残余应力检测技术在桥梁钢结构焊缝的应用

朱 飞，尹东亚，陆荣伟，高 科

随着焊接工艺、焊接技术、焊接设备等研究的深入和发展，焊缝的性能逐步提升到更加接近母材。焊接技术在桥梁钢结构制造的应用，实现了在制造工厂的板单元制造、节段拼装和桥位现场拼装的流水作业，有效地提高了钢结构桥梁的制造效率，缩短了桥梁建造周期。由于钢结构焊缝工艺在焊缝区域需要经历温度的升高降低和相变的影响，钢结构焊缝中不可避免地存在残余应力，残余应力会限制焊缝的变形能力和力学性能，从而影响整个构件的尺寸、性能及使用寿命。阐述残余应力检测方法研究情况，桥梁钢结构沉井的结构特点及制造工艺，探头了超声检测方法在沉井结构焊缝的残余应力检测的适用性和有效性。

1 残余应力检测方法研究现状

残余应力是由于材料的制备及加工后在材料中残留的附加应力，对材料的力学性能、耐腐蚀性能、使用寿命等方面均有一定程度的影响，尤其是现场大型焊接件，无法或很难采用整体消除残余应力的方法，局部消除残余应力方法的实施效果需要有效性的检测方法进行验证。

残余应力常用的检测方法有钻孔法、射线检测、磁性检测、超声波检测等。钻孔法一般是在试件表面钻取小直径盲孔，通过释放盲孔缺失区域的残余应变，再测量盲孔区域应变的变化情况进行应力的计算。小直径盲孔法是一种局部破坏性检测方法，但其测量结果较为准确且对构件的损伤相对较小，已成为构件残余应力现场实测的一种标准试验方法。

残余应力的射线检测法，其原理是通过测定X射线在物质内的衍射现象来计算残余应力。当金属材料内部存在残余应力时，其微观尺度的晶格排列及间距将发生一定的变化，从而导致X射线产生的布拉格效应产生变化且其变化程度与残余应力有关，通过测量出的衍射角计算出对应方向的残余应力。刘柏清等采用X射线衍射法对大型起重机械钢结构部件常用的Q345平板对接试样进行测试分析，焊缝中心为残余拉应力，从焊缝的熔合区到热影响区其残余拉应力值逐渐减小，融熔合线处的残余应力梯度较大，由焊缝热影响区到母材其残余应力进一步降低并呈压应力状态，焊缝熔合区的金属在电弧加热作用下膨胀挤压焊缝附近母材使其处于压应力状态，在焊后冷却阶段焊缝熔合区的金属随着温度降低产生收缩变形从而使得熔合区处于拉应力状态，由焊缝熔合区到热影响再到母材，由拉应力状态变化到压应力状态。由于焊缝熔合区的残余应力变化梯度大，是影响其构件性能及使用寿命的重要影响因素。何山等分析了采用X射线衍射法进行Q235B焊缝残余应力检测的结构及表面处理方式对检测结果的影响因素分析。圆筒环形对接焊缝的结构因素包括焊缝宽度、厚度、直径等，并研究了电动打磨、手工打磨、电化学腐蚀等表面处理方式对检测结果的影响，电动打磨劳动强度低效率高，但会破坏试件表面的残余应力分布产生较大的附加应力区域；手工打磨劳动强度大对构件影响较小，但也会增加试件残余压应力但手工打磨方向一致时可改善试件表面残余压应力的影响；电化学腐蚀残留的电解质能与母材形成无残余应力的组织，电化学腐蚀后的抛光不完整会导致残余应力值减小，且试件表面残余应力随着腐蚀深度的增加呈减小趋势。李磊等阐述在役特种设备球形储罐压力容器焊缝的残余应力检测的重要性，焊缝的残余应力检测可避免裂纹的产生和扩展从而提升球形储罐的使用安全性。在役焊缝的残余应力检测需要去除表面涂装或锈蚀层后方可进行基体检测，以与球形储罐材质及板厚相同的平板对接试块试样进行涂装/锈蚀层打磨、抛光及检测工艺探索，采用机械方式去除涂装层和锈蚀层至露出金属光泽，由于表面涂装层和锈蚀层的机械去除方式会产生附加表面压应力，需要采用电解抛光的方式去除附加压应力区域。通过几种表面涂装或锈蚀层的处理方式对检测结果的定量分析对比，采用千页片和砂轮机打磨具有较小附加压应力层，选择合适的探头距离和探头角度获得完整的德拜环，从而保证残余应力测量值的准确性。

徐春广等人设计了基于临界折射纵波的残余应力超声检测法，采用发射探头激发临界折射纵波、接收探头接收的信号来检测残余应力场。其原理是纵波波速的变化与材料内部应力值呈线性关系，纵波波速随压应力增大而增加、随拉应力增大而减小，但残余应力差异引起的纵波声速变量太小而较难测量，临界折射纵波对其传播方向的残余应力较为敏感。通过对C形应力试样的检测结果表明了残余应力超声检测方法的有效性。以不同材质的金属材料拉伸试验下的应力变化规律，进行非线性超声特性研究。采用超声横波、纵波相结合的方法研究了螺栓轴向拉伸的残余应力变化。残余应力的本质是晶格弹性畸变，而晶格弹性畸变很大程度上是由晶格之间的约束力引起的，高能超声提供金属内部质元的能量大于晶格之间的约束力的势能时，金属内部的残余应力将得以释放。徐春广等建立了高能超声残余应力调控系统，对西气东输的管道的环焊缝和纵焊缝进行残余应力检测及消减，提高了服役机械构件整体强度、抗疲劳和耐腐蚀能力，增加了管道的使用寿命、安全性和可靠性。

2 常泰长江大桥及沉井的结构特点

常泰长江大桥位于江阴大桥上游和泰州大桥下游，连接常州与泰兴，是一座集高速公路、一级公路和城际铁路的公铁两用钢桁架斜拉桥。传统的公铁两用桥梁一般采用公路在上、铁路在下的双层方案，如南京长江大桥、沪苏通长江大桥、五峰山长江大桥等，常泰长江大桥采用了双层非对称结构设计方案，上层为高速公路、双向6车道方案，下层的下游侧为双向4车道的一级公路、上游侧为两线并行的城际铁路方案。常泰长江大桥主跨度为1176m，是在建桥梁中跨度最大的公铁两用斜拉桥，其桥塔的设计及建造的困难传统设计和工法无法满足，主航道斜拉桥桥塔基础采用钻孔灌注桩+沉井相结合的方式。

由于桥梁的设计荷载较大，常泰长江大桥斜拉桥主跨的桥塔墩基础曾对比了钻孔桩、钢管桩和沉井三种方案的适用性和经济性，钻孔桩基础需要227根直径为2.5m的钻孔桩，其承台结构尺寸达到了99m长、81.6m宽，近百米的承台尺寸，河床冲刷作用大，且承台下河床冲刷深度的影响因素多波动性大，难以进行冲刷程度的检测及修复。若采用常规的沉井基础，其截面尺寸为92.9m长、54.2m宽，在沉井于桥塔连接处的承台是一个平面大尺寸的厚壁钢筋混凝土结构，大量的工程实践表明，大尺寸后壁钢筋混凝土结构影响因素多，容易开裂，而有效的抑制开裂的方式是减小截面尺寸。采用常规的沉井基础设计方案将会导致沉井基础的尺寸巨大，桥梁基础采用钢筋混凝土结构，沉井尺寸越大、壁厚越大，则浇筑的大体积混凝土受到影响因素越多出现开裂的可能也越大。同时钢沉井尺寸越大，其下沉施工的难度也越大，沉井的埋深还受局部冲刷深度和持力层的影响，沉井冲刷是水流遇到障碍物从产生，长江的水流深度及流速均较大，水流冲刷也限制了沉井尺寸不能太大。通过综合对比研究采用了钻孔灌注桩和沉井相结合的桥塔基础。沉井的截面均采用跑道形设计，即在水流的上游和下游均采用圆弧形设计、与水流平行方向采用矩形设计，既使得沉井具有较高的抗水流冲刷能力，又能具有较好的抗水压承载力，使得沉井结构具有较高的承载力和稳定性，跑道形结构使得沉井在着床、浮运过程中，水流的流场变化对沉井的纵向和横向水流力影响较小。

综合常泰长江大桥的设计载荷和水力条件，桥塔基础采用台阶型减冲刷减自重沉井基础。沉井钢结构总高度64米，自底向上共分为10个节段，其中截面变化的台阶位于第6、7节段之间，1个～6个节段的大尺寸可以满足桥塔载荷的要求，7～10节段的小尺寸可满足水流冲刷要求，同时减少了沉井的厚壁大体积钢筋混凝土的开裂影响因素。

沉井的施工步骤是将沉井钢结构在制造厂内依次进行板单元制作、小节段拼装焊接，到桥位现场进行第1节段整个截面拼装焊接，内部灌注钢筋混凝土，依次进行后续节段钢结构拼装焊接、浇筑混凝土、下沉。第7、8、9、10的焊接施工除了水流冲刷作用，还要受到前面节段结构尺寸偏差累计的影响，从而导致钢结构焊缝产生更大的结构变形和残余应力。

3 沉井钢结构焊缝的无损检测

以常泰长江大桥斜拉桥桥塔基础的钢沉井结构的对接焊缝为研究对象，涉及的钢板厚度分别为10mm和18mm，分析常规无损检测方法的适用性，以及如何充分利用各种检测方法的优点来提高焊缝缺陷的检出率，从而有效保证钢沉井对接焊缝的制造质量。

常规的无损检测方法包括超声波检测、射线检测、磁粉检测和渗透检测。超声波检测方法是利用声束的反射、衍射特点进行缺陷检测，钢沉井结构对接焊缝宜采用脉冲超声波检测方法，利用声束遇到缺陷反射信号的声程和衰减情况，进行缺陷位置和缺陷大小的判断，对接焊缝的超声波检测应采用斜探头进行锯齿形扫查，为了能够发现各种形式及走向的缺陷，应分别再焊缝两侧沿着焊缝纵向和横向进行多次检测，从而提高缺陷检出率。射线检测是利用X射线或γ射线经过待检物体时的衰减规律，当待检区域存在缺陷时，缺陷部位会在底片上曝光量大于无缺陷部位，通过底片冲洗显影后即可进行缺陷位置及大小的判断。磁粉检测的原理是通过将待检工件进行磁化，当待检区域存在缺陷时，缺陷区域附近的磁场将会发生变化，使用磁悬液可显示因缺陷引起的磁场变化情况，从而进行缺陷位置及大小的判断。渗透检测是利用毛细作用原理，当待检工件存在开口型缺陷时，渗透液将深入缺陷处，再利用毛细作用将缺陷处的渗透液在工件表面显示，由此进行缺陷位置及大小的判断。

对于钢沉井结构对接焊缝的无损检测，超声波检测、射线检测、磁粉检测和渗透检测均具有适用性，但也存在一定的局限性，多种无损检测方法的组合使用，可在检出率、检测效率、经济性方面取到更好均衡性。基于脉冲的超声波检测方法对面积型缺陷更加敏感，具有更高的缺陷检出率和检测效率，但要求缺陷走向与声束角度尽量垂直，因此需要进行多次多个方向的扫查方能保证其缺陷检出率。射线检测方法对体积型缺陷更为敏感，对面积型缺陷的检出率受缺陷走向的影响较大，射线检测需要经过拍片检测、洗片、评片等环节，射线检测的周期较长、检测效率较低，现阶段发展的电子射线法可实时显示结果，但其设备昂贵导致检测费用较高。磁粉检测要求待检工件具有铁磁性，检测精度可达到微米级，但仅能检测表面及近平面缺陷，无法进行内部缺陷检测。渗透检测根据其原理可检测表面开口型缺陷，无法检测非开口型内部缺陷，渗透检测需要消耗检测试剂，但对检测环境具有更好的适应性。超声波检测和射线检测对于内部缺陷具有更高检出率，磁粉检测和射线检测对于表面缺陷具有更高检出率。为了在检出率、检测效率、检测成本方面获得更多的平衡性，在工厂内部采用超声波+射线+磁粉检测的组合形式，采用超声波和射线进行内部缺陷检测、磁粉进行表面缺陷检测，在桥位采用超声波+渗透检测的组合形式，超声波进行内部缺陷检测、渗透进行表面缺陷检测。

4 沉井钢结构焊缝的残余应力检测

沉井钢结构外壁和内壁的钢板厚度分别为18mm和10mm，外壁需要较大的水压力和水流冲刷作用，因此其壁厚更厚，钢结构焊缝的厚度越大，其焊接难度更大且焊缝的残余应力的区域和数值也更大。当钢结构焊缝存在较大的拉应力时，会导致结构的焊缝变形能力变差，当承受低于强度极限时就会产生裂纹，残余应力的存在对钢结构焊缝的力学性能、承载能力和使用寿命均具有较大的影响。对于桥梁沉井的大尺寸钢结构焊缝，应采取有效措施减小或消除残余应力。常用的消除残余应力方法有退火、锤击、超声冲击等方法，退火是最简单有效的消除应力方法，但由于沉井钢结构焊缝尺寸大，且现场条件限制，难以实现退火消除应力。锤击法也是有效的消除应力方法，但锤击力大小和方向受施工人员影响很大，操作不当会导致焊缝产生附加损伤，同时锤击消除应力方法劳动强度大效率低。超声冲击法在消除应力效果、劳动强度和施工效率方面，对于沉井钢结构焊缝具有较好的适用性。钢结构焊缝残余应力的消除效果需要有效的检测方法来保证。

采用超声残余应力检测方法分别对应力消除前后的沉井钢结构焊缝进行应力测量。以台阶型沉井钢壳的第8、9节段钢结构焊缝为对象，采用超声残余应力检测方法进行焊缝残余应力测量。测量设备采用超声应力仪（型号为USG_S2），时域分辨率0.37ns，采用精度为12bit，采用的探头为直径为6mm、频率为5MHz的探头，测量方式是一发一收。探头与待检工件之间要良好耦合，因此在进行测量前需要对焊缝检测区域进行打磨，且由于检测时钢结构焊缝形式包括竖直和水平两种形式，两个探头分别布置在竖直焊缝的左侧和右侧，水平焊缝的上侧和下侧，通过获取的超声信号波形进行焊缝残余应力的测量。

在沉井钢壳的第8节段和第9节段分别选取了20处对接焊缝进行残余应力测量，测量结果的残余应力值均在200MPa以内，且相同位置的2个测量值的差异均在可接受范围之内。

5 结语

阐述了钢结构沉井的设计思路及结构特点，常用无损检测方法在沉井钢结构对接焊缝的适用性及组合使用可在检出率、检测效率和检测成本获得更多均衡性。

阐述了钢结构焊缝产生残余应力的原理，残余应力对焊缝的力学性能、构件的使用寿命具有一定程度的影响。采用超声残余应力检测方法对桥梁沉井钢壳对接焊缝进行应力测量，测量结果表明了残余应力检测方法在桥梁钢结构焊缝应用的有效性。