基于金属磁记忆技术的钢筋应力无损检测试验

马惠香, 周建庭, 赵瑞强, 辛景舟, 李志刚

(1. 重庆工商大学融智学院, 重庆 401320; 2. 重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074; 3. 重庆交通大学 材料科学与工程学院, 重庆 400074; 4. 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)

桥梁是促进国家经济发展的重要基础设施，是一个国家或地区经济、科技等综合国力的重要体现.截止2016年底,我国建成的公路桥梁总数已经达到80.53万座[1].然而,随着交通的快速发展和交通量的迅猛增长,公路桥梁超载、超重问题日益严重,桥梁自身的自然老化问题日益突出,大量桥梁处于亚健康或危险状态.既有桥梁的安全运营情况、承载能力的评估及其维修加固已成为各国学者研究关注的焦点[2].而钢筋损伤作为影响桥梁承载能力的主要因素,及时、准确掌握桥梁结构内部钢筋应力工作状态,对于桥梁的安全性能评估及其后期加固、维修具有重大意义.已有的检测方法主要依赖于对结构进行破坏性的应力释放[3],如断筋法[4]、贴片法[5]和削面法[6],上述方法不可避免地造成构件不同程度的损伤与破坏.

金属磁记忆检测技术是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法[7-8].该技术无需破坏构件便能够直接对铁磁性构件内部的应力集中区进行诊断,是一种新的无损检测手段[9],且不同于其他传统漏磁技术,该技术的激励磁场即为地磁场,不需要外加激励磁场便能够进行相应检测[10-12],漏磁场的磁感应强度不会随着荷载的卸载而消失.

金属磁记忆技术具有方便、快捷省时和机制简单的特点,被广泛运用于飞机起落架、涡轮叶片、油气管道等承力结构件的损伤检测[13-14],尚未应用于桥梁的钢筋损伤检测.因此,结合金属磁记忆的优势,本研究将金属磁记忆技术与桥梁钢筋应力检测结合起来,通过研究桥梁钢筋应力和试件磁感应强度间的关系,分析应力对试件磁感应强度检测的影响,提出基于金属磁记忆技术的钢筋应力检测的新技术、新方法.

1 试验系统

1.1 试验仪器

试验用磁记忆扫描仪器为本课题组自主研发的基于金属磁记忆技术的三维扫描检测装置,如图1所示.

图1 金属磁记忆扫描装置

三维检测装置是由3条机械轴和高灵敏度的磁传感器组成的自动化扫描平台.磁传感器采用由Honey well公司研制的HMR2300三轴智能数字磁力计(量程为±2×10-7T，分辨率为6.7×10-9T),同时输出x,y和z等3个方向上的磁感应强度分量,可以用3个独立的桥路定向检测磁场x,y和z轴的磁感应强度分量.具体方向如图2所示.

图2 HMR 2300方向指示图

磁通量强度的Bx分量被定义为切向磁感应强度,传感器与试件间距离被定义为提离高度.本试验中,主要设定磁记忆传感器在被测钢筋正上方沿x方向平行移动,通过不同提离高度,检测钢筋外侧不同位置的切向磁感应强度.在室温条件下采用WAW-1000微机电液伺服万能试验机进行短钢筋试件的加载,最大试验力为1 000 kN.

1.2 试件选取

本试验选用光圆钢筋作为研究对象,单根试件直径为14 mm,长度为800 mm,有效扫描检测长度为400 mm(以钢筋左端为原点,扫描范围为250～650 mm).

图3为钢筋拉伸过程中位移-荷载曲线.根据钢筋拉伸破坏全过程曲线,把试验过程分为原始状态、弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩断裂等5个阶段,分别标记为①,②,③,④和⑤.图3中红色圆点表示每个阶段达到的荷载值.选取5组钢筋,每组钢筋分别对应不同的受力阶段.为了提高试验数据的可靠性和准确性,每组钢筋选取4根钢筋试件进行试验.

图3 钢筋拉伸过程中位移-荷载曲线

由于工程应用中,钢筋均是包裹于混凝土之中,承受一定的包裹力,为了研究外包混凝土对试验结果的影响,本研究对荷载作用后的钢筋再次进行外包混凝土,进一步对外包混凝土后试件的磁感应强度进行了研究.外包混凝土为工程实际中常用的C40混凝土.

1.3 试验开展

试件拉伸前,利用金属磁记忆三维扫描装置，对5组钢筋试件分别进行初始状态下的磁信号平行扫描检测,测量试件的初始漏磁场磁感应强度,以作为比对.

对初始状态钢筋试件扫描检测后,利用WAW-1000微机电液伺服万能试验机,对5组钢筋试件分别进行① 原始状态、② 拉伸至弹性阶段、③ 拉伸至屈服阶段、④ 拉伸至强化阶段和⑤ 拉伸至颈缩断裂等相应的拉伸处理.然后再次利用金属磁记忆三维扫描装置对各阶段试件进行相应拉伸状态下的磁感应强度平行扫描检测.

扫描时,利用金属磁记忆三维扫描装置进行单通道(x通道)扫描,试件南北放置,扫描时确保磁记忆传感器沿x通道行走方向与被测钢筋试件南北放置方向一致,进行平行扫描;同时对扫描程序进行设定:在提离高度分别为20,40,60,80,100和120 mm高度处,沿x通道以50 mm·min-1的速度进行扫描,从试件x=250 mm处扫描至试件x=650 mm处,每0.1 s采集一次试验数据.具体的平行扫描检测方式如图4所示.

分别对加载至弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段等4个受力阶段后的卸载状态钢筋试件及外包混凝土试件进行磁感应强度测量,获取切向磁感应强度.

图4 平行扫描检测方式示意图

2 试验结果与分析

通过对比不同应力阶段试件的磁记忆扫描检测结果可以发现,每一组4根试件试验结果显示出相同的变化趋势.图5为颈缩阶段4根试件试验结果比较.由图5可知,颈缩阶段4根试件的试验结果表现出很强的相似性,说明检测信号具有良好的可重复性和可靠性.因此,后面仅以每组钢筋内的一根试件加以分析说明.同时,限于篇幅,本研究仅对切向分量磁信号磁感应强度—钢筋扫描位置(Bx-x)数据曲线的内在规律进行探讨.

对每一应力阶段、不同提离高度的磁信号进行数据处理分析,分析结果如图6所示.图6为钢筋试件在每一应力阶段、磁传感器不同提离高度时,钢筋表面磁感应强度Bx随探头扫描位置x变化的关系曲线.由图6可知:在弹性阶段,磁感应强度曲线斜率几乎为0,随提离高度增加,信号逐渐减弱,而磁感应强度曲线也逐渐接近于背景磁场线;在屈服阶段,曲线斜率是相同的,且曲线幅值相对于弹性阶段整体增大,同时曲线更接近背景磁场;当应力增加到强化阶段,出现不同提离高度的磁感应强度曲线叠加现象,且曲线贴近于背景磁场线,由此可以区别于其他阶段;在颈缩阶段,钢筋颈缩断裂部位的磁感应强度曲线发生畸变,由此可以识别颈缩阶段.

为进一步分析混凝土对试验结果的影响,对不同应力阶段下的外包混凝土试件进行相同的磁记忆扫描检测.图7为外包混凝土试件不同应力阶段、不同提离高度磁感应强度Bx随扫描位置x变化的关系曲线.由图6，7可知,钢筋外包混凝土前后扫描检测的结果表现出很大的相似性.

分别对比图6b和图7b、图6c和图7c可知:由于混凝土保护层的存在,导致磁感应强度曲线也不同;相对于未包裹混凝土试件,包裹混凝土试件各个受力阶段的磁感应强度曲线不是很光滑,曲线呈多个小峰模式,且曲线的绝对幅值整体增大.比较图6b,7b可知,外包混凝土后,屈服阶段的磁感应强度曲线呈现出相汇于背景磁场线的趋势,由此可以识别屈服阶段.比较图6c,7c可知,外包混凝土后强化阶段试件磁感应强度曲线出现反向波峰,由此可以识别钢筋强化阶段.

图5 颈缩阶段4根试件试验结果比较

图6 无外包混凝土试件Bx-x关系曲线

导致这些不同结果的原因主要是外包混凝土后,钢筋与混凝土包裹在一起,钢筋承受一定的混凝土包裹力;同时,混凝土由于收缩会产生一定的收缩应力,钢筋与混凝土共同承担的收缩应力导致了钢筋应力不均匀的增大,进一步导致外包混凝土试件磁感应强度曲线的绝对幅值整体增大.在综合因素作用下,导致扫描检测的磁感应强度曲线的波折性.

此外,随着磁探头与钢筋试件间提离高度的增大,磁感应强度会相对变弱,但磁感应强度曲线所表现的重合于背景磁场线、畸变情况仍然清晰可辨,依然可以识别钢筋的不同受力阶段.

设计使用年限为50 a的混凝土结构,最外层钢筋的保护层厚度在三 b环境类别下应不小于50 mm[15].另外,由于混凝土和空气的磁导率相同,不会影响磁信号的传播和检测.因此,基于金属磁记忆技术的钢筋应力检测方法在桥梁检测工程中具有重要的应用推广价值.

图7 外包混凝土试件Bx-x关系曲线

3 结 论

1) 当应力处于弹性阶段时,磁感应强度曲线斜率为0;应力增加至屈服阶段时,磁感应强度曲线的幅值相对于弹性阶段增大;在强化阶段,不同提离高度的磁感应强度曲线幅值均大于弹性和屈服阶段,且与背景磁场线重叠;颈缩阶段的磁感应强度曲线发生畸变,在颈缩处达到最大值.

2) 钢筋外包混凝土后,磁感应强度曲线绝对幅值整体增大,磁感应强度曲线所表现的重合于背景磁场线、畸变情况仍然清晰可辨,可以识别钢筋不同受力阶段,对试验结果无较大影响.

3) 钢筋试件不同受力阶段的磁感应强度检测结果表明:磁感应强度曲线能够定性表征钢筋的受力状态,操作简单,具有很好的工程实践应用和推广的价值.

4) 金属磁记忆技术在较大的提离高度时仍能检测出相应的磁感应强度.

参考文献(References)

[ 1 ] 交通运输部. 2016年交通运输行业发展统计公报[R]. 北京：交通运输部，2016.

[ 2 ] 徐伟, 鲍莉霞, 刘华. 九江长江大桥主桥公路桥改造设计[J]. 桥梁建设, 2017，47(1):88-93.

XU W, BAO L X, LIU H. Retrofitting design of roadway bridge of main bridge of Jiujiang Changjiang river bridge[J]. Bridge Construction, 2017,47(1):88-93. (in Chinese)

[ 3 ] 罗剑波.基于钻孔应力释放法的预应力小箱梁现存应力检测的进一步研究[D].广州:华南理工大学,2013.

[ 4 ] 易伟建,向洪.钢筋混凝土受压构件工作应力的测试与分析[J].工业建筑,2007,37(1):52-56.

YI W J， XIANG H. Testing and analyses of the working stress of RC columns[J]. Industrial Construction, 2007,37(1):52-56. (in Chinese)

[ 5 ] 王柏生, 沈旭凯, 林湘祁. 开槽法测试混凝土工作应力的试验研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2010, 44(9):1754-1759.

WANG B S, SHEN X K, LIN X Q. Experimental study on working stress measurement of concrete by grooving method[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2010, 44(9):1754-1759. (in Chinese)

[ 6 ] 黎小毛. 基于光弹性贴片法材料表面应变场测量实验研究[D]. 合肥：中国科学技术大学, 2014.

[ 7 ] DUBOV A A. A study of metal properties using the method of magnetic memory [J]. Metal Science and Heat Treatment, 1997, 39 (9/10): 401-405.

[ 8 ] WANG Z D, YAO K, DENG B, et al. Theoretical stu-dies of metal magnetic memory technique on magnetic flux leakage signals[J]. NDT & E International, 2010, 43(4):354-359.

[ 9 ] 乔天骄, 黄松岭, 赵伟,等. 磁记忆检测技术研究现状及展望[J]. 无损检测, 2016, 38(11):16-20.

QIAO T J, HUANG S L, ZHAO W, et al. The current research status and prospects of magnetic memory testing technology[J]. Nondestructive Testing, 2016, 38(11):16-20. (in Chinese)

[10] 金宝.铁磁材料的磁记忆效应机理研究[D].天津:天津大学.2013.

[11] ROSKOSZ M, RUSIN A, KOTOWICZ J. The metal magnetic memory method in the diagnostics of power machinery components[J]. Journal of Achievements in Materials & Manufacturing Engineering, 2010, 43(1)：362-370.

[12] 任吉林，林俊明，池永滨，等. 金属磁记忆检测技术[M]. 北京：中国电力出版社, 2000.

[13] ZHANG H, LIAO L, ZHAO R Q, et al. The non-destructive test of steel corrosion in reinforced concrete bridges using a micro-magnetic sensor[J]. Sensors, 2016,16(9):1439.

[14] WANG Z D, GU Y, WANG Y S. A review of three magnetic NDT technologies[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2012, 324(4):382-388.

[15] 混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010:102.