陸 軍,王賢強(qiáng),張建東,陳春霖

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 長(zhǎng)大橋梁安全長(zhǎng)壽與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211112;2.河海大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210024)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、承載力強(qiáng)和工業(yè)化制造等優(yōu)點(diǎn),近年來逐漸在我國(guó)被推廣使用,建設(shè)規(guī)模得到大幅提升[1,2]。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造復(fù)雜、焊縫眾多、應(yīng)力集中,受到車輛荷載的反復(fù)作用,早期建設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞病害逐漸凸顯。疲勞裂紋產(chǎn)生后,擴(kuò)展速度快,嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性;裂紋擴(kuò)展后期直接威脅結(jié)構(gòu)安全,增加了修復(fù)難度和維修成本[3]。因此,應(yīng)對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行及時(shí)有效的檢測(cè),掌握疲勞裂紋既有狀態(tài)和擴(kuò)展趨勢(shì),為疲勞裂紋的評(píng)估決策和維修加固提供依據(jù)[4,5]。

目前,鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋的檢測(cè)方法主要包括:目視檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)和渦流檢測(cè)。目視檢測(cè)僅對(duì)涂層開裂可見的疲勞裂紋進(jìn)行識(shí)別,超聲檢測(cè)對(duì)表面和近表面裂紋不敏感,渦流檢測(cè)對(duì)表面平整度要求較高,受提離效應(yīng)影響顯著。目視、超聲、渦流檢測(cè)難以保證檢測(cè)精度,在疲勞裂紋的檢測(cè)上具有明顯不足。磁粉和滲透檢測(cè)可根據(jù)色差顯示對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè),判斷裂紋長(zhǎng)度及大致方向,但疲勞裂紋前端處于裂紋萌生狀態(tài),裂紋寬度極小,磁粉和滲透檢測(cè)無法進(jìn)行裂紋尖端的準(zhǔn)確定位,造成止裂孔偏位,影響止裂效果,這也是目前大量鉆孔止裂失效的主要原因。因此,亟需探索新的疲勞裂紋檢測(cè)方法,以彌補(bǔ)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足,提高疲勞裂紋尖端的定位精度,保證疲勞裂紋后續(xù)處治的止裂效果。

1 檢測(cè)原理

1.1 超聲相控陣

超聲相控陣探頭由多個(gè)晶片單元組合,每個(gè)晶片有單獨(dú)的發(fā)射和接收電路。當(dāng)晶片施加激勵(lì)電壓時(shí),每個(gè)晶片將產(chǎn)生各自聲場(chǎng),空間任意一點(diǎn)的聲壓是各個(gè)聲源發(fā)射的球面波在該點(diǎn)聲壓疊加的結(jié)果。按照一定時(shí)序激發(fā)超聲脈沖信號(hào),通過控制晶元激發(fā)的時(shí)間延遲改變各個(gè)晶元聲波的相位關(guān)系,調(diào)整聚焦點(diǎn)和聲束方位,實(shí)現(xiàn)相控陣的波束合成和成像掃描。聲波傳播到疲勞裂紋位置時(shí),會(huì)產(chǎn)生反射或衍射回波信號(hào),被探頭接收后形成缺陷圖像,以此可對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)與定量。

1.2 交流電磁場(chǎng)

ACFM通過激勵(lì)探頭在構(gòu)件表面激發(fā)感應(yīng)電流,無裂紋時(shí),感應(yīng)電流呈現(xiàn)均勻狀態(tài),存在裂紋時(shí),感應(yīng)電流在裂紋端點(diǎn)和兩側(cè)聚集,導(dǎo)致感應(yīng)磁場(chǎng)擾動(dòng),通過分析畸變磁場(chǎng)信息可識(shí)別疲勞裂紋。感應(yīng)磁場(chǎng)可以分解為x、y、z三個(gè)垂直方向的分量,x為與裂紋平行方向,y為與裂紋垂直方向,z為與構(gòu)件表面垂直方向,如圖1所示。磁場(chǎng)分量Bz在裂紋端點(diǎn)位置呈現(xiàn)波峰波谷特征信號(hào),磁場(chǎng)分量Bx在裂紋區(qū)域內(nèi)先降后升呈現(xiàn)出凹陷區(qū)域。可利用磁場(chǎng)分量Bz波峰波谷位置和Bx-Bz特征曲線的拐點(diǎn)位置判定裂紋尖端。

圖1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 試件制作

試件采用Q345qD結(jié)構(gòu)鋼制作,彈性模量為210 GPa。參照《金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》(GB/T 6398)制作試件,試件尺寸為680 mm×120 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚),在試件長(zhǎng)邊側(cè)中部切割20 mm預(yù)制開口,將試件兩端夾持在MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)錨頭處,施加正弦疲勞荷載,預(yù)制疲勞裂紋,加載力72±48 kN,加載頻率8 Hz,裂紋擴(kuò)展至預(yù)設(shè)長(zhǎng)度后停止加載。

共設(shè)計(jì)制作3個(gè)試件,如表1所示。S1試件不涂裝,S2試件預(yù)制疲勞裂紋后單面噴涂鋅鋁涂層體系(鋅鋁合金150 μm+環(huán)氧封閉漆50 μm+環(huán)氧云鐵中間漆150 μm+氟碳面漆80 μm),S3試件預(yù)制疲勞裂紋后單面噴涂環(huán)氧涂層體系(環(huán)氧富鋅底漆80 μm+環(huán)氧云鐵中間漆80 μm+氟碳面漆80 μm)。涂層面用于ACFM檢測(cè),非涂層面用于PAUT檢測(cè)。

表1 疲勞裂紋測(cè)試試件

加載過程中,采用DIC動(dòng)態(tài)測(cè)試疲勞裂紋的擴(kuò)展情況。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域噴涂散斑,DIC通過追蹤散斑圖像,對(duì)表面位移進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變,可以準(zhǔn)確判定疲勞裂紋尖端位置,并能顯示疲勞裂紋擴(kuò)展路徑。記錄各試驗(yàn)構(gòu)件疲勞裂紋的長(zhǎng)度,作為驗(yàn)證PAUT和ACFM檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

采用PAUT和ACFM對(duì)預(yù)制疲勞裂紋試件進(jìn)行測(cè)試。超聲相控陣檢測(cè)儀選用OLYMPUS OMNISCAN SX型相控陣系統(tǒng),32陣元一維線性陣列探頭,陣元間距為0.5 mm,激發(fā)陣元數(shù)16,采集頻率設(shè)置為30 Hz。在非涂裝面將探頭沿預(yù)制裂紋方向移動(dòng),觀察超聲相控陣檢測(cè)儀器顯示屏,直至缺陷信號(hào)在顯示屏中消失,量測(cè)探頭中心到試件邊緣的距離,作為疲勞裂紋長(zhǎng)度。ACFM檢測(cè)采用AMIGO2型ACFM便攜式探測(cè)儀,配備袖珍型探頭,以降低邊界效應(yīng)的影響。檢測(cè)過程中探頭在涂層面沿預(yù)制裂紋方向移動(dòng),特征信號(hào)出現(xiàn)代表探頭中心位置為裂紋尖端,在試件上標(biāo)出裂紋尖端位置,測(cè)量疲勞裂紋長(zhǎng)度,再將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入檢測(cè)儀中進(jìn)行修正,計(jì)算得到裂紋長(zhǎng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 PAUT測(cè)試結(jié)果分析

通過超聲相控陣圖像可以準(zhǔn)確識(shí)別疲勞裂紋,當(dāng)探頭移動(dòng)至裂紋尖端位置時(shí),裂紋衍射信號(hào)和圖像消失,檢測(cè)得到的疲勞裂紋長(zhǎng)度如表2所示。

表2 疲勞裂紋長(zhǎng)度PAUT檢測(cè)結(jié)果

由表2可以看出,S1、S2和S3試件的疲勞裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)相對(duì)誤差分別為1.92%、2.56%和4.26%,S3試件疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)試誤差較大,是由于超聲相控陣探頭較寬,尖端位置存在信號(hào)衍射所致。綜合來看,裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)精度在95%以上,表明PAUT能夠準(zhǔn)確定位疲勞裂紋尖端位置,并量化評(píng)估裂紋長(zhǎng)度。

3.2 ACFM測(cè)試結(jié)果分析

試件疲勞裂紋從預(yù)制缺口處擴(kuò)展,只有疲勞裂紋終點(diǎn)尖端。三個(gè)試件中Bz信號(hào)存在波谷,Bx-Bz特征信號(hào)為半蝴蝶形圓環(huán),ACFM準(zhǔn)確識(shí)別出了疲勞裂紋的存在,典型ACFM檢測(cè)信號(hào)圖像如圖2所示。對(duì)試件疲勞裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)估,如表3所示。S1、S2和S3試件的疲勞裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)相對(duì)誤差分別為1.20%、0.47%和2.95%,裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)精度在97%以上,表明ACFM檢測(cè)不受涂層的影響,對(duì)疲勞裂紋長(zhǎng)度具有較高的量化識(shí)別精度。斜拉橋鋼箱梁橫隔板弧形開孔處疲勞裂紋ACFM測(cè)試長(zhǎng)度為91.0 mm,涂層打磨后實(shí)測(cè)長(zhǎng)度91.6 mm,實(shí)橋測(cè)試誤差在5%以內(nèi),驗(yàn)證了ACFM不去除涂層進(jìn)行疲勞裂紋檢測(cè)的有效性。

表3 預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度ACFM檢測(cè)結(jié)果

圖2 預(yù)制疲勞裂紋ACFM檢測(cè)特征信號(hào)

4 結(jié) 論

(1)超聲相控陣能準(zhǔn)確識(shí)別疲勞裂紋尖端位置,裂紋長(zhǎng)度量化評(píng)估精度在95%以上,對(duì)疲勞裂紋的檢測(cè)識(shí)別和定量評(píng)估均具有較高精度。

(2)交流電磁場(chǎng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別疲勞裂紋,對(duì)裂紋長(zhǎng)度的評(píng)估準(zhǔn)確率達(dá)到97%,且不受涂層的影響,能在不去除涂層條件下實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋的檢測(cè)和定量評(píng)估。

(3)PAUT和ACFM檢測(cè)疲勞裂紋具有檢測(cè)速度快、定量精度高、受外因干擾小的優(yōu)勢(shì),可根據(jù)涂裝條件選擇合理方法,為疲勞裂紋尖端準(zhǔn)確定位提供了新途徑,提高了裂紋鉆孔止裂定位的準(zhǔn)確性。