王 威，任英子，蘇三慶，馬小平，牛曉波，董鸝寧

(1. 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2. 成都基準方中建筑設計有限公司，四川 成都 610021；3. 西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

目前，鋼結構在大跨橋梁及高層建筑等中廣泛應用，而由于復雜的結構及應力作用，鋼構件在服役過程中，不可避免地會發(fā)生早期損傷[1]，隨著早期損傷的積累，剛度和穩(wěn)定性的降低將影響整個結構的正常運行和安全性[2].鋼結構中，應力集中和各種微觀缺陷擴展容易引發(fā)結構和構件的脆性破壞[3]，發(fā)生這類損傷的主要原因是因為沒有一種較好的無損檢測技術能及時檢測出鋼結構的隱性損傷.結構早期損傷的監(jiān)測與安全評定技術是土木工程領域所面臨的嚴峻問題.鋼結構的損傷按位置可以分為構件損傷和節(jié)點區(qū)域損傷.按照損傷引起的原因及損傷機理可以分為多周期、動力荷載作用下的疲勞損傷(鋼箱梁常見的疲勞損傷主要為正交異性鋼橋面板的疲勞[4]等)及由于環(huán)境作用引起的鋼材腐蝕的損傷；不可抗力如地震、火災、暴風雨、海嘯等作用造成鋼結構強度退化及塑性變形等損傷[5].常規(guī)的無損檢測技術如超聲、渦流等檢測方法只能檢測構件表面的宏觀損傷，無法檢測到鋼結構構件的微觀隱性損傷[6].雖然微觀隱性損傷發(fā)展成為宏觀顯性損傷要有一段過程，但在這段損傷累積的過程中，很小的外界作用都可能造成結構突然垮塌.因此，及時檢測出鋼結構斷裂前的危險區(qū)域，對鋼結構的損傷檢測具有極其重要的實際應用價值.

1997年，俄羅斯學者Doubov在第50屆國際焊接學術會議上提出金屬磁記憶檢測技術[7]，該檢測技術是一種基于鐵磁構件表面漏磁場進行的新型無損檢測技術，能夠診斷出構件以應力集中為主要特征的早期隱性損傷，甚至可以防止結構突然失效[8-10].金屬磁記憶檢測的理論基礎主要是磁機械效應，磁機械效應是指磁化強度M的變化與應力σ或應變ε等力學量的變化密切相關的現象.磁致伸縮效應、壓磁效應及磁彈性效應都是磁機械效應的一種[11].作為一種新型無損檢測方法，磁記憶檢測技術已經引起了人們的廣泛關注[12-13]，但迄今為止，關于磁記憶檢測技術的研究都是定性化研究，無法定量化分析磁記憶信號與應力之間的關系.在橋梁鋼結構領域，受力構件大部分為帶波紋腹板的鋼箱梁及PC組合梁，這種類型的梁在各類公路、鐵路、公鐵兩用及城市人行天橋等工程中得到廣泛應用.

本文以橋梁鋼材Q345qC制成的波紋腹板鋼箱梁為研究對象，通過受彎試驗，分析了波紋鋼腹板受彎過程中，沿腹板高度方向的磁記憶信號變化，進而對基于磁記憶檢測的波紋鋼腹板抗剪性能表征技術進行了研究，以期待為磁記憶檢測技術運用于橋梁鋼結構領域提供試驗及理論參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本試驗設計了4根波紋腹板鋼箱梁試件，分為1 800 mm和2 100 mm兩組，每組兩根，以避免相關的偶然性.4根試件的截面尺寸相同，試件上、下翼緣板厚8 mm，試件的波紋鋼腹板由壓制而成的6 mm厚鋼板制成，且橋鋼箱梁試件的波紋與常用1 000型波紋腹板尺寸比為1∶4，試件的波紋鋼腹板單元尺寸和鋼箱梁橫截面尺寸分別如圖1和圖2所示.

為防止試件在加載過程中發(fā)生失穩(wěn)，在試件的上、下翼緣處焊接縱向加勁肋，加勁肋高40 mm，厚6 mm.波紋腹板橋鋼箱梁的三維圖及照片分別如圖3和圖4所示.

圖1 波紋鋼腹板單元尺寸(單位：mm)Fig. 1 Element dimensions of corrugated steel web(Unit:mm)

圖2 波紋腹板鋼箱梁截面尺寸(單位：mm)Fig. 2 Cross section size of corrugated web steel box girder(Unit:mm)

圖3 波紋腹板鋼箱梁三維圖Fig. 3 Three-dimensional drawings of corrugated web steel box girder

圖4 焊接成形的波紋腹板鋼箱梁Fig. 4 Welded corrugated steel box girder

1.2 試件材性

Q345qC[14]鋼由于具有良好的力學性能、焊接性能及低溫變形能力，在橋梁的鋼結構焊接構件方面有廣泛的應用.對采用具有代表性的Q345qC鋼的試件進行基于磁記憶檢測的受彎試驗研究，具有重要的理論及工程價值.材料的力學性能及化學成分分別見表1和表2.

表1 Q345qC鋼的主要化學成分(質量分數‰)Tab.1 The main chemical composite of Q345qC steel (Mass fraction ‰)

表2 Q345qC鋼的力學性能Tab.2 Mechanical behavior of Q345qC steel

1.3 試件加載和數據測量

波紋腹板鋼箱梁四點受彎試驗在YAJ20000型電液伺服壓剪試驗機上進行.在對試件進行加載時，支座分別設置在距試件的左右兩邊各0.15 m的內側，使鋼箱梁的跨度分別為1 800 mm和1 500 mm.在試件上翼緣外伸部分布置第一條檢測線，即檢測線1-1′，在波紋腹板上，自上而下等間距布置5條檢測線，依次為檢測線1-1′、2-2′、3-3′、4-4′和5-5′；在靠近畫有檢測線的腹板一側下翼緣等間距的選取4條檢測線，由外至內依次為檢測線1-1′、2-2′、3-3′和4-4′，除在1 800 mm鋼梁上設加密點外，檢測線上各檢測點之間的距離均為50 mm，加密點之間的間距為25 mm.鋼箱梁試件表面的磁記憶信號采集設備采用EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀.取L=1.5 m試件的檢測線分布如圖5所示，試驗的加載示意如圖6所示.

圖5 試件檢測線分布圖(單位:mm)Fig. 5 Distribution of test line (Unit:mm)

圖6 受彎試驗加載示意圖(單位:mm)Fig. 6 Schematic diagram of bending test loading (Unit:mm)

試驗前，對鋼梁及支座進行對中、調平，對反力支撐支座間距進行精準調節(jié)并檢查設備的運轉，使構件處于受彎狀態(tài).根據公路鋼結構橋梁設計規(guī)范[15]和組合折腹板橋梁設計模式指南[16]計算得到：不考慮波紋腹板鋼箱梁的塑性發(fā)展時，跨度為1.8 m的試件的屈服荷載約為900 kN；跨度為1.5 m的試件的屈服荷載約為1 000 kN.為研究試件在彈性及塑性階段的磁記憶信號變化情況，對試件進行分級加載至試件的承載力極限狀態(tài)，無法繼續(xù)加載時，再進行保載檢測.因此，對跨度L=1.5 m的試件，加載至0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、900 kN、1 000 kN、1 050 kN及承載極限狀態(tài)時，分別對磁記憶信號進行檢測；對跨度L=1.8 m的試件，加載至0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、900 kN、1 000 kN、1 050 kN及承載極限狀態(tài)時，分別對磁記憶信號進行檢測.跨度L=1.5 m的鋼箱梁試件的失穩(wěn)荷載為1 123 kN，跨度L=1.8 m的鋼箱梁試件的失穩(wěn)荷載為1 100 kN.試驗均在相同實驗室的環(huán)境下進行操作，同時保持檢測方法不變.每個測點讀取三次磁記憶信號數值，以減少隨機誤差的影響.

2 試件腹板表面磁記憶信號檢測

2.1 初始階段試件腹板表面磁記憶信號

初始階段，跨度L=1.5 m的鋼箱梁試件的腹板表面磁記憶信號曲線如圖7所示.

由圖7可知，試件腹板檢測線上的初始磁記憶信號變化雜亂無規(guī)律，磁記憶信號強度基本大于零.磁記憶信號曲線上存在“過零點”現象，但由于初始階段腹板表面不存在應力集中現象，初始階段磁記憶場強正負變化出現的“過零點”現象無實際評判意義.

圖7 跨度L=1.5 m試件腹板初始磁記憶信號曲線Fig. 7 Initial magnetic memory signal curve of span L=1.5 m specimen

2.2 加載階段腹板表面磁記憶信號

加載過程中，對試件腹板表面的磁記憶信號進行檢測，提取有效的磁記憶信號特征，研究沿腹板高度方向，磁記憶信號在不同檢測線上的變化情況.圖8為加載過程中，跨度L=1.5 m試件腹板表面的磁記憶信號變化情況.

由圖8可以看出，不同檢測線上的磁記憶信號曲線大體變化趨勢相同，但相互之間存在一定的差異性.試件失穩(wěn)前，檢測線1-1′至5-5′的磁記憶信號變化規(guī)律表現出相同的變化趨勢，檢測線上的磁記憶強度都為正值；在豎向集中力加載處(L=500 mm和L=1 000 mm處)出現“波峰”，即正向極值，且加載處“波峰”幅值隨著荷載的增大而增大，表明該部位應力集中程度增大；主要是由于隨著荷載的增大，腹板表面剪應力增強，荷載磁化作用增強，進而磁記憶信號增加；而從檢測線1-1′至檢測線5-5′，“波峰”幅值在逐漸降低，磁記憶信號強度大約由100 A·m-1降至70 A·m-1，隨著檢測線離集中力加載位置距離的增大，集中力的磁化效果減弱，因此，“波峰”部位的磁記憶信號逐漸減弱.加載至試件失穩(wěn)后，磁記憶信號出現正負突變現象，并且在豎向集中力加載處出現“波谷”，即反向極值，主要原因是由于鋼箱梁失穩(wěn)屬于分岔失穩(wěn)，造成應力應變發(fā)生突變，最終導致磁記憶信號相應的發(fā)生正負突變[17].

圖8 跨度L=1.5 m試件加載過程中腹板的磁記憶信號曲線Fig. 8 Magnetic memory signal curve of web of L=1.5 m specimen during different loading value stage

對比圖7和圖8可知，鋼箱梁腹板表面檢測線上的磁記憶信號曲線，都是由無序到有序.磁記憶強度值由初始階段存在“過零點”發(fā)展成為加載后的磁記憶信號強度全為正值，或負值，出現上述磁特性主要是由于試件在初始階段受輕微外力和表面殘余應力等因素的作用，而在加載階段主要受外加荷載的作用.進而說明鐵磁材料試件對外加荷載的“感知”更加敏感.

為研究波紋腹板抗剪性能的磁記憶信號，集中力加載位置相對應位置的磁記憶信號并不具有代表性.因此需進一步研究其他位置的磁記憶信號變化.

3 基于磁記憶的波紋鋼腹板抗剪性能表征

3.1 波紋鋼腹板的抗剪性能

波紋鋼腹板所受的剪應力分為由箱梁彎曲引起的剪應力、箱梁扭轉所引起的剪應力以及腹板自身變形所引起的畸變剪應力等[18].用計算表達式可以表示為

τ=τα+τt1+τt2

(1)

式中：τα為彎曲剪應力，τt1為自由扭轉剪應力，τt2為約束扭轉剪應力.

鋼箱梁波紋鋼腹板的縱向正應變在彈性范圍內幾乎為零；在波紋鋼腹板屈曲以前，荷載與剪應變呈線性關系，且剪應力沿梁高幾乎恒定，在腹板屈曲以后，應變值快速增大，結構發(fā)生脆性破壞[19-20].由于腹板扭轉所產生的扭轉剪應力的影響因素較為復雜且難以推導，因此，通常不考慮扭轉應力的影響，將剪應力理想化為

(2)

式中：Qw為波紋鋼腹板的設計剪力，Aw為波紋鋼腹板總斷面積，Qp為預應力豎向分量，Q為剪力設計值，hw為波形腹板高，t為波形腹板厚度.沿波高方向的剪應力分布如圖9所示.

圖9 波紋鋼腹板沿波高的剪應力分布圖Fig. 9 Shear stress distribution of corrugated steel web along wave height direction

影響波紋鋼腹板抗剪屈曲荷載的與自身有關的主要因素有兩個，分別是組成材料和尺寸.影響波紋鋼腹板抗剪性能的尺寸參數有：直板長度、腹板厚度、斜板傾角變化和梁高.隨著直板長度的增加，波紋鋼腹板的抗剪屈曲能力會隨之降低，其受剪的最大變形在逐漸變小.隨著波紋鋼腹板的厚度逐漸增加，其抗剪屈曲荷載逐漸增加；隨著斜板傾角的的逐漸增大，鋼腹板屈曲區(qū)域逐漸增大，整體屈曲越來越明顯，并且屈曲變形逐漸增大；隨著梁高的增加，波紋鋼腹板的屈曲荷載逐漸減小，破壞時的變形增大[17].

波紋鋼腹板的抗剪屈曲破壞主要有：局部屈曲、整體屈曲和合成屈曲.這三種屈曲形式都是沿著腹板高度方向的強度以及抗剪強度校核[21].屈曲破壞形式示意圖如圖10所示.

圖10 波紋鋼腹板屈曲的三種破壞模式Fig.10 Three failure modes of corrugated steel webs

受彎試驗中，加載至鋼箱梁失穩(wěn)時，波紋鋼腹板呈抗剪合成屈曲破壞形式，試件失穩(wěn)時整個腹板表面均有變形，接近上翼緣位置有輕微的褶皺效應，接近下翼緣位置受拉，呈反向褶皺效應，中間位置向箱內輕微彎折變形[17]，如圖11所示.

圖11 鋼箱梁波紋腹板的破壞圖Fig.11 Failure diagram of corrugated web of steel box girder

3.2 沿鋼箱梁腹板高度方向的磁記憶信號變化

為研究基于磁記憶檢測的抗剪性能表征技術，需從沿腹板高度方向的磁記憶信號變化開始檢測.為研究沿整個波紋鋼腹板高度方向的磁記憶信號變化，需從鋼箱梁受彎時的彎剪段和純彎段選取代表截面，取截面處測點和相鄰兩測點的磁記憶信號的平均值，轉化為研究區(qū)域抗剪的磁記憶信號的變化規(guī)律.在跨度L=1.5 m的試件上，選取L=250 mm、L=750 mm和L=1 250 mm三個截面處及各自相鄰左右兩點的磁記憶信號平均值.將上翼緣集中力加載處梁高標定為零，故檢測線1-1′至5-5′上測點所在高度分別為8 mm、58 mm、108 mm、158 mm、208 mm.測點高度及截面示意圖如12所示.跨度L=1.5 m試件沿梁高方向的磁記憶信號在試驗加載過程中的變化如圖13所示.

圖12 鋼箱梁橫截面及沿豎向腹板的標定高度Fig. 12 Sketch of box girder cross section and calibration height along the vertical web

圖13 加載過程中跨度L=1.5 m試件沿梁高方向的磁記憶信號Fig. 13 Magnetic memory signals along the height of L=1.5 m girder during loading

由圖13可以看出，鋼箱梁試件腹板表面三個區(qū)域沿腹板高度方向自上而下的磁記憶信號，隨著標定梁高的增大而逐漸降低，即離豎向集中力加載點越遠，磁記憶信號強度越弱，而沿著梁高方向的剪應力均勻不變，其不影響腹板梁高方向的磁記憶信號變化；并且隨著荷載的增大，剪應力增大，截面磁記憶信號強度值也在增加.

3.3 磁記憶信號沿梁高方向的變化速率研究

由上述可知，影響磁記憶信號沿標定梁高法向的變化速率的因素可能主要有如下三個：彎剪段或純彎段區(qū)域，標定梁高，施加的荷載的大小.

建立參數Kh來表示磁記憶信號沿梁高方向自上而下的變化速率，以研究標定梁高對磁記憶信號變化速率的影響.因此，有

(3)

利用公式(3)計算出磁記憶信號變化速率，進而建立Kh-hy曲線.圖14為跨度L=1.5 m 的鋼箱梁試件腹板表面的Kh-hy曲線.

圖14 加載過程中跨度L=1.5 m試件腹板表面Kh-hy圖Fig. 14 Kh-hy diagram of web surface of span L=1.5 m specimen during loading

(4)

圖15 加載過程中跨度L=1.5 m試件腹板表面的曲線Fig. curve of web surface of span L=1.5 m specimen during loading

隨著荷載的增大，波紋腹板區(qū)域的平均磁記憶信號變化速率絕對值先增加后減小，這是因為在彈性階段，應力能在外力作用下增加，晶格系統能量增加.為了使系統重新穩(wěn)定，能量要重新分布，因此磁疇發(fā)生轉動、移動和疇壁消失降低能量，使系統達到新的平衡.磁疇壁的移動和磁矩的轉動增強了磁化作用，磁記憶信號變化率上升.在塑性階段，外應力增長很小，位錯的生成，產生釘扎效應，阻礙磁疇壁的移動和磁矩的轉動，同時鐵磁構件達到磁飽和狀態(tài)，進而磁化作用減弱，磁記憶信號變化速率降低.

由上述分析可見：磁記憶信號的變化速率不僅與試件所受力的大小有關，還與區(qū)域有一定關系.主要原因是：鋼箱梁試件在受彎過程中，幾乎所有的剪力都由波紋腹板承擔，所有的彎矩由上下翼緣承受[22]，且彎剪段承受剪力，純彎段剪力為零，波紋鋼腹板主要承受剪應力，波紋腹板表面沿高度方向的剪力只在彎剪段對Q345qC橋鋼鐵磁材料產生磁化作用，而在腹板純彎段所受剪力為零，沿高度方向的磁化作用只靠恒定外磁場和殘余應力等微弱因素的耦合磁化作用，因此純彎段區(qū)域平均磁記憶信號變化速率與彎剪段的變化規(guī)律有所不同.

3.4 彎剪段平均磁記憶信號的變化速率和剪力之間的量化關系的建立

圖16 加載過程中跨度L=1.5m試件腹板彎剪段曲線擬合圖Fig. fitting curve of L=1.5 m specimen of web bending section during loading

(5)

(6)

彎剪段剪力Q與集中荷載P的關系為

(7)

(8)

式(8)提出了波紋腹板上區(qū)域平均磁記憶信號變化率與剪力之間的量化對應關系.為后續(xù)研究奠定了定量化分析的基礎.在實際橋梁工程中波紋腹板鋼箱梁承受的是均布荷載和集中荷載的復合力，因此，剪力與磁記憶信號之間的關系需做進一步研究.此外，本試驗中磁記憶信號變化率為沿高度方向區(qū)域平均磁記憶信號變化率，尚未考慮與鐵磁材料磁化相關的其他因素的耦合作用，因此，公式具有一定局限性.

4 結論

(1) 在波紋腹板表面磁記憶信號曲線上，豎向集中力截面位置出現“波峰”極值，且隨著荷載的增大，“波峰”幅值越高，應力集中程度越大；試件失穩(wěn)時，磁記憶信號發(fā)生正負突變，以此可作為試件失穩(wěn)時的評判依據；隨著檢測線離集中力加載位置越遠，“波峰”幅值越低.

(2) 在波紋鋼腹板上，隨著標定高度的增大，材料的磁化作用減小，磁記憶信號降低；并且隨著荷載的增大，剪應力也增強，截面區(qū)域的磁記憶信號強度隨之增加.

(3) 影響磁記憶信號沿標定梁高法向的磁記憶信號變化速率的因素主要有兩個：彎剪段或純彎段區(qū)域、施加的荷載的大??；試件腹板表面磁記憶信號變化率與腹板高度無關.

(4) 波紋鋼腹板上彎剪段平均磁記憶信號變化速率與荷載的關系曲線近似呈拋物線分布，且區(qū)域平均磁記憶信號變化速率絕對值隨荷載的增加先增大后減??；腹板純彎段的區(qū)域平均磁記憶信號變化速率與彎剪段的變化規(guī)律有所不同.