袁周致遠(yuǎn)，吉伯海，傅中秋，劉 榮，程 苗

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098)

近年來，交通基礎(chǔ)建設(shè)得到迅猛發(fā)展，各地興建了大量的大跨度鋼橋，但鋼材的自身特點(diǎn)在車輛荷載的反復(fù)作用下容易產(chǎn)生疲勞損傷。常用的探傷的方法主要有超聲波探傷、磁粉探傷及射線探傷。超聲波探傷對(duì)粗糙、形狀不規(guī)則、小、薄或非均質(zhì)材料難以檢測(cè)。磁粉探傷只能針對(duì)表面或近表面的裂紋。射線探傷由于其器材費(fèi)用高、對(duì)人體有傷害、且檢測(cè)速度慢、攜帶不方便，不易發(fā)現(xiàn)小裂紋而不適用于橋梁鋼面板的檢測(cè)。

目前，電阻法[1]探傷已經(jīng)初步在許多領(lǐng)域應(yīng)用起來，但更多地僅限于金屬構(gòu)件的損傷檢測(cè)[2-4]、評(píng)定[5]及預(yù)測(cè)金屬材料疲勞壽命[6-7]，對(duì)于鋼橋面板疲勞裂紋檢測(cè)尚未研究和應(yīng)用。筆者提出了基于電阻變化規(guī)律[8]來檢測(cè)鋼橋面板疲勞裂紋的方法，在理論與有限元分析基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)量影響因素及測(cè)點(diǎn)布置[9-11]方式進(jìn)行的研究分析，通過U肋部位疲勞裂紋試驗(yàn)驗(yàn)證，并計(jì)算出檢測(cè)部位有效損傷率及斷面損傷面積，給出3種適合實(shí)際裂紋檢測(cè)的方法。

1 電阻法檢測(cè)原理

假設(shè)鋼板的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為R0，實(shí)測(cè)電阻值為R1，則斷面損傷率D按式(1)計(jì)算：

(1)

對(duì)于電阻法檢測(cè)裂紋而言，其斷面損傷率D按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：A0為斷面面積；A1為損傷面積。

根據(jù)斷面損傷面積A1和測(cè)點(diǎn)有效分布寬度b可推算裂紋的等效深度[12]h：

(3)

斷面損傷面積是針對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)而言的，如圖1。在水平鋼板上施加電流時(shí)，電流有一定的有效分布寬度b，其值的大小與兩電極之間的距離L有關(guān)，L越小，b值就越小。因此在合理的測(cè)點(diǎn)布置情況下，測(cè)點(diǎn)之間的距離B就可以作為有效分布寬度b的值。

圖1 有效分布寬度示意Fig.1 Effective distribution width

2 電阻法檢測(cè)影響因素分析

2.1 板 寬

板寬影響著電阻計(jì)算的邊界條件。圖2(a)表明：在同一電極間距下，板寬達(dá)到一定時(shí)，電阻值逐漸趨于平穩(wěn)，該平穩(wěn)點(diǎn)可以當(dāng)作測(cè)點(diǎn)的有效分布寬度。不同電極間距對(duì)比看出電極間距越小，其趨于平穩(wěn)的板寬越小。減小測(cè)點(diǎn)間距，能夠沿裂紋方向布置更多的測(cè)點(diǎn)，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 電極間距

保持板寬不變，建立電極間距與測(cè)點(diǎn)電阻值之間關(guān)系，如圖2(b)。板寬越小，電阻值對(duì)電極間距的變化敏感性大；板寬越大，電阻值的變化幅度就越小。對(duì)于鋼橋面板來說，其板寬相對(duì)于電極間距，可以當(dāng)作無窮大，即每組測(cè)點(diǎn)的邊界條件近乎是一致的。因此，在對(duì)隱蔽裂紋進(jìn)行初步探查時(shí)，增大電極間距對(duì)于探測(cè)裂紋的靈敏度無多大影響。

圖2 電阻變化規(guī)律Fig.2 Variation of electrical resistance

2.3 裂紋附近測(cè)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

有限元實(shí)體模型的尺寸為600 mm × 600 mm × 14 mm的平鋼板，中間設(shè)一短裂縫，如圖3。沿x軸方向每隔50 mm分別布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)。得到11組電阻值，繪制成折線圖，見圖4。

圖3 帶裂紋平板有限元模型和測(cè)點(diǎn)布置情況Fig.3 Finite element model of deck with the crack and layout of measurement points

圖4 裂紋附近測(cè)點(diǎn)阻值變化規(guī)律Fig.4 Changing law of electrical resistance near the crack

從圖4看出，位于裂紋附近的電阻值比其它測(cè)點(diǎn)電阻值大，曲線呈現(xiàn)明顯的單峰。由此可以判斷曲線峰值附近對(duì)應(yīng)的部位存在缺陷或裂紋。從圖4中曲線趨勢(shì)來看，裂紋存在于測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)8之間。位于裂紋遠(yuǎn)處的測(cè)點(diǎn)，如測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)9～測(cè)點(diǎn)11的電阻值大小受單元?jiǎng)澐旨班徑鼫y(cè)點(diǎn)電流干擾存在正常波動(dòng)。

筆者針對(duì)電極間距分別為100，200 mm做了電阻值計(jì)算分析對(duì)比，如圖5。電極間距越大，曲線峰值越不明顯，裂紋判斷的準(zhǔn)確度也會(huì)降低；但曲線峰值對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)邊距近似一致。因此，大電極間距只能夠用于初步掃查，確定裂紋初步位置，小電極間距用于準(zhǔn)確定位和確定裂紋起始點(diǎn)。

圖5 不同電極間距下裂紋附近測(cè)點(diǎn)阻值變化規(guī)律對(duì)比Fig.5 Comparison of changing rule of electrical resistance near the crack with different electrode spacings

3 裂紋分布結(jié)果判斷

改變測(cè)點(diǎn)布置方式，以裂紋中心為圓心，電極間距為直徑，依次布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖6。

圖6 環(huán)形電極有限元模型及測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Finite element model of annular electrode and layout of measurment points

繪制似“雷達(dá)圖”，如圖7。其中測(cè)點(diǎn)6的電阻值最大，測(cè)點(diǎn)1電阻值最小。從實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置與裂紋開裂方向來看，測(cè)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)的方向近似為裂紋方向，通過尋找測(cè)點(diǎn)最大值可以判斷裂紋方向。增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量，能夠提高準(zhǔn)確度。

圖7 環(huán)形電極測(cè)點(diǎn)電阻值變化規(guī)律Fig.7 Changing law of annular electrode resistance at measurement points

4 電阻法裂紋檢測(cè)方法應(yīng)用

4.1 測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包括兩方面的內(nèi)容：①開裂部位檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)；②裂紋走向的測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)。前者的作用是檢測(cè)是否存在裂紋，后者的作用是判斷裂紋的走向。

1)表面可見裂紋。由于其已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，故可以直接在裂紋附近布置測(cè)點(diǎn)。對(duì)于1組探頭測(cè)量而言，可采用逐點(diǎn)測(cè)量法(圖8)，即沿著裂紋方向布置的測(cè)點(diǎn)逐個(gè)測(cè)量。對(duì)于多組探頭，可采用跳點(diǎn)測(cè)量法(圖9)，即先測(cè)量相隔1或2個(gè)測(cè)點(diǎn)上的電阻值，然后再回過來測(cè)量剩余點(diǎn)處的電阻值。

圖8 逐點(diǎn)測(cè)量法示意Fig.8 Point by point method

圖9 跳點(diǎn)測(cè)量法示意Fig.9 Jump point method

2)隱蔽裂紋。首先增大探頭間距，提高檢測(cè)范圍，待發(fā)現(xiàn)電阻變化后，采用逐步逼近法，減小探頭之間距離，提高檢測(cè)精度(圖10)。檢測(cè)到裂紋后，采用環(huán)形測(cè)點(diǎn)法(圖11)進(jìn)行裂紋走向判定。測(cè)點(diǎn)最大阻值所對(duì)應(yīng)的方向可近似作為裂紋開裂方向。沿著預(yù)判方向繼續(xù)測(cè)查，直到每個(gè)方向測(cè)點(diǎn)電阻值近似相等，將預(yù)判方向依次連接，即可當(dāng)作裂紋延伸走向。

圖10 逐步逼近法測(cè)量示意Fig.10 Stepwise approximation method

圖11 裂紋走向測(cè)點(diǎn)布置Fig.11 Crack trend and layout of measurement points

4.2 試驗(yàn)試件及裝置

本驗(yàn)證試驗(yàn)采用的雙臂電橋型號(hào)為QJ84A。試件材料為Q345鋼材，模擬鋼橋面板與U肋連接部位。該試件已經(jīng)過疲勞試驗(yàn)，在面板和U肋連接處產(chǎn)生沿U肋縱向的裂縫，如圖12。

圖12 試件斷面Fig.12 Fracture of specimen

4.3 檢測(cè)結(jié)果分析

雙臂電橋裝置分別在U肋兩側(cè)(A、A′)、U肋外面(B、B′)、U肋內(nèi)面(C、C′)布置。實(shí)測(cè)鋼板沿程電阻值數(shù)據(jù)如表1，沿程電阻變化如圖13。

表1 鋼板沿程實(shí)測(cè)電阻值

圖13 鋼板電阻沿程變化Fig.13 Electrical resistance of specimen

除去該異常點(diǎn)，可以看到其他測(cè)點(diǎn)電阻值的變化規(guī)律，如圖14。U肋兩側(cè)電阻值隨著測(cè)點(diǎn)邊距增大，曲線逐漸向上延伸。在測(cè)點(diǎn)邊距25.5 cm處電阻值達(dá)到最大。這說明沿著U肋縱向，裂紋深度增大，截面損傷嚴(yán)重。

圖14 去除異常點(diǎn)后實(shí)測(cè)電阻變化規(guī)律Fig.14 Electrical resistance of specimen removing abnormal point

在U肋外面測(cè)點(diǎn)和U肋內(nèi)面測(cè)點(diǎn)的電阻值，存在小幅波動(dòng)，曲線峰值不明顯?？紤]焊縫尺寸不均勻及測(cè)量誤差，相對(duì)于U肋兩側(cè)，可以認(rèn)為U肋和頂板連接處不存在疲勞裂紋。這也符合實(shí)際鋼板疲勞裂紋開裂變化情況。

由式(1)、式(3)對(duì)U肋兩側(cè)分別計(jì)算截面損傷率D和裂紋等效深度h，結(jié)果如表2。

表2 截面損傷率和裂紋等效深度計(jì)算結(jié)果

試件實(shí)際厚度為1.4 cm。試件切割后通過斷面觀察疲勞裂紋，在測(cè)點(diǎn)邊距2.3 cm處幾乎不存在疲勞裂紋，把該處的阻值作為標(biāo)準(zhǔn)阻值。在測(cè)點(diǎn)邊距為25.5 cm處鋼板疲勞裂紋計(jì)算深度為1.32 cm，符合實(shí)際近乎裂透的情況，并有一定的鐵銹。因此在該測(cè)點(diǎn)的U肋實(shí)測(cè)電阻值相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)阻值異常，并且很大。

5 結(jié) 論

1)電極間距越小則檢測(cè)精度越高。在實(shí)際鋼橋面板疲勞裂紋檢測(cè)中，測(cè)點(diǎn)的邊界條件可以認(rèn)為近乎一致，電極間距的大小對(duì)實(shí)測(cè)值的變化影響較小。因此大電極間距適合裂紋位置的初步判斷，小電極間距適合裂紋的精確定位。

2)對(duì)裂紋附近測(cè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立裂紋分布結(jié)果的判斷方法并提出逐點(diǎn)測(cè)量法、跳點(diǎn)測(cè)量法、環(huán)形測(cè)點(diǎn)法3種測(cè)量方法，用于檢測(cè)裂紋開裂部位及判斷裂紋延伸方向。

3)對(duì)存在疲勞裂紋的試件進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)點(diǎn)沿程變化情況。計(jì)算所得的斷面損傷率和裂紋等效深度符合鋼板實(shí)際裂紋深度情況，驗(yàn)證電阻法檢測(cè)鋼橋疲勞裂紋方法具有較好的精度。

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