钢结构隐性损伤的磁记忆识别机理及试验研究

王 威 樊 浩 杨为胜 刘 静

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

钢结构隐性损伤的磁记忆识别机理及试验研究

王 威 樊 浩*杨为胜 刘 静

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

以金属磁记忆检测机理为基础，提出关于建筑钢结构早期微裂纹缺陷的磁记忆识别机理模型。采用拉伸试验研究了Q235典型建筑钢在静载作用下的磁记忆效应，利用WT10B数字高斯计获得了不同加载阶段的磁场信号。发现法向磁场与外荷载存在一定的对应关系，法向磁场强度及其梯度可用来对试件的危险区域进行定位，磁场梯度最大值可用来判断试件的危险时刻。表明磁记忆是钢结构早期隐性损伤安全诊断的有效方法。

钢结构，金属磁记忆，隐性损伤，机理模型，拉伸试验

1 引 言

目前，大跨空间钢结构、高层建筑钢结构、大跨钢结构桥梁的建设备受关注，这些重大工程早期损伤的健康监测与安全评定技术正变成土木工程领域所面临的瓶颈问题。钢结构的主要损伤源为应力集中区，结构和构件因应力集中和各种微观缺陷扩展而引发的脆性破坏现象非常严重。例如，我国哈尔滨的滨州线松花江钢桥，因冷脆造成铆接点裂纹扩展发生脆性断裂，香港某高层建筑由于各承重柱随着裂纹萌发扩展而发生突然倒塌［1］。发生这类事故的主要原因就是没有一个很好的方法能对大型钢结构中潜在的损伤及构造关键部位的材性变化和早期损伤状况进行实时监测。常规的钢结构无损检测方法，如超声、磁粉、射线、渗透等只能对已形成的裂纹或宏观缺陷进行检测，不能对钢结构的隐性损伤进行早期检测。隐性与显性相对，指没有形成明显的物理不连续，而难以及时发现，且一旦凸显将造成重大灾难［2］。虽然隐性损伤最终会形成宏观缺陷，但宏观缺陷萌生前所耗费的时间在整个过程中比例较大，而且在隐性损伤积累的过程中，微小的外界作用都有可能对结构造成致命的影响。其自由发展的后果往往是无任何明显征兆的结构突然垮塌［3］。因此，及时找出结构段裂前的危险区域并进行在线监测，对于钢结构的损伤检测和评估具有较高的理论和实际工程应用价值。

金属磁记忆检测是1997年俄罗斯学者杜波夫提出的一种新兴无损检测技术，该技术借助于天然的地磁场作用、金属内部各种微观缺陷和局部应力集中对磁作用的特殊反映机制，能够对铁磁体进行早期诊断［4，5］。金属磁记忆检测技术已经在石油、机械、化工、电力、铁路等部门开始推广应用，但在建筑钢结构工程领域才处于起步阶段。本文在金属磁记忆原理的基础上，提出了钢结构早期微裂纹诊断的磁记忆检测识别机理模型。以典型建筑钢材Q235钢板为研究对象，通过静力拉伸试验，分析了整个拉伸过程中磁场信号的变化规律。分析表明，磁记忆是运用于建筑钢结构早期损伤检测的有效方法。

2 钢结构磁记忆识别机理

2.1 磁记忆检测基本原理

磁记忆检测的原理实际上是磁弹性和磁机械效应共同作用的结果［6］，磁弹性效应的原理见图1。当铁磁构件在周期性荷载和外磁场（如地磁场）的共同作用下，会在作用部位出现残余磁感应强度以及自磁化增长的现象。其中，ΔBr为残余磁感应量的变化，Δσ为周期性荷载变化，He为外磁场。

图1 磁弹性效应原理图Fig.1 Magneto-elastic effect schematic diagram

铁磁物质的磁化强度的变化与应力或应变等力学变量的变化密切相关的现象称为磁机械效应。铁磁学研究表明，弹性应力对铁磁体不但产生弹性应变，还产生磁致伸缩性质的应变，从而引起磁畴壁的位移，改变其自发磁化方向。根据能量极小原理，当铁磁体受到外力作用时，铁磁体内磁化强度会在应力作用下被迫改变方向以减少应力能，应力能表达式：

式中，λs表示材料的磁致伸缩系数；σ为应力；θ为应力方向与磁化方向的夹角。

当金属构件受外力或者由于内部缺陷产生应力集中时，应力集中区在微弱的地球磁场作用下发生自发磁化现象，产生磁极，以磁能的形式抵消部分应力能，使总能量E趋于最小。并在此区域形成退磁场，使此处铁磁体的磁导率最小，在其表面形成大大高于地球磁场强度的漏磁场。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后依然保留，“记忆”着应力集中和微观缺陷的位置，即所谓的磁记忆效应［7］。

2.2 钢结构磁记忆机理模型

从磁记忆检测原理可知，缺陷漏磁场是磁记忆检测的基础。钢结构与应力有关的早期隐性损伤所形成的微观缺陷，以裂纹类缺陷为主。根据电磁学理论［8］，可将其简化为无限长矩形槽，假定槽宽2b，深h，将裂纹壁上的磁荷等效为两侧均匀分布的两条磁荷带，即形成带磁偶极子。其面密度为ρ，左右两边极性相反，采用等效带偶极子模型模拟缺陷漏磁场。等效带偶极子模型如图2所示。

图2 钢结构微裂纹磁偶极子模型Fig.2 Steel structuremembermicro-crack magnetic dipolemodel

此时，槽壁上具有宽度为dη的面元上的磁荷载P点产生的磁场强度为

式中，

它们的x及y分量为

通过积分叠加后可得总的磁场分量Hx、Hy为

式中，ρ为带磁偶极子面密度；μ0为真空磁导率，均为常数。

根据式（4），运用matlab软件进行数值模拟分析。由于实际工程中，法向磁场信号比切向磁场更容易检测到，仅对法向分量Hp（y）展开数值模拟。取提离高度y＝1，由于系数不影响函数形状，为简化问题且作为定性研究，不对其参与赋值。则由缺陷造成的漏磁场强度法向分量随深度h和宽度b的分布曲线如图3、图4所示。

图3 法向漏磁场随深度分布曲线Fig.3 Leakage field distribution curve in normalwith different depth

图4 法向漏磁场随宽度分布曲线Fig.4 Leakage field distribution curve in normalwith differentwidth

在构件含有微观缺陷的部位即x＝0处，法向分量Hp（y）过零点且改变符号，以x＝0为中心对称，并且具有较大的梯度。值得注意的是，裂纹深度与宽度的改变对磁记忆信号有一定的影响，随裂纹深度的增加，法向磁场强度逐渐增强，同时具有更大的峰值与梯度；随裂纹宽度的增加，缺陷附近法向磁场强度和梯度减小，但具有更大的峰值。实际检测中，可根据法向磁场过零点及其梯度的变化情况，对钢结构潜在的裂纹类早期损伤的发展状况进行判断并及时发现危险部位，以防止结构发生突发性脆性破坏。

3 试验研究

3.1 试验方法

为寻找构件断裂前潜在隐性损伤与法向磁场之间的关系，选用典型建筑用钢Q235钢材进行拉伸试验研究。试件中央检测区域长100 mm、宽30 mm、板厚10 mm，两边夹持部位与中央检测区光滑过渡，用以保证拉断位置处于中央检测区，构件形状如图5所示。以试件轴线b为对称，等间距（间隔10 mm）划上三条平行线，逐点检测。试验在西安建筑科技大学材料研究所的WAW-2000电液伺服万能试验机上进行，由计算机控制拉伸过程，如图6所示。磁场信号采集设备选用高精度的WT10B型数字高斯计，精度0.01 mt。

图5 试件形状（单位：mm）Fig.5 Specimen shape（Unit：mm）

图6 拉伸试验机Fig.6 Tensile testingmachine

为了解构件的力学性能，首先对该试件进行了拉伸实验，得到Q235构件的实际屈服荷载为90 kN，断裂荷载为128.3 kN。选用3根试件1＃、2＃、3＃进行拉伸实验，弹性阶段分0、30 kN、60 kN、90 kN四级加载，塑性阶段分100 kN、110 kN、120 kN、128.3 kN四级加载。检测过程中高斯计探头紧贴构件表面，以减小提离高度的影响。整个试验都在拉伸机上在线测量，使试件在各个阶段处于同一外界环境，有效消除了外界环境的改变对缺陷漏磁场所造成的影响。

3.2 试验结果与分析

静载拉伸过程中随外加荷载的变化，同一试件三条测线的磁场信号表现出相同的变化规律，仅在数值上略有不同，每个试件仅选择其中的一条b测量线进行分析。图7为各试件加载断裂前的法向磁场信号随荷载的变化情况。

施加轴向拉伸荷载后，三个试件均表现出良好的磁特性，出现唯一过零点位置。零值点左侧HP（y）为负值，右侧HP（y）为正值。由于未做消磁处理，构件的初始磁信号并不为零，构件两端磁场信号值（绝对值）最大，这与样品加工及夹持过程中端部被磁化有关。整个加载过程，法向磁场强度随荷载的增加而缓慢增大，表明构件的应力集中程度逐渐增强。弹性阶段内，磁场信号较为平缓，与初始磁场信号曲线有较强的相似性；塑性阶段，磁场强度在曲线中部有变陡峭的趋势。

断裂后三个试件的磁记忆曲线如图8所示。断裂处的磁化向量转向与外应力方向一致，试件内各磁畴磁化强度相互叠加，致使该处法向磁场强度激增，同时其它区域磁畴磁化向量也发生了不同程度的转动，但远小于断口处。试件拉断后，原本贯穿于试件内部的磁力线在断口处中断，使断口两侧形成极性相反的两个磁极，磁场强度曲线出现波峰与波谷现象。

图7 不同荷载下构件的磁记忆信号分布图Fig.7 Magneticmemory signal distribution of specimens with different loads

从加载到最终断裂，磁场强度零值线并不固定在一个位置，而是在一定范围内发生了漂移。随着拉伸荷载的增加，过零点位置逐渐趋向于最终断裂位置，在断口处磁场强度急剧改变，零值点位置与断口位置一致。以试件1＃为例进行说明，整个加载过程中，零值线位置由零载时的x＝65 mm，30 kN时的x＝63mm逐渐向左靠拢，最终在x＝55mm左右位置断裂，图9为1＃试件断裂前后对比图。对比最后断裂位置发现1＃试件受载后的最大漂移距离约为10 mm。另两试件的最大漂移距离分别为11 mm、9 mm，综合误差10%左右。表明利用法向磁场过零点来判断危险区的方法，对Q235钢材有重要的指导意义。

对钢结构进行早期损伤判断的一个重要依据就是提早发现潜在破坏区域，及时找出可能出现危险的时刻。针对塑性阶段构件的法向磁场有明显变陡峭的变化，采用origin软件的二阶差分法对所提取的磁场强度值进行微分，不同荷载下的曲线斜率即梯度K＝d HP（y）／d x的变化如图10所示。

图8 各试件断裂后磁场分布图Fig.8 Magneticmemory signal distribution of specimens after fracture

图9 1＃试件断裂前后对比Fig.9 omparison of specimen 1＃before and after fracture

图10 不同荷载下各试件的磁场梯度分布图Fig.10 Magnetic gradient distribution of specimens with different loads

图11为试件断裂后的梯度曲线，断口处磁场梯度激增，形成明显的波峰，在断口位置有最大值。

图11 各试件断裂后磁场梯度分布图Fig.11 Magnetic gradient distribution of specimens after fracture

三根试件梯度曲线虽然在数值上略有差别，但表现出相同的变化规律，每级荷载下，磁场梯度K在构件两端呈现较小值，在中间区域呈现较大值。随荷载的增大，K值缓慢增加，在弹性范围内图形比较接近，在强化阶段梯度曲线出现明显尖端，梯度峰值Kmax有很大突变。加载过程中Kmax逐渐向某一区域聚拢，最终出现在试件断裂处。发现，Kmax位置同样并非一一对应着潜在破坏面，强化阶段以前，梯度峰值点在破坏截面附近一定范围内较平缓地波动；当加载到110 kN试件进入强化阶段后，三个试件的梯度曲线均出现明显尖端，梯度峰值突变，峰值点位置已很接近最终断裂面。

以1＃试件为例进行分析，在0～100 kN范围内，法向漏磁场梯度峰值Kmax都集中在0.004～0.0045 mt·mm－1左右，无较大波动，峰值点位于x＝40mm附近。当荷载加到110 kN、120 kN时，Kmax突变到0.005 5mt／mm、0.006 5mt／mm，出现剧烈波动，峰值点位于x＝50mm附近，与最终断裂位置十分接近。试件最终断裂荷载为128.3 kN，Kmax激增到0.14 mt／mm，峰值点位于x＝55 mm附近，与试件断口发生位置高度吻合。观察拉伸试验机所绘制的荷载-位移曲线图12发现，试件在荷载加到110 kN已进入强化阶段并开始逐渐进入颈缩阶段，表明此刻构件即将破坏失效。

图12 荷载-位移曲线Fig.12 Force-displacement curve

可根据梯度峰值迅速增强的突变时刻，作为构件即将破坏前危险时刻的判据；以Kmax位置对构件失效前的潜在危险面进行补充判断：峰值突变之前所对应的位置可作为区域参考判据；峰值产生剧烈突变后所对应的位置可作为确定性判据。

4 结 论

（1）以金属磁记忆基本原理为基础，提出关于建筑钢结构微裂纹型隐性损伤的漏磁场模型，在含微观缺陷的地方法向磁场过零点，且梯度有最大值。

（2）以Q235建筑钢试件为研究对象，分析了拉伸过程中磁场信号变化规律，表明受拉钢构件应力变化与其磁记忆信号变化有一定对应关系。法向磁场过零点及磁场梯度峰值位置可用于判断构件失效前的潜在破坏位置，Kmax突变时刻可用于判断构件危险时刻。

（3）钢构件裂纹的深度与宽度改变对磁场信号的变化有一定影响关系，尚需进一步试验研究。

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Identification M echanism and Experiment of M etal M agnetic M emory in Steel Structure Imp licit Damage Testing

WANGWei FAN Hao*YANGWeisheng LIU Jing
（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Based on themechanism ofmetalmagnetic memory testing，the early micro crac damage ofmagnetic memory testingmodel for building steel structure are proposed.The magnetic memory effect of typical structure steel Q235-steel under static-load were studied，and magnetic field signal of different loading stages weremeasured byWT10B digital gaussmeter.The results show that there are some correlation relationship between the normalmagnetic field and the loads.The normalmagnetic field intensity and the gradient can be used to locate hazardous area of specimens，the dangerousmoment can be judged by the maximum magnetic field gradient.The research indicate that themagneticmemory testing is an effectivemethod for diagnosing the early implicit damage of building steel structure.

steel structure，metalmagneticmemory，implicit damage，physicalmechanism model，tensile experiment

2013－09－02

陕西省教育厅自然科学基金（12JK0913），国家自然科学基金面上项目（51478383）。*联系作者，Email：hao66880＠126.com