一种超声检测结构永存应力的方法与流程

本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种超声检测结构永存应力的方法。

背景技术

结构永存应力是反映整个结构状况重要的指标之一。实际结构中强度破坏实质上是因应力超过材料的强度造成的，过大的应力会导致结构开裂和结构局部破坏，往往导致结构的最终破坏。因此，永存应力的确定就显得尤为必要。

目前对于结构永存应力的检测主要采用有损检测和无损检测两类方式。有损检测法主要方法有钻孔法、盲孔法和开植法，检测过程为在混凝土表面粘贴应变传感器，通过结构应力释放前后应变片的变化，依据胡克定律计算结构永存应力。由于这些检测方法都需要在结构上开孔或开槽，会对结构都有一定损伤和损坏。而且，这些有损的检测方式在钻孔或开槽的过程中都有较剧烈的机械扰动和较大的温度变化，对应变测量的精度有较大的不利影响，因此这些方法很难在实际被推广。目前无损的方法主要为超声法，超声波检测混凝土应力的方法主要依据声弹性理论，当一种材料被施加荷载并且产生变形之后，它的声学特性也随之发生变化。目前对于超声波法检测永存应力的一个方法是研究混凝土声学参数与永存应力的关系，主要为研究单个声学参数比如声速、振幅、直达波频率等与混凝土应力之间的关系，但目前从目前的研究结果来看，这些声学参数对应力的变化不够敏感，一些外界因素比如温度、湿度、混凝土的配比等因素都会影响这些声学参数，所以很难建立起这些声学参数与混凝土应力之间的关系曲线以达到运用超声检测结构永存应力的目的。

技术实现要素：

本发明提供一种超声检测结构永存应力的方法，用以更准确的测量结构的应力，并降低外界因素对结构应力测量的影响。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种超声检测结构永存应力的方法，用于检测材料为各向同性材料的结构受载后处于单向应力状态时应力的大小，包括：

测量结构受载后的第一波速v1和第二波速v2，所述第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向平行的纵向波速v111和传播方向与应力σ方向垂直的纵向波速v113，或，所述第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向垂直质点振动方向与应力σ方向平行的横波波速v133和传播方向及质点振动方向均与应力σ方向垂直的横波波速v132；

获取与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k；

根据所述第一波速v1、第二波速v2和与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k得到结构受载后处于单向应力状态时应力的大小，具体为根据第一公式得到结构受载后处于单向应力状态时应力的大小；所述第一公式为：

其中，σ为结构受载后处于单向应力状态时的应力值。

优选的，

当第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向平行的纵向波速v111和传播方向与应力σ方向垂直的纵向波速v113时，与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k为：

其中，λ和μ为材料的lame常数，m属于材料的murnagham三阶弹性常数，ρ0表示结构受载前材料的密度。

优选的，

当第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向垂直质点振动方向与应力σ方向平行的横波波速v133和传播方向及质点振动方向均与应力σ方向垂直的横波波速v132时，与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k为：

其中，λ和μ为材料的lame常数，n属于材料的murnagham三阶弹性常数，ρ0表示结构受载前材料的密度。

优选的，所述与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k，由以下方法得到：

制作长方体试件，试件的材料与所述结构的材料相同；

在试件顶面和底面施加均布载荷，根据所述均布载荷和试件顶面/底面的面积得到试件所受到的应力σ′；

测量试件受载后的第一波速v′1和第二波速v′2；

根据试件所受到的应力σ′、试件受载后的第一波速v′1和第二波速v′2，通过第一公式得到与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数

本发明提供的方法，通过使用第一波速和第二波速平方后相减的方法，能够在提高测量结果对应力的灵敏度的情况下，同时降低外界环境因素比如温度、湿度等对测量结果的影响，因此，能够更准确的测量单向应力状态下结构的应力的大小。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种超声检测结构永存应力的方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的横波测试超声探头布置示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的纵波测试超声探头布置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种超声检测结构永存应力的方法的流程图，用于检测材料为各向同性材料的结构受载后处于单向应力状态时应力的大小，包括：

步骤s101，测量结构受载后的第一波速v1和第二波速v2，所述第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向平行的纵向波速v111和传播方向与应力σ方向垂直的纵向波速v113，或，所述第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向垂直质点振动方向与应力σ方向平行的横波波速v133和传播方向及质点振动方向均与应力σ方向垂直的横波波速v132；

步骤s102，获取与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k；

步骤s103，根据所述第一波速v1、第二波速v2和与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k得到结构受载后处于单向应力状态时应力的大小，具体为根据第一公式得到结构受载后处于单向应力状态时应力的大小；所述第一公式为：

其中，σ为结构受载后处于单向应力状态时的应力值。

本发明提供的方法，通过使用第一波速和第二波速平方后相减的方法，能够在提高测量结果对应力的灵敏度的情况下，同时降低外界环境因素比如温度、湿度等对测量结果的影响，因此，能够更准确的测量单向应力状态下结构的应力的大小。

由于结构所用的材料的属性可能已经得到过测量，为了利用已有的材料属性，在本发明的一个实施例中，

当第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向平行的纵向波速v111和传播方向与应力σ方向垂直的纵向波速v113时，与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k为：

其中，λ和μ为材料的lame常数，m属于材料的murnagham三阶弹性常数，ρ0表示结构受载前材料的密度。

由于结构所用的材料的属性可能已经得到过测量，为了利用已有的材料属性，在本发明的一个实施例中，

当第一波速v1和第二波速v2分别为传播方向与应力σ方向垂直质点振动方向与应力σ方向平行的横波波速v133和传播方向及质点振动方向均与应力σ方向垂直的横波波速v132时，与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k为：

其中，λ和μ为材料的lame常数，n属于材料的murnagham三阶弹性常数，ρ0表示结构受载前材料的密度。

当结构所用的材料的属性尚未得到测量时，为了能够快速得到与计算结构应力所相关的材料属性，在本发明的一个实施例中，

所述与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数k，由以下方法得到：

制作长方体试件，试件的材料与所述结构的材料相同；

在试件顶面和底面施加均布载荷，根据所述均布载荷和试件顶面/底面的面积得到试件所受到的应力σ′；

测量试件受载后的第一波速v′1和第二波速v′2；

根据试件所受到的应力σ′、试件受载后的第一波速v′1和第二波速v′2，通过第一公式得到与第一波速v1和第二波速v2相关的材料常数

在本发明的一个实施例中，如图2所示，为横波测试超声探头布置示意图，采用横波声速(v133、v132)检测检测单向受力构件应力时采用对测法，即横波超声发射探头和接收探头分别位于试件两个对面，s1和r1分别横波发射探头和接收探头，每次测试时，先把横波发射探头和接收探头介质质点振动方向调整为与应力平行方向进行测试，测得声波在构件中传播的时间t133，然后测量出声波传播距离l，则声速v133＝l/t133，第一次测试完毕后，在确保超声探头的中心点位置不变，对发射探头和接收探头同方向旋转90°，然后再进行测试，然后同法可得到声速v132。

当纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质中时，根据snell定律，会有一入射角使折射纵波的折射角等于90°，此时折射角为90°的纵波即为临界折射纵波(lcr)，而入射角称为第一临界角，第一临界角的计算公式为：

式中：v1为透声楔中的纵波波速；v2为混凝土构件中的纵波波速。采用纵波声速(v111、v113)检测检测单向受力构件应力时采用平测法，采用斜射纵波探头，超声探头布置如下图3所示，在试件的同一个侧面布置2组超声纵波发射与接收探头分别为“s2-r2”、“s3-r3”，其中“s”为发射头，“r”为接收探头，s2、s3均以第一临界角斜射入被测构件，入射方向分别沿“s2-r2”及“s3-r3”的连线上，分别产生传播方向与应力平行及垂直临界折射纵波，“s2-r2”测试传播方向垂直于应力方向的纵波波速v113，“s3-r3”测试传播方向平行于应力方向的纵波波速v111。“s2-r2”、“s3-r3”测距相等且连线相互垂直，且接收点和发生点均位于连线中点为圆心的圆弧上。

在本发明的一个实施例中，制作一个与被测构件材质相同的立方体标准试件p，设截面为s，在构件顶面和底面均匀施加均布力f，则可知其内部应力为σ＝f/s，然后测出在此应力状态下的声速v113、v111、v133、v131，然后通过计算出被测构件的材料常数k。

本发明提供的方法，通过使用第一波速和第二波速平方后相减的方法，能够在提高测量结果对应力的灵敏度的情况下，同时降低外界环境因素比如温度、湿度等对测量结果的影响，因此，能够更准确的测量单向应力状态下结构的应力的大小。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。