基于超声理论的桥梁焊接残余应力检测

(浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 310014)

钢结构因其显著的优势已被广泛应用在桥梁工程建设中，如港珠澳大桥采用约16 km的钢箱梁和6 km的组合梁[1]。在现代的钢结构桥梁中，钢构件的连接主要以焊接为主，但是随着桥梁的跨度和设计荷载的增加，其钢板的设计厚度也在不断增加。相对于普通板件的焊接，厚钢板的焊接过程更为复杂，残余应力问题变得更为突出[2]。金靖等[3]指出钢结构桥梁的损伤是在应力作用下产生了轴向、竖向和弯曲3 个维度的应变。因此，在焊接完成后及时对焊缝进行应力检测，了解残余应力的大小及其对不同维度产生的应变影响是钢结构桥梁安全设计的重要环节。目前，残余应力的检测方法有很多，大致可以分为破坏性测量和非破坏性测量。破坏性测量包括钻孔法、深孔法和局部逐层铣削盲孔法等，非破坏性测量主要有X射线衍射法、中子衍射法和超声法等。国内外学者多采用盲孔检测法[4]，而工程中常采用X射线应力检测法[5]。盲孔法对结构有损伤，X射线应力检测仪器复杂、操作步骤繁琐，导致检测效率低，不适合桥梁钢构件在服役状态下的户外现场检测。超声法定位精准、操作简便、工作效率高，并且可以实现桥梁钢结构残余应力的无损检测。2012年，意大利Rossini教授对比分析各种检测方法后认为超声法是残余应力无损检测发展方向上最有前途的技术之一[6]。

残余应力的超声检测技术主要依靠声弹性理论，通过国内外学者的完善和总结，已得到超声波波速与应力的关系式。随着科技的进步，超声检测技术在工程应用中愈发成熟。笔者首先阐述了残余应力的超声检测技术在应用理论上的改进，优化检测系统，对检测系统的性能进行指标测试；其次通过超声法、盲孔法和X射线法对钢构件进行残余应力检测的对比实验，探究该残余应力超声检测系统的可靠性；最后阐述超声法在某桥梁工程中的应用。

1 超声检测技术的应用理论

1953年Hughes等[7]根据有限变形理论，提出了各向同性材料中声弹性理论的早期表达形式，构建声波在材料中传播速度与应力之间的对应关系，从而奠定了声弹性基础。之后几年，物理学家Benson等[8]发现了超声波在有应力材料中的双折射现象，为利用超声波的声弹效应测量应力奠定了物理基础。之后，人们发现超声波的波形和传播方向对应力的敏感度有着很大的影响，而且温度的变化会影响声波传播速度，从而对检测结果造成一定影响。

1.1 基于声弹性原理的不同模式超声波速与应力的关系

张闽[9]在利用超声检测技术对焊缝进行质量检测的研究中，采用了模糊理论对其可靠性进行分析，确定了超声检测技术在桥梁钢结构工程中应用的可行性。但是，随着钢结构桥梁设计荷载的不断增加，钢板设计厚度也逐渐加厚，杨俊芬等[2]指出在利用超声法检测焊缝内部的残余应力时，由于波长较长，而试件内部残余应力引起的波速变化很微小，即超声检测对厚钢板焊缝内部的残余应力不敏感，导致检测不精确。为探究影响超声波敏感度的因素，李伟等[10]通过Matlab软件进行仿真，指出超声法的二维振动优于一维振动；孙俊博[11]进行了超声纵波、横波沿着应力方向传播和垂直应力方向传播对应力的敏感度理论推导，得出纵波沿着平行于应力方向检测最为敏感的结论。为了更全面地探究超声波对应力的敏感度，宋文涛[12]研究了超声纵波、剪切波和表面波沿应力方向传播、垂直应力方向传播和偏振方向传播的应力敏感度，分别分析了以下7 种情况：沿应力方向传播的纵波波速V111与应力σ的关系；垂直于应力方向传播的纵波波速V113与应力σ的关系；传播方向沿应力方向、偏振方向垂直于应力方向的剪切波波速V131与应力σ的关系；传播方向和偏振方向都垂直于应力方向的剪切波波速V132与应力σ的关系；传播方向垂直于应力方向、偏振方向平行于应力方向的剪切波波速V133与应力σ的关系；传播方向平行于应力的表面波波速与应力σ的关系；传播方向垂直于应力的表面波波速与应力σ的关系。然后，对不同波的波速与应力关系式进行波速V对应力σ求导，可得

dV=Kαdσ

(1)

式中：Kα为应力敏感系数，Kα的绝对值越大说明该模式的波对应力越敏感，计算结果如图1所示。

图1 低碳钢中不同模式波与应力的敏感系数|Kα|的对比Fig.1 Comparison of sensitivity coefficient |Kα| of different mode waves and stresses in low carbon steel

比较分析后得出：在低碳钢单轴拉压状态下，敏感度最大的是沿应力方向传播的纵波，其敏感度远高于其他方向。该结果为利用超声检测技术更加精确地检测钢板焊缝残余应力提供了基础。

1.2 温度补偿理论

声弹性理论指出温度变化会影响声波的传播，但前期的理论研究是基于实验的环境下，所以采用超声检测应力时，温度的影响可以忽略不计。随着研究的深入，发现露天环境下的温度变化对钢构件的应力检测有着很大的影响。研究表明：对于普通钢材，1 ℃的温度变化可以引起75 MPa左右的应力变化[13]。孙俊博[11]指出构件所处温度与室温相差过大时，需考虑温度变化对绝对应力检测的影响，即

(2)

张豪等[14]指出可以通过引入系数将温度所致的应力变化从总的应变测量值中分离，所以在露天环境下用超声检测钢结构桥梁残余应力时，应该考虑温度的影响，并且利用温度系数进行补偿分析。在探究残余应力检测的温度补偿理论中，通过采用高低温箱来模拟环境温度的变化，找出不同温度对声时的影响规律。在温度补偿实验过程中，将传感器和试样置于高低温箱内，通过精确调整测试温度，在保温一段时间后，测量声时差，并描绘温度和声时差变化量曲线结果如图2所示。从实验结果可知温度补偿系数为6.87 ns/℃。说明温度的变换确实会影响残余应力的超声检测。

图2 温度补偿实验数据Fig.2 Experimental data of temperature compensation

2 检测指标分析和对比实验

随着超声检测技术应用理论的不断完善，在超声检测系统中，将敏感度最高的纵波和温度补偿应用其中，使得检测系统的敏感度得到提升，而且通过编入温度和声时的关系表达式，残余应力的超声检测结果更加精准。基于此系统，通过对超声检测系统的指标进行分析，以及对不同的残余应力检测方法进行对比，探究残余应力超声检测系统在革新后的可行性和优越性。

2.1 超声检测系统的组成

为了更好地适应桥梁钢结构残余应力超声无损检测，在原来的基础上对系统硬件进行了开发和调整。整个系统主要由应力检测探头、高性能数字隔离电源、信号双级隔离模块、超声信号源、主控制器、数字分析模块、两级温度补偿模块和终端显示模块组成，系统硬件如图3所示。

图3 残余应力超声无损检测系统硬件Fig.3 Hardware of ultrasonic nondestructive testing system for residual stress

本系统的超声信号数据采集模块如图4所示。其工作原理是：超声激励模块发出高压脉冲，使超声换能器产生超声波，接收换能器检测到回波信号并将其传输到回波接收模块，数据采集模块经过一系列的信号处理后，通过数字控制模块和数据通信模块将包含检测信息的数字量传输给工控机，然后进行相关的数据处理；与此同时，各模块的相关参数设置也由工控机通过数据通信与数字控制模块完成[12]。

图4 超声信号数据采集模块总体方案框图Fig.4 Overall scheme block diagram of ultrasonic signal data acquisition module

2.2 残余应力检测的关键指标

该超声检测系统将敏感度最高的纵波和温度补偿理论应用其中，基于上述检测原理，对技术革新后的超声检测系统进行指标检测试验。

2.2.1 测量效率和精度

单点测试的用时不超过6 s。声速时延测量精度在0.37 ns内，应力测量精度在±20 MPa内，应力测量分辨率不超过0.37KmMPa(Km为声弹系数)。

2.2.2 线性度(非线性度误差)

线性度不超过0.3%，测试结果如图5所示。使用材料拉压连续加载标定声弹系数，双向重复进行2 次标定，每次线性拟合度方差可达到0.998 8。

图5 线性度测量结果Fig.5 Linearity measurement results

2.2.3 重复精度

单点重复测量500 次，测量值波动范围不超过11KmMPa。图5为Q345B材质，当点测试重复精度500次为0.6 MPa，测试结果如图6所示。

图6 测量重复精度测试Fig.6 Measurement repeatability test

由上述试验结果可知：超声检测仪器在测量效率和精度、线性度和重复精度上的关键性指标均符合要求。

与国内外其他应力检测装置(如盲孔法应力检测装置、X射线应力检测装置、磁测应力检测装置等)技术指标进行对比，制定了针对钢结构焊接残余应力的超声应力检测系统性能指标，结果如表1所示[12]。

表1 超声应力仪检测系统主要性能指标

2.3 对比实验

为进一步验证超声法测量桥梁钢结构焊接残余应力的有效性，对Q235B和Q345D钢板焊接试件的残余应力分别采用超声法、X射线法和盲孔法进行测量，比较3 种测量方法的精度。

2.3.1 实验现场

对比试验采用Q235B和Q345D两种钢材制成的试件，分别如图7(a，b)所示。超声法和X射线法检测试件残余应力的现场分别如图8，9所示。

图7 试件图Fig.7 Specimen drawing

图8 超声检测现场Fig.8 Ultrasonic testing site

图9 X射线检测现场Fig.9 X-ray inspection site

2.3.2 测量过程

超声法检测的是宏观残余应力，其检测区域最大，而且是无损检测。因此，首先利用超声法检测残余应力；其次在超声法检测残余应力的区域内标记若干部位，利用X射线法检测其残余应力；最后在X射线法检测残余应力的区域内标记若干部位，利用盲孔法检测其残余应力。

1) 超声法测量过程

鉴于Q235B钢试件上有一条焊缝，其热影响区

垂直于焊缝的应力是导致焊缝开裂的主要应力。因此，在焊缝两侧垂直于焊缝方向分别标记3 个检测部位，并进行编号，检测时以某个部位为基准进行零应力标定，然后检测其他部位。如图7(a)中长方形外框即为残余应力的超声检测区域。Q345D钢试件为7 个表面喷丸处理过的试件和1 个表面未喷丸处理过的试件。在每个试件上标记一个检测部位，同样进行编号，并在未喷丸处理过的试件上进行零应力标定，然后检测其他试件。如图7(b)中长方形外框即为残余应力的超声检测区域。每个长方形外框内的实际残余应力超声检测区域为4 mm×30 mm。

2) X射线法检测残余应力的过程

在超声检测区域内均匀地标记5 个2 mm×2 mm 的正方形框作为X射线法检测残余应力的区域，然后对每个区域进行检测，结果如图7(a，b)所示。

3) 小孔法检测残余应力的过程

由于小孔法检测残余应力时要求检测部位间隔较远，因此只能在X射线法检测的5 个部位中选择2 个部位进行检测，结果如图10所示，检测区域示意图如图11所示。

图10 盲孔法检测实物图Fig.10 Blind detection of physical images

图11 检测区域示意图Fig.11 Detection area diagram

2.3.3 数据处理与实验结果

根据上述方案完成检测后，作如下数据处理：

1) 在超声法检测的区域内，通过X射线法检测了5 个部位，通过小孔法检测了2 个部位，分别求得X射线法与小孔法检测的平均值作为该方法检测结果。

2) Q235B试件没有超声法检测需要的零应力试块，只能得到相对应力，因此需要将X射线法、小孔法检测结果减去超声法检测时进行零应力标定部位的检测结果，得到其余部位X射线法、小孔法检测的相对应力值。

3) Q345D钢有零应力试块，因此可直接对3 种方法检测结果进行比较。

3 种方法的检测结果分别如图12(a，b)所示。

图12 应力比较图Fig.12 Stress comparison diagram

由图12可知：针对Q235B和Q345D试件，3 种检测方法测量的残余应力变化趋势大致相同。相较于盲孔法，超声法的检测结果更加接近X射线法的检测结果。虽然X射线法的理论和应用都比较完善，各国都有相应的检测标准，检测精度和结果相对可靠[5]，但是其检测成本高昂、检测要求高，并不能在实际工程中被简单地操作使用。与X射线法相比，超声法的检测结果虽然有一些差距，但是上述指标检测证实其检测精度符合指标要求，并且超声法的操作更加便捷、成本低，满足现代大多桥梁工程的普遍需求，有很大的发展空间。

3 工程应用

为了检测改进后的残余应力超声检测系统，某工程项目组开展了对宁波某大桥及接线工程典型焊接残余应力的检测应用研究。该大桥主桥为单跨过江矮塔斜拉桥，跨径布置(64+86) m+400 m+(86+64) m，主桥全宽29 m，主梁采用混合梁形式，部分边跨和中跨468 m范围区段内主梁采用钢箱梁，其他区段采用组合梁。主塔采用钢结构V型塔，斜拉索共36 对。该大桥V型塔柱的北塔横梁采用环口焊缝(增补的焊缝)，横梁钢材质为Q370，项目组在该大桥V型塔横梁焊接完成后，对钢箱梁9号节段吊装完成和12号节段吊装完成两个不同工况下V型塔北塔横梁西侧腹板对接焊缝44 个点位进行服役应力的超声无损检测。下面选取2 个北塔横梁西侧腹板对接缝点位的检测结果进行说明。

如图13所示，在安装9号梁段后北塔横梁西侧腹板对接缝残余应力较小，在100 MPa以内，但在安装完12号梁段后1～7，11号测点的应力大幅上涨，其中1号测点上涨了164.28 MPa，上涨了13.6倍。

图13 中兴大桥V型塔北塔横梁西侧腹板对接缝应力折线图Fig.13 The stress broken line diagram of the west side web of the crossbeam of V-type tower north tower of bridge

如图14所示，在安装9号梁段后北塔横梁西侧腹板对接缝残余应力除3号和9号测点应力较高外，其余测点的应力均较小，小于120 MPa；在安装完12号梁段后除4号、10号和11号测点外，其余测点的应力上涨幅值较小，小于50 MPa，11号节点涨幅最大，达到145 MPa。

图14 大桥V型塔北塔横梁西侧腹板对接缝应力折线图Fig.14 The stress broken line diagram of the west side web of the crossbeam of V-type tower north tower of bridge

由该工程实例可知：大桥V型塔横梁腹板对接第1次应力测量(钢箱梁9号节段吊装完成后)与第2次应力测量(钢箱梁12号节段吊装完成后)的应力趋势图基本一致，且第2次测量值较第1次测量值均增大，说明随着钢箱梁节段的增加，V型主塔横梁所受服役应力也随之增加，符合理论受力情况。由此可以看出，残余应力超声检测系统在实际工程中的检测结果符合理论结果。

4 结 论

笔者建立的超声检测系统利用纵波残余应力进行检测，并且考虑温度补偿，在关键指标分析和对比实验的分析中得出，超声检测技术在超声检测系统中的检测精度达到指标要求，同时也准确反映了残余应力的变化趋势。对某大桥对接焊缝的44 个点位进行不同工况下的焊缝应力检测，得出的检测结果符合理论计算的结果。综上所述，随着超声检测技术理论的不断完善，超声检测法在实际工程检测中越发精准，并且超声法的操作便捷、成本低，满足现代大多钢结构桥梁工程的大范围焊接质量检测的需求。