钢结构焊缝疲劳裂纹检测技术及适用性分析

钢结构焊缝疲劳裂纹检测技术及适用性
分析
摘要：在钢结构桥梁领域，钢结构桥梁焊缝疲劳裂纹不易发觉，疲劳裂纹进一步扩展会对结构受力、桥面板等产生不利影响，甚至可能导致结构关键部件的突然断裂。

文章论述了钢结构疲劳裂纹开裂机理及影响因素，提出了检测焊疲劳裂纹的相关技术原理和方法以及进行其适用性分析。

关键词：钢结构；焊缝疲劳裂纹；检测方法；适用性分析
钢结构桥梁是一种以钢材为原料制造的桥梁，和钢筋混凝土桥梁相比，它具有强度高、自重轻、跨越能力大、抗震好、结构牢靠、环保节能、施工便捷等优点。

随着我国综合实力的增强和钢材质量、产量的大幅提升，钢结构桥梁将会迅速发展。

但随着钢桥的服役年限的增加，桥梁的运营维护就会出现较多问题。

钢结构桥梁主要存在腐蚀、涂装劣化和疲劳三种病害。

腐蚀、涂装劣化病害在桥梁运营维护过程中较易发现，也能够及时采取相应维护措施，而疲劳开裂具有产生机理复杂、开裂初期不容易被发现、检测与修复难、且修复成本高等特点，已经成为钢结构桥梁运营养护过程面临的核心难题之一。

随着钢结构桥梁服役时间的增加，我国的一些大跨径钢结构桥梁也出现了疲劳开裂问题，如虎门大桥、海沧大桥[1-3]等。

钢桥初期疲劳裂纹不易发觉，疲劳裂纹进一步扩展会对结构受力、桥面板等产生不利影响，甚至可能导致结构关键部件的突然断裂，产生事故，造成巨大的经济损失。

钢桥常见疲劳破坏可以分为连接部位结点疲劳开裂、正交异性钢桥面板疲劳开裂、缆索及锚箱疲劳开裂，在这三种常见疲劳开裂模式中，疲劳开裂大多数发生在焊缝处，焊缝疲劳损伤是影响钢结构疲劳破坏的主要因素之一，甚至是首要因素。

相关研究表明，钢结构疲劳损伤多数在焊缝位置处产生[4-5]。

目前对钢结构桥梁焊缝疲劳破坏的研究已成为疲劳破坏领域中的一个重点研究方向，在这一方向中，又可分为疲劳裂纹开裂机理与影响因素研究、疲劳寿命评估
研究、疲劳裂纹检测/监测研究、疲劳开裂后的防护措施研究等几个方面。

其中疲劳裂纹检测研究是至关重要的，因为它是识别钢结构桥梁是否发生疲劳裂纹，进而判断结构是否安全、以及确定是否需要采取措施提升性能的关键。

一、钢结构桥梁焊缝疲劳裂纹检测技术及适用性分析概述
（一）疲劳裂纹开裂机理
钢结构桥梁疲劳问题首先是疲劳裂纹萌生和增加引起结构部件劣化，之后裂纹扩展，引起循环荷载作用下结构部件的疲劳破坏。

其中疲劳裂纹的萌生大多发生在焊接缺陷、V形槽口或者焊接接头应力集中处，扩展时，裂纹可能出现两种情况，一种是裂纹扩展以后将使材料破裂并产生脆性断裂，另一种情况是由于裂纹释放应力后，将停止扩展。

本小节将对疲劳裂纹萌生、扩展以及最后造成脆性断裂的疲劳过程详细叙述如下。

钢桥的疲劳开裂成因主要与材料自身的疲劳开裂微观机理和其结构构造特征、结构受力等宏观因素有关。

疲劳过程可以分为三个阶段：（1）疲劳损伤积累，（2）疲劳裂纹萌生，（3）宏观裂纹扩展及瞬裂。

裂纹萌生主要有滑移带裂纹萌生、晶界裂纹萌生和相界裂纹萌生三种方式。

疲劳裂纹扩展可以分为两个阶段：第阶段：随后进入微裂纹扩展阶段，在裂纹尖端周围的滑移带发生形变，由剪切脱黏形成新的裂纹面，当裂纹尖端塑性区只在几个晶粒直径范围内，是以纯剪切方式进行裂纹沿滑移方向扩展，这种沿Z字形扩展的方式即为疲劳裂纹扩展第阶段，当应力强度因子范围广时，疲劳裂纹尖端的塑性区在较多晶粒范围内，裂纹开始沿着两个滑移系统同时或交替扩展，这种双滑移机制即为疲劳裂纹扩展第阶段，裂纹扩展两阶段如图1所示。

之后裂纹沿不同的微观裂纹不断扩展，合并，最终发展为宏观裂纹。

图1裂纹扩展的两阶段
Fig.1Two stages of crack propagation
（二）疲劳裂纹开裂影响因素研究
影响钢结构疲劳开裂的宏观因素可以分为以下4个方面：（1）焊接质量。

钢结构桥梁焊缝多，焊接过程中难免出现裂纹、边缘未熔合、未焊透、焊瘤、夹渣、气孔等缺陷，也会产生焊接残余应力，相关研究表明，钢结构疲劳裂纹多数在焊缝位置处产生。

（2）车辆荷载。

国内桥梁车辆超载较为严重，桥面板应力循环次数多，易造成疲劳损伤；（3）结构构造特征。

由于钢桥面板结构复杂，截面几何突变部位多，在车轮荷载作用下，部件处于高应力循环状态，应力集中严重，疲劳开裂问题较多。

同时由于国内外早期钢桥面板、桥面板的横隔板厚度、间距等构造设计不合理，部分桥面板出现了疲劳开裂的现象；（4）其他影响因素。

温度荷载、钢结构腐蚀和人为损伤也与钢桥疲劳开裂有关。

（三）钢结构桥梁焊缝疲劳裂纹检测技术及适用性分析
1．超声波检测法及适用性分析
（1）超声波检测常用方法
超声波检测法，它是通过超声波能透入钢结构（金属材料）的特点，超声波从钢结构部件一个截面进入另一截面，当遇到结构缺陷和到达部件另一表面时，会发生反射，这种反射波就会出现在荧光屏上形成脉冲波形，最后通过得到的这些脉冲波形判断缺陷大小和位置的方法。

目前，超声波检测法包括穿透法、共振法、脉冲反射法等。

1)穿透法
穿透法，通常采用发射、接收两个探头，分别布置在构件两侧进行探伤，当构件有缺陷时，接收的那个探头接收到的能量会显著降低或者消失，以此判断该构件缺陷大小和位置。

如图2所示。

图2穿透法
Fig.2penetration method
2)共振法
共振法：当构件的厚度正好是超声波半波长的整数倍时，会造成共振。

在检测构件的缺陷时，构件出现厚度变化或缺陷，就会造成构件的共振频率发生变化。

3)脉冲反射法
脉冲反射法，通过探头发射脉冲波，在构件内部经过反射得到的反射波的具体形式来检测构件内部缺陷。

脉冲反射法又可以分为：底波高度法、多次底波法、缺陷回波法。

底波高度法通过底波回波的高度变化来判断构件是否存在缺陷，如图3所示。

多次底波法则通过底波回波的次数来对构件是否存在缺陷进行判断。

缺陷回波法通过得到的示波屏上的缺陷波形判断缺陷大小和位置，如图4所示。

图3底波高度法
Fig.3Bottom wave height method
图4缺陷回波法
Fig.4Defect echo method
（2）超声波检测适用性分析
对于钢结构桥梁中的U肋以及正交异性桥面板的焊缝处的疲劳裂纹，检测时
通常采用“前后”“左右”“环绕”“转角”的扫描方式的斜探头，判断缺陷类
别和尺寸的信息。

针对各种焊缝疲劳裂纹进行检测的探头的布置形式如图5所示。

通过检测得到缺陷回波，就可以对该裂纹是否为焊缝处的疲劳裂纹进行判断。

图5探头的布置形式
Fig.5Probe layout
在超声波检测中，通常需要用到耦合剂、探头，精度高，速度快，但检测范围较小，适用于正交异性钢桥面板和U肋处的焊缝疲劳裂纹的检测，钢结构桥梁的涂层会使回波高度降低，所以需要对表面进行适当的补偿，这种检测方法可以对焊缝处的疲劳裂纹的大小（长度、深度以及倾角）和位置进行判断并对较隐蔽的裂纹进行检测。

3声发射检测法及适用性分析
（1）声发射检测常用方法
声发射检测法，是一种构件在受荷载作用下，缺陷通常由于在应力集中而产
生断裂或者变形，以弹性波（AE信号）形式释放出应变能的检测方法。

它通常要
求构件要受荷载作用和内部缺陷要发生变化，也有诸如不受材料限制、灵敏度高、可检测活动裂纹、可动态检测和可实现在线监测等技术上的优点。

但也有必须施
加荷载才能进行检测、检测受电与机械噪声影响大、定位精度不高等局限性。

目前，声发射检测法包括连续法和间歇法等。

声发射的过程中，对位置的定位和对
信号的处理是至关重要的。

定位方法见图8。

信号处理的方法主要有振幅分布分
析法、能量分析法、振铃法三种。

图8声发射定位方法
Fig.8Acoustic emission positioning method
1)连续法
连续法，是指可以用声发射连续监视钢结构桥梁焊缝疲劳开裂全过程的检测方法。

检测过程中需要在声发射仪器上运用电压控制技术和空间滤波的方法排除桥梁上汽车噪声的干扰，达到将裂纹闭合噪声屏蔽掉，只采集高荷载作用下的裂纹拓展信号。

2)间歇法
间歇法中，与连续法相比较，弹性波（AE信号）不可逆，部件在同条件下声发射只有一次，数据量相对于连续法而言显著减少，有利于后期的数据处理分析。

（2）声发射检测适用性分析
声发射检测法利用裂纹开裂产生的弹性波（AE信号）检测和对裂纹位置进行判断，检测范围大，可以对疲劳裂纹的位置进行定位，达到对裂纹的动态监测，但速度慢、抗干扰能力差，不能检测裂纹的长度、深度和倾斜角度。

当钢结构一个箱梁中同时存在多条裂纹时，信号处理困难，裂纹较难定位。

该检测方法适用于整个钢箱梁内部的疲劳裂纹检测。

4 磁记忆检测法及适用性分析
（1）磁记忆检测常用方法
磁记忆检测法，是一种通过在构件应力集中处存在的漏磁场的法向分量Hp(y)和对它在长度方向梯度值的测量，对铁磁材料缺陷或者应力集中区进行检测方法。

它有仅利用地磁场而不需要外加磁场对铁磁材料进行磁化[26-27]、和磁粉法相比不
需要预处理、对于构件早期裂纹扩展阶段的应力集中位置和微观缺陷的识别精度
高等技术上的优点[28]。

钢结构焊缝作为铁磁材料，当焊缝出现疲劳裂纹、内部应
力集中时会由于铁磁材料内部的磁畴变化而引起裂纹处磁力线畸变，最后有宏观
磁性质的变化，产生自发漏磁场。

疲劳裂纹判断的依据通常是漏磁场的法向分量Hp(y)变向且过零点、切向分量Hp(x)有极大值的特征。

（2）磁记忆检测适用性分析
其他几种检测方法只能检测出宏观疲劳裂纹，而磁记忆检测法不仅能检测宏观缺陷，还可以对微观早期隐形疲劳裂纹应力集中处进行识别，对钢结构桥梁焊缝疲劳裂纹的扩展具有预警作用，应用前景良好，具有其他检测方法没有的巨大优势。

目前该检测方法判断构件早期应力集中的敏感性较好，但在不能精确地判断裂纹萌生与裂纹扩展之间的界限问题以及不能较好地实现定量评价的问题。

二、讨论
目前声发射检测法可以对疲劳裂纹的位置进行定位，达到对裂纹的动态监测，但速度慢、抗干扰能力差，不能检测裂纹的长度、深度和倾斜角度。

超声波检测，通常需要用到耦合剂、探头，精度高，速度快，但检测范围较小，可以对焊缝处的疲劳裂纹的大小（长度、深度以及倾角）和位置进行判断并对较隐蔽的裂纹进行检测。

磁记忆检测法不仅能检测宏观缺陷，还可以对微观早期隐形疲劳裂纹应力集中处进行识别，对钢结构桥梁焊缝疲劳裂纹的扩展具有预警作用，应用前景良好，具有其他检测方法没有的巨大优势，目前还处于初步研究阶段，还没有达到工程实用阶段。

三、结语
疲劳裂纹检测研究是识别钢结构桥梁是否发生疲劳裂纹，进而判断结构是否安全、以及确定是否需要采取措施提升性能的关键。

本文基于疲劳裂纹的基本概
念阐述了其开裂机理及影响因素，提出了检测焊疲劳裂纹的相关技术原理和方法以及其适用性。

参考文献：
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[3] 梁肇伟.厦门海沧大桥钢箱梁的装配焊接[J].钢结构,2001,16(3):3-6
[4] 陈开利．正交异性钢桥面板的疲劳裂纹处治[J] ．世界桥梁，2016(1)：70-76．
[5] 吉伯海，赵端端，傅中秋，等．车轮荷载下钢桥疲劳构造细节应力等级评定[J] ．河海大学学报（自然科学版），2014(5)：416-421．。