工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系 苏三庆秦彦龙王威左付亮邓瑞泽刘馨为 Stress-magnetization of the state of flange damage to a bridge steel box beam based on magnetic memory detection SU San-qing.QIN Yan-long.WANG Wei,ZUO Fu-liang.DENG Rui-ze,LIU Xin-wei 引用本文： 苏三庆，秦彦龙，王威，左付亮，邓瑞泽，刘馨为.基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系叮工程科学学报，优先 发表.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.11.10.00214 SU San-qing,QIN Yan-long,WANG Wei,ZUO Fu-liang.DENG Rui-ze,LIU Xin-wei.Stressmagnetization of the state of flange damage to a bridge steel box beam based on magnetic memory detection[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi: 10.13374:issn2095-9389.2020.11.10.00214 在线阅读View online:https:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.10.00214 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系 苏三庆 秦彦龙 王威 左付亮 邓瑞泽 刘馨为 Stress‒magnetization of the state of flange damage to a bridge steel box beam based on magnetic memory detection SU San-qing, QIN Yan-long, WANG Wei, ZUO Fu-liang, DENG Rui-ze, LIU Xin-wei 引用本文: 苏三庆, 秦彦龙, 王威, 左付亮, 邓瑞泽, 刘馨为. 基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系[J]. 工程科学学报, 优先 发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.00214 SU San-qing, QIN Yan-long, WANG Wei, ZUO Fu-liang, DENG Rui-ze, LIU Xin-wei. Stressmagnetization of the state of flange damage to a bridge steel box beam based on magnetic memory detection[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.00214 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.00214 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
工程科学学报.第44卷，第X期：1-11.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-11,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.00214;http://cje.ustb.edu.cn 基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系 苏三庆四，秦彦龙，王威，左付亮，邓瑞泽，刘馨为 西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055 ☒通信作者，E-mail:sussqx(@xauat..edu.cn 摘要金属磁记忆检测技术由于其能够快速便捷的对铁磁性构件的损伤进行识别，且被认为具有识别隐性损伤的能力，而 被广泛研究.为推进金属磁记忆检测技术在桥钢箱梁损伤检测方面的应用，对桥钢箱梁进行了静力受弯试验，提取其变形最 严重的上翼缘磁信号分布，建立了损伤区域力与磁信号和磁信号梯度的关系曲线，并提出用磁场梯度指数来表征钢梁的受力 和损伤状态.结果表明：上翼缘磁信号曲线与应力变化形态正好相反，磁信号曲线在进入塑性后发生反转变为负值，且随应 力变化的速度增快，可以判断构件进入塑性状态，即将发生损伤：磁场梯度曲线在损伤最严重的区域出现最大值，且随着荷载 的增大，磁梯度最大值点不断向钢梁中间移动，由此可以进行破坏状态的预警：磁场梯度与应力关系曲线可将构件整个受力 过程明显的区分为初始、屈服、塑性、损伤4个状态：可以用磁场梯度指数来进行构件受力状态与损伤状态的表征.该研究 可为金属磁记忆检测技术在桥钢梁损伤状态的定量评估和预警方面的应用提供依据和参考. 关键词金属磁记忆：钢箱梁损伤：力磁耦合：定量评估：有限元法 分类号TG115.28:TU391 Stress-magnetization of the state of flange damage to a bridge steel box beam based on magnetic memory detection SU San-ging,OIN Yan-long,WANG Wei,ZUO Fu-liang,DENG Rui-ze,LIU Xin-wei School of Civil Engineering.Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China Corresponding author,E-mail:sussqx@xauat.edu.cn ABSTRACT Metal magnetic memory detection technology has been widely studied because it can identify damage to ferromagnetic components quickly and conveniently,and it is considered to have the ability to identify hidden damage.To promote the application of metal magnetic memory technology in the damage detection of a bridge steel box beam,a static bending test on the steel box beam of the bridge was performed,and the magnetic signal distribution of the upper flange with the most severe deformation was extracted.The quantitative relationship between the stress in the damaged region and magnetic signal or magnetic signal gradient was established,and an approach for characterizing the stress and damage state of the steel beam was proposed using the magnetic field gradient index.The results show that the magnetic signal curve of the upper flange is opposite to that of the stress change form,and the magnetic signal curve reverses to a negative value after entering the plastic state and increases with the stress change speed,so the component can be judged to enter the plastic state and soon be damaged.The maximum value of the magnetic field gradient curve appears in the position with the most severe damage,and with the increase in the load,the maximum value point of the magnetic gradient constantly moves to the middle of the steel beam;thus the early warning of the failure state can be conducted.The relationship curve between the magnetic field gradient and stress can obviously distinguish the entire stress process of the component,which includes four states:initial,yield, plasticity,and damage.The stress state and damage state of components can be characterized using the magnetic field gradient index. 收稿日期：2020-11-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51878548)：陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2018JZ5013)
基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系 苏三庆苣，秦彦龙，王 威，左付亮，邓瑞泽，刘馨为 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055 苣通信作者， E-mail: sussqx@xauat.edu.cn 摘 要 金属磁记忆检测技术由于其能够快速便捷的对铁磁性构件的损伤进行识别，且被认为具有识别隐性损伤的能力，而 被广泛研究. 为推进金属磁记忆检测技术在桥钢箱梁损伤检测方面的应用，对桥钢箱梁进行了静力受弯试验，提取其变形最 严重的上翼缘磁信号分布，建立了损伤区域力与磁信号和磁信号梯度的关系曲线，并提出用磁场梯度指数来表征钢梁的受力 和损伤状态. 结果表明：上翼缘磁信号曲线与应力变化形态正好相反，磁信号曲线在进入塑性后发生反转变为负值，且随应 力变化的速度增快，可以判断构件进入塑性状态，即将发生损伤；磁场梯度曲线在损伤最严重的区域出现最大值，且随着荷载 的增大，磁梯度最大值点不断向钢梁中间移动，由此可以进行破坏状态的预警；磁场梯度与应力关系曲线可将构件整个受力 过程明显的区分为初始、屈服、塑性、损伤 4 个状态；可以用磁场梯度指数来进行构件受力状态与损伤状态的表征. 该研究 可为金属磁记忆检测技术在桥钢梁损伤状态的定量评估和预警方面的应用提供依据和参考. 关键词 金属磁记忆；钢箱梁损伤；力磁耦合；定量评估；有限元法 分类号 TG115.28;TU391 Stress‒magnetization of the state of flange damage to a bridge steel box beam based on magnetic memory detection SU San-qing苣 ，QIN Yan-long，WANG Wei，ZUO Fu-liang，DENG Rui-ze，LIU Xin-wei School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China 苣 Corresponding author, E-mail: sussqx@xauat.edu.cn ABSTRACT Metal magnetic memory detection technology has been widely studied because it can identify damage to ferromagnetic components quickly and conveniently, and it is considered to have the ability to identify hidden damage. To promote the application of metal magnetic memory technology in the damage detection of a bridge steel box beam, a static bending test on the steel box beam of the bridge was performed, and the magnetic signal distribution of the upper flange with the most severe deformation was extracted. The quantitative relationship between the stress in the damaged region and magnetic signal or magnetic signal gradient was established, and an approach for characterizing the stress and damage state of the steel beam was proposed using the magnetic field gradient index. The results show that the magnetic signal curve of the upper flange is opposite to that of the stress change form, and the magnetic signal curve reverses to a negative value after entering the plastic state and increases with the stress change speed, so the component can be judged to enter the plastic state and soon be damaged. The maximum value of the magnetic field gradient curve appears in the position with the most severe damage, and with the increase in the load, the maximum value point of the magnetic gradient constantly moves to the middle of the steel beam; thus the early warning of the failure state can be conducted. The relationship curve between the magnetic field gradient and stress can obviously distinguish the entire stress process of the component, which includes four states: initial, yield, plasticity, and damage. The stress state and damage state of components can be characterized using the magnetic field gradient index. 收稿日期: 2020−11−10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51878548）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2018JZ5013） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−11，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−11, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.00214; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 This study can provide a reference and basis for the application of metal magnetic memory detection technology in the quantitative assessment and early warning of the damage status of bridge steel beams KEY WORDS metal magnetic memory;damage to a steel box beam;stress-magnetic coupling;quantitative assessment;finite element method 钢箱梁因其轻质高强、塑性好，且箱形截面具 场信号曲线及漏磁场梯度曲线，由于钢箱梁在受 有较大的抗弯刚度和较强的抗扭性能，具有较大 力过程中翼缘和腹板的受力情况不同，所产生的 跨越能力，能很好的承受横向分布荷载，适用于各 磁信号变化也不同，所以本次重点讨论上翼缘磁 种复杂结构而在桥梁结构中被广泛应用山但在桥 信号变化情况.结合有限元计算的应力分布情况， 钢梁使用过程中，由于内部裂纹和外界环境以及 给出了应力与磁信号之间的关系曲线：提出了用 自然灾害的原因，会产生截面或节点的刚度、强度 磁场梯度指数作为参数对损伤进行检测和预警 的退化及变形等损伤四.在一定情况下会引起结 1试验过程及结果 构的失效，造成严重的安全问题，这就使得对在役 桥梁钢结构的检测成为必需 1.1试验材料及方法 金属磁记忆检测技术是一种新兴的磁无损检 选用具有代表性的Q345qC桥梁钢材进行基 测方法，这种检测方法可对铁磁构件应力集中区 于磁记忆检测的受弯试验研究，Q345qC钢材具有 域及存在隐性损伤的部位进行早期发现和识别， 良好的力学性能、焊接性能及低温变形能力，在桥 并采取有效的预防措施，防止铁磁构件的突然破 梁钢方面应用最为广泛.材料的化学成分及力学 坏，有早期预警的作用其基本原理是铁磁性 性能分别如表1和表2所示 材料具有磁畴结构和自发磁化的特征，在外加磁 表1Q345qC钢材化学成分（质量分数） 场和应力的作用下，铁磁材料内部将发生磁畴壁 Table 1 Q345gC steel chemical composition % 移动和磁矩转动，在构件表面出现磁场强度的改 Si Mn 变，损伤区域产生自有漏磁场，并且存在“记忆” 0.15 0.38 1.6 ≤0.035 ≤0.035 现象- 金属磁记忆检测技术由于操作简单、灵敏度 表2Q345qC钢材的力学参数 高，已经被应用到了轨道、管道、压力容器，飞机 Table 2 Mechanical parameters of q345gC steel 起落架等铁磁性构件安全检测当中冈目前，国内 Elasticity Yield Strength of Elongation/ modulus/GPa strength/MPa extension/MPa % 外众多学者对金属磁记忆检测技术进行了大量的 201 ≥345 510 21 理论研究和试验研究工作网，相关学者对漏磁信号 与应力状态之间的关系展开了细致的研究，用来 试件三维模型如图1所示，腹板尺寸由桥梁钢 建立构件表面或内部损伤与磁信号的关系.文 箱梁常用1000型波纹腹板进行1/4缩尺而来，横 献[10]进行了再制造业磁记忆检测技术研究的探 截面尺寸如图2所示.本次实验采用两个钢箱梁 讨.文献[11-12]研究了钢丝绳磁记忆检测技术的 试件，钢梁加载时支座处外伸150mm,钢梁有效 力磁关系.文献[13-14]对磁记忆检测技术在建筑 长度1分别为1800mm和1500mm,横截面尺寸相 钢结构领域的应用进行了初步研究.文献[15-16) 同，下文中对钢梁的描述均采用有效长度.波纹腹 对简单构件进行了有限元模拟计算.但以前研究 板钢箱梁4点受弯试验在YAJ20000型电液伺服 大多属于桥梁等建筑结构以外其他领域的构件， 压剪试验机上进行，其最大试验力为20000kN.试 多以简单受力为主，在桥梁钢结构方面磁记忆检 件表面的磁记忆信号采集设备采用EMS-2003智 测技术的研究尚处于探索阶段 能磁记忆/涡流检测仪.检测探头采用磁记忆双通 因此，选用波纹腹板钢箱梁进行基于磁记忆 道笔式探头，探头编号为EPMS/B2,其分辨率为 检测技术的力磁关系试验研究，以探索用磁信号 1Am,量程为±1000Am. 来检测和预警桥钢箱梁的损伤.本文通过对桥钢 试验中4点受弯加载方式如图3所示，P代表 箱梁进行4点受弯的静力加载试验，发现其在上 YAJ20000型电液伺服压剪试验机的集中荷载作 翼缘发生屈曲失稳破坏，得到了钢梁表面的漏磁 用力.磁信号采用保载在线测量的方式，测线沿钢
This study can provide a reference and basis for the application of metal magnetic memory detection technology in the quantitative assessment and early warning of the damage status of bridge steel beams. KEY WORDS metal magnetic memory；damage to a steel box beam；stress-magnetic coupling；quantitative assessment；finite element method 钢箱梁因其轻质高强、塑性好，且箱形截面具 有较大的抗弯刚度和较强的抗扭性能，具有较大 跨越能力，能很好的承受横向分布荷载，适用于各 种复杂结构而在桥梁结构中被广泛应用[1] . 但在桥 钢梁使用过程中，由于内部裂纹和外界环境以及 自然灾害的原因，会产生截面或节点的刚度、强度 的退化及变形等损伤 [2] . 在一定情况下会引起结 构的失效，造成严重的安全问题，这就使得对在役 桥梁钢结构的检测成为必需. 金属磁记忆检测技术是一种新兴的磁无损检 测方法，这种检测方法可对铁磁构件应力集中区 域及存在隐性损伤的部位进行早期发现和识别， 并采取有效的预防措施，防止铁磁构件的突然破 坏，有早期预警的作用[3−4] . 其基本原理是铁磁性 材料具有磁畴结构和自发磁化的特征，在外加磁 场和应力的作用下，铁磁材料内部将发生磁畴壁 移动和磁矩转动，在构件表面出现磁场强度的改 变，损伤区域产生自有漏磁场，并且存在“记忆” 现象[5−6] . 金属磁记忆检测技术由于操作简单、灵敏度 高，已经被应用到了轨道、管道、压力容器，飞机 起落架等铁磁性构件安全检测当中[7] . 目前，国内 外众多学者对金属磁记忆检测技术进行了大量的 理论研究和试验研究工作[8] ，相关学者对漏磁信号 与应力状态之间的关系展开了细致的研究，用来 建立构件表面或内部损伤与磁信号的关系[9] . 文 献 [10] 进行了再制造业磁记忆检测技术研究的探 讨. 文献 [11−12] 研究了钢丝绳磁记忆检测技术的 力磁关系. 文献 [13−14] 对磁记忆检测技术在建筑 钢结构领域的应用进行了初步研究. 文献 [15−16] 对简单构件进行了有限元模拟计算. 但以前研究 大多属于桥梁等建筑结构以外其他领域的构件， 多以简单受力为主，在桥梁钢结构方面磁记忆检 测技术的研究尚处于探索阶段. 因此，选用波纹腹板钢箱梁进行基于磁记忆 检测技术的力磁关系试验研究，以探索用磁信号 来检测和预警桥钢箱梁的损伤. 本文通过对桥钢 箱梁进行 4 点受弯的静力加载试验，发现其在上 翼缘发生屈曲失稳破坏，得到了钢梁表面的漏磁 场信号曲线及漏磁场梯度曲线，由于钢箱梁在受 力过程中翼缘和腹板的受力情况不同，所产生的 磁信号变化也不同，所以本次重点讨论上翼缘磁 信号变化情况. 结合有限元计算的应力分布情况， 给出了应力与磁信号之间的关系曲线；提出了用 磁场梯度指数作为参数对损伤进行检测和预警. 1 试验过程及结果 1.1 试验材料及方法 选用具有代表性的 Q345qC 桥梁钢材进行基 于磁记忆检测的受弯试验研究，Q345qC 钢材具有 良好的力学性能、焊接性能及低温变形能力，在桥 梁钢方面应用最为广泛. 材料的化学成分及力学 性能分别如表 1 和表 2 所示. 表 1 Q345qC 钢材化学成分（质量分数） Table 1 Q345qC steel chemical composition % C Si Mn S P 0.15 0.38 1.6 ⩽ 0.035 ⩽ 0.035 表 2 Q345qC 钢材的力学参数 Table 2 Mechanical parameters of q345qC steel Elasticity modulus/GPa Yield strength/MPa Strength of extension/MPa Elongation/ % 201 ⩾ 345 510 ⩾ 21 试件三维模型如图 1 所示，腹板尺寸由桥梁钢 箱梁常用 1000 型波纹腹板进行 1/4 缩尺而来，横 截面尺寸如图 2 所示. 本次实验采用两个钢箱梁 试件，钢梁加载时支座处外伸 150 mm，钢梁有效 长度 l 分别为 1800 mm 和 1500 mm，横截面尺寸相 同，下文中对钢梁的描述均采用有效长度. 波纹腹 板钢箱梁 4 点受弯试验在 YAJ20000 型电液伺服 压剪试验机上进行，其最大试验力为 20000 kN. 试 件表面的磁记忆信号采集设备采用 EMS-2003 智 能磁记忆/涡流检测仪. 检测探头采用磁记忆双通 道笔式探头，探头编号为 EPMS/B2，其分辨率为 1 A·m−1，量程为±1000 A·m−1 . 试验中 4 点受弯加载方式如图 3 所示，P 代表 YAJ20000 型电液伺服压剪试验机的集中荷载作 用力. 磁信号采用保载在线测量的方式，测线沿钢 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
苏三庆等：基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系 3 Load the beam 150, 600 600 600 150 2100 图3试件加载示意图（单位：mm) Fig.3 Specimen loading mode(unit:mm) 梁长度方向布置，检测步距为50mm,上翼缘检测 图1试件三维图（单位：mm) 线布置位置如图4所示.磁记忆检测试验中由于 Fig.1 Three-dimensional model of specimen (unit:mm) 需要测量每个阶段的磁信号，故钢梁试验前先由 412 30634680 6 886 80634630 材性试验得到精确的本构模型（应力-应变(-ε） 曲线)如图5所示，试验前计算得到1800mm长钢 梁屈服荷载为900kN,设置加载等级为0、200、400、 Longitudinal Corrugated 600、800、900、1000、1050和1100kN.1500mm长 stiffeners web 钢梁屈服荷载为1000kN,设置加载等级为0、200、 Transverse stiffeners 400、600、800、900、1000、1050和1123N.测量 导 时将传感器垂直并紧贴试件表面，以消除提离值 的影响，保证在检测过程中提离值保持为零.为了 352 保证结果的准确性，减少意外误差的影响，在每个 图2试件横截面图（单位：mm) 测点收集了3组数据，丢弃与其他测点有显著差异 Fig.2 Cross section of specimen (unit:mm) 的数据.取其余的平均值，得到比较准确的结果 Load the beam Load the beam Line on the lower surface of the upper flange 1501 600 600 600 ↓1501 图4上翼缘检测线布置示意图（单位：mm) Fig.4 Upper flange detection line layout(unit:mm) 伤，且最大损伤区域发生在加载点附近，因此本文 500 重点研究上翼缘损伤部分的力磁关系.钢梁上翼 400 缘以压应力为主，上翼缘应力沿垂直于宽度方向 300 的截面上变化相同，故在只考虑应力引起磁信号 号200 变化的时候，沿垂直于宽度方向的截面上磁信号 变化也相似，所以这里选用一条沿钢梁长度方向 10o 检测线上的磁信号来分析钢梁上翼缘损伤变化情 0 况.1800mm的钢梁加载过程中荷载位移曲线如 00.010.020.030.040.050.060.07 图7所示，其中屈服荷载F,为900kN,极限承载 力F.为1100kN,对应的屈服位移4，为18.2mm, 图5试件本构模型曲线 极限位移4.为41.5mm Fig.5 Constitutive model curve of the specimen 1.2.1磁信号曲线分布 1.2试验结果 读取上翼缘各加载阶段磁信号数据，做出初 试件加载至最终失去承载力的状态如图6所 始阶段变化曲线如图8所示.初始阶段磁信号波 示，两个钢箱梁破坏情况一致，都为上翼缘屈曲损 动较大，这是因为试件内部磁畴未受到应力的约
梁长度方向布置，检测步距为 50 mm，上翼缘检测 线布置位置如图 4 所示. 磁记忆检测试验中由于 需要测量每个阶段的磁信号，故钢梁试验前先由 材性试验得到精确的本构模型（应力‒应变（σ‒ε） 曲线）如图 5 所示，试验前计算得到 1800 mm 长钢 梁屈服荷载为 900 kN，设置加载等级为 0、200、400、 600、800、900、1000、1050 和 1100 kN. 1500 mm 长 钢梁屈服荷载为 1000 kN，设置加载等级为 0、200、 400、600、800、900、1000、1050 和 1123 kN. 测量 时将传感器垂直并紧贴试件表面，以消除提离值 的影响，保证在检测过程中提离值保持为零. 为了 保证结果的准确性，减少意外误差的影响，在每个 测点收集了 3 组数据，丢弃与其他测点有显著差异 的数据. 取其余的平均值，得到比较准确的结果. Load the beam 600 600 26 x Load the beam 150 412 y Line on the lower surface of the upper flange 150 600 O 图 4 上翼缘检测线布置示意图 （单位：mm） Fig.4 Upper flange detection line layout (unit: mm) 1.2 试验结果 试件加载至最终失去承载力的状态如图 6 所 示，两个钢箱梁破坏情况一致，都为上翼缘屈曲损 伤，且最大损伤区域发生在加载点附近，因此本文 重点研究上翼缘损伤部分的力磁关系. 钢梁上翼 缘以压应力为主，上翼缘应力沿垂直于宽度方向 的截面上变化相同，故在只考虑应力引起磁信号 变化的时候，沿垂直于宽度方向的截面上磁信号 变化也相似，所以这里选用一条沿钢梁长度方向 检测线上的磁信号来分析钢梁上翼缘损伤变化情 况. 1800 mm 的钢梁加载过程中荷载位移曲线如 图 7 所示，其中屈服荷载 Fy 为 900 kN，极限承载 力 Fu 为 1100 kN，对应的屈服位移 Δy 为 18.2 mm， 极限位移 Δu 为 41.5 mm. 1.2.1 磁信号曲线分布 读取上翼缘各加载阶段磁信号数据，做出初 始阶段变化曲线如图 8 所示. 初始阶段磁信号波 动较大，这是因为试件内部磁畴未受到应力的约 352 2100 216 412 图 1 试件三维图（单位：mm） Fig.1 Three-dimensional model of specimen (unit: mm) 8 200 8 30 6 34 6 80 6 88 6 80 6 34 6 30 412 216 352 40 40 Corrugated web Longitudinal stiffeners Transverse stiffeners 图 2 试件横截面图（单位：mm） Fig.2 Cross section of specimen (unit: mm) 150 216 600 Load the beam P 150 600 600 图 3 试件加载示意图（单位：mm） Fig.3 Specimen loading mode (unit: mm) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0 100 200 300 400 500 σ/MPa ε 图 5 试件本构模型曲线 Fig.5 Constitutive model curve of the specimen 苏三庆等： 基于磁记忆检测的桥钢箱梁翼缘损伤状态力磁关系 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 束，处于无序的分布状态.由于金属的多种内耗效 应，试件内部将出现不同程度的磁化，且钢材在制 造过程中杂质和缺陷会导致材料局部的磁导率下 降，形成高磁阻区，阻碍磁力线的通过，在这些缺 陷区域内形成不均匀的磁势差，使原本均匀的磁 力线出现畸变，从而在试件表面产生不等的自有 漏磁场-圆但初始磁信号曲线仍然大体上呈现 图6试件最终破坏形态 左右对称，磁信号曲线在加载点处出现峰值，且右 Fig.6 Final failure patter of the specimen 侧加载点处的峰值明显大于左侧加载点处，初始 状态磁信号的变化表明了钢箱梁初始的磁场状态 1200 钢箱梁加载过程中磁信号的变化如图9和图10 1000 所示，两个钢梁的磁信号变化趋势一致.弹性阶段， 800 在应力的作用下，磁信号呈现一定的发展规律，磁 信号曲线呈现左右对称，在两个加载点处出现过 600 零点现象.磁信号数值整体为正，在中间1/3区域 400 磁信号随着应力的增大而减小，两边区域磁信号 200 随应力的增大而增大.试件处于弹性阶段时，在应 4 4 30 % 60 100 力和地磁场共同作用下内部产生了很高的应力 1/mm 能，试件内部的位错聚集处磁畴壁必将发生不可 图71800mm钢梁荷载位移曲线 逆的重新取向，随着应力的增大，试件内部逐渐达 Fig.7 Load displacement curve of the 1800 mm steel beam 到磁饱和状态，磁信号的分布趋于稳定9-20 160 140 (a) 60 (b) 120 0 100 20 60 0 40 -20 0 -20 -60 -40 400 800 12001600 2000 -80 400 800 1200 1600 //mm //mm 因8钢梁上翼缘初始磁信号变化曲线.(a)1800mm钢梁：(b)1500mm钢梁 Fig.8 Curves of the initial magnetic signal of the upper flange of a steel beams:(a)1800 mm steel beam;(b)1500 mm steel beam 200 180 250 (b 160 200 140 150 1 100 100 50 -P=200kN 60 P-400 kN 0 40 P=600 kN -P=1000kN --P=800kN -50 wD=100l-N1 ◆P=900kN -P=00kN -100 0 400 800 12001600 2000 400 800 1200 1600 2000 //mm //mm 图9 1800mm钢梁上翼缘加载中磁信号变化曲线.(a)弹性阶段：(b)塑性阶段 Fig.9 Magnetic signal change curves during flange loading of the 1800 mm steel beam:(a)elastic stage;(b)plastic stage
束，处于无序的分布状态. 由于金属的多种内耗效 应，试件内部将出现不同程度的磁化，且钢材在制 造过程中杂质和缺陷会导致材料局部的磁导率下 降，形成高磁阻区，阻碍磁力线的通过，在这些缺 陷区域内形成不均匀的磁势差，使原本均匀的磁 力线出现畸变，从而在试件表面产生不等的自有 漏磁场[17−18] . 但初始磁信号曲线仍然大体上呈现 左右对称，磁信号曲线在加载点处出现峰值，且右 侧加载点处的峰值明显大于左侧加载点处，初始 状态磁信号的变化表明了钢箱梁初始的磁场状态. 钢箱梁加载过程中磁信号的变化如图 9 和图 10 所示，两个钢梁的磁信号变化趋势一致. 弹性阶段， 在应力的作用下，磁信号呈现一定的发展规律，磁 信号曲线呈现左右对称，在两个加载点处出现过 零点现象. 磁信号数值整体为正，在中间 1/3 区域 磁信号随着应力的增大而减小，两边区域磁信号 随应力的增大而增大. 试件处于弹性阶段时，在应 力和地磁场共同作用下内部产生了很高的应力 能，试件内部的位错聚集处磁畴壁必将发生不可 逆的重新取向，随着应力的增大，试件内部逐渐达 到磁饱和状态，磁信号的分布趋于稳定[19−20] . 图 6 试件最终破坏形态 Fig.6 Final failure pattern of the specimen 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Fu Fy F/kN Δy Δu Δ/mm 图 7 1800 mm 钢梁荷载位移曲线 Fig.7 Load displacement curve of the 1800 mm steel beam 160 60 140 0 120 40 20 100 400 0 80 −20 60 800 −40 40 −60 20 1200 −80 0 −20 1600 −40 2000 H(y)/(A·m−1 ) H(y)/(A·m−1 ) l/mm 0 400 800 1200 1600 l/mm (a) (b) 图 8 钢梁上翼缘初始磁信号变化曲线. （a）1800 mm 钢梁；（b）1500 mm 钢梁 Fig.8 Curves of the initial magnetic signal of the upper flange of a steel beams: (a) 1800 mm steel beam; (b) 1500 mm steel beam 200 250 180 160 200 140 150 100 120 50 100 0 80 −50 60 −100 40 20 0 H(y)/(A·m−1 ) H(y)/(A·m−1 ) 0 400 800 1200 1600 2000 l/mm 0 400 800 1200 1600 2000 l/mm (a) (b) P=1000 kN P=1050 kN P=1100 kN P=200 kN P=400 kN P=600 kN P=800 kN P=900 kN 图 9 1800 mm 钢梁上翼缘加载中磁信号变化曲线. （a）弹性阶段；（b）塑性阶段 Fig.9 Magnetic signal change curves during flange loading of the 1800 mm steel beam: (a) elastic stage; (b) plastic stage · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期