化有關(guān)。整個加載過程，法向磁場強度隨荷載的增加而緩慢增大，表明構(gòu)件的應(yīng)力集中程度逐漸增強。彈性階段內(nèi)，磁場信號較為平緩，與初始磁場信號曲線有較強的相似性；塑性階段，磁場強度在曲線中部有變陡峭的趨勢。

斷裂后三個試件的磁記憶曲線如圖8所示。斷裂處的磁化向量轉(zhuǎn)向與外應(yīng)力方向一致，試件內(nèi)各磁疇磁化強度相互疊加，致使該處法向磁場強度激增，同時其它區(qū)域磁疇磁化向量也發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)動，但遠小于斷口處。試件拉斷后，原本貫穿于試件內(nèi)部的磁力線在斷口處中斷，使斷口兩側(cè)形成極性相反的兩個磁極，磁場強度曲線出現(xiàn)波峰與波谷現(xiàn)象。

圖7 不同荷載下構(gòu)件的磁記憶信號分布圖Fig.7 Magneticmemory signal distribution of specimens with different loads

從加載到最終斷裂，磁場強度零值線并不固定在一個位置，而是在一定范圍內(nèi)發(fā)生了漂移。隨著拉伸荷載的增加，過零點位置逐漸趨向于最終斷裂位置，在斷口處磁場強度急劇改變，零值點位置與斷口位置一致。以試件1＃為例進行說明，整個加載過程中，零值線位置由零載時的x＝65 mm，30 kN時的x＝63mm逐漸向左靠攏，最終在x＝55mm左右位置斷裂，圖9為1＃試件斷裂前后對比圖。對比最后斷裂位置發(fā)現(xiàn)1＃試件受載后的最大漂移距離約為10 mm。另兩試件的最大漂移距離分別為11 mm、9 mm，綜合誤差10%左右。表明利用法向磁場過零點來判斷危險區(qū)的方法，對Q235鋼材有重要的指導(dǎo)意義。

對鋼結(jié)構(gòu)進行早期損傷判斷的一個重要依據(jù)就是提早發(fā)現(xiàn)潛在破壞區(qū)域，及時找出可能出現(xiàn)危險的時刻。針對塑性階段構(gòu)件的法向磁場有明顯變陡峭的變化，采用origin軟件的二階差分法對所提取的磁場強度值進行微分，不同荷載下的曲線斜率即梯度K＝d HP（y）／d x的變化如圖10所示。

圖8 各試件斷裂后磁場分布圖Fig.8 Magneticmemory signal distribution of specimens after fracture

圖9 1＃試件斷裂前后對比Fig.9 omparison of specimen 1＃before and after fracture

圖10 不同荷載下各試件的磁場梯度分布圖Fig.10 Magnetic gradient distribution of specimens with different loads

圖11為試件斷裂后的梯度曲線，斷口處磁場梯度激增，形成明顯的波峰，在斷口位置有最大值。

圖11 各試件斷裂后磁場梯度分布圖Fig.11 Magnetic gradient distribution of specimens after fracture

三根試件梯度曲線雖然在數(shù)值上略有差別，但表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，每級荷載下，磁場梯度K在構(gòu)件兩端呈現(xiàn)較小值，在中間區(qū)域呈現(xiàn)較大值。隨荷載的增大，K值緩慢增加，在彈性范圍內(nèi)圖形比較接近，在強化階段梯度曲線出現(xiàn)明顯尖端，梯度峰值Kmax有很大突變。加載過程中Kmax逐漸向某一區(qū)域聚攏，最終出現(xiàn)在試件斷裂處。發(fā)現(xiàn)，Kmax位置同樣并非一一對應(yīng)著潛在破壞面，強化階段以前，梯度峰值點在破壞截面附近一定范圍內(nèi)較平緩地波動；當加載到110 kN試件進入強化階段后，三個試件的梯度曲線均出現(xiàn)明顯尖端，梯度峰值突變，峰值點位置已很接近最終斷裂面。

以1＃試件為例進行分析，在0～100 kN范圍內(nèi)，法向漏磁場梯度峰值Kmax都集中在0.004～0.0045 mt·mm－1左右，無較大波動，峰值點位于x＝40mm附近。當荷載加到110 kN、120 kN時，Kmax突變到0.005 5mt／mm、0.006 5mt／mm，出現(xiàn)劇烈波動，峰值點位于x＝50mm附近，與最終斷裂位置十分接近。試件最終斷裂荷載為128.3 kN，Kmax激增到0.14 mt／mm，峰值點位于x＝55 mm附近，與試件斷口發(fā)生位置高度吻合。觀察拉伸試驗機所繪制的荷載-位移曲線圖12發(fā)現(xiàn)，試件在荷載加到110 kN已進入強化階段并開始逐漸進入頸縮階段，表明此刻構(gòu)件即將破壞失效。

圖12 荷載-位移曲線Fig.12 Force-displacement curve

可根據(jù)梯度峰值迅速增強的突變時刻，作為構(gòu)件即將破壞前危險時刻的判據(jù)；以Kmax位置對構(gòu)件失效前的潛在危險面進行補充判斷：峰值突變之前所對應(yīng)的位置可作為區(qū)域參考判據(jù)；峰值產(chǎn)生劇烈突變后所對應(yīng)的位置可作為確定性判據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）以金屬磁記憶基本原理為基礎(chǔ)，提出關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)微裂紋型隱性損傷的漏磁場模型，在含微觀缺陷的地方法向磁場過零點，且梯度有最大值。

（2）以Q235建筑鋼試件為研究對象，分析了拉伸過程中磁場信號變化規(guī)律，表明受拉鋼構(gòu)件應(yīng)力變化與其磁記憶信號變化有一定對應(yīng)關(guān)系。法向磁場過零點及磁場梯度峰值位置可用于判斷構(gòu)件失效前的潛在破壞位置，Kmax突變時刻可用于判斷構(gòu)件危險時刻。

（3）鋼構(gòu)件裂紋的深度與寬度改變對磁場信號的變化有一定影響關(guān)系，尚需進一步試驗研究。

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Identification M echanism and Experiment of M etal M agnetic M emory in Steel Structure Imp licit Damage Testing

WANGWei FAN Hao*YANGWeisheng LIU Jing
（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Based on themechanism ofmetalmagnetic memory testing，the early micro crac damage ofmagnetic memory testingmodel for building steel structure are proposed.The magnetic memory effect of typical structure steel Q235-steel under static-load were studied，and magnetic field signal of different loading stages weremeasured byWT10B digital gaussmeter.The results show that there are some correlation relationship between the normalmagnetic field and the loads.The normalmagnetic field intensity and the gradient can be used to locate hazardous area of specimens，the dangerousmoment can be judged by the maximum magnetic field gradient.The research indicate that themagneticmemory testing is an effectivemethod for diagnosing the early implicit damage of building steel structure.

steel structure，metalmagneticmemory，implicit damage，physicalmechanism model，tensile experiment

2013－09－02

陜西省教育廳自然科學基金（12JK0913），國家自然科學基金面上項目（51478383）。*聯(lián)系作者，Email：hao66880＠126.com