2.2 加载过程中磁记忆信号变化规律
加载过程中,刚架左右钢梁翼缘中沿检测线3-3'的法向磁信号变化情况如图7所示.
从图7可以看出,刚架在施加荷载后,翼缘上的磁信号分布情况与初始阶段相比发生较大变化,各级荷载下的信号存在比较明显的规律性,又由于加载级数多,为便于分析,本文选取全部数据中7级荷载下的磁记忆信号曲线进行研究.首先能够发现两刚架梁磁信号随荷载的变化情况有较大区别.在各级荷载作用下左端刚架梁翼缘磁信号曲线之间的离散程度较大,磁信号数值整体上随着荷载的增加发生不同幅度的增大.而右端刚架梁在不同荷载下各点处磁信号数值变化幅度不大,整个加载过程中没有发生突变现象,仅个别检测点的磁信号有较大离散.导致这种现象的原因是左侧梁靠近加载端,直接受到左侧节点区传来的荷载,在加载初期时翼缘应力较小,磁畴壁移动的量值很小,基于磁效应的磁场增加并不明显,甚至出现减小的现象.在逐级增加的水平力作用下,应力集中程度越来越大,翼缘应变也逐渐增大,试件内部微观结构发生改变,磁畴壁的移动及磁畴取向逐渐统一,宏观上表现为磁信号数值增加,磁信号变化规律与应力具有一定的正相关性.右端刚架梁中由于没有发生应力突增,翼缘应力水平较稳定,所以磁信号没有发生突变现象而是在一定范围内小幅波动.因此,可以通过磁记忆信号的变化幅度来反映试件中的应力情况.如果增幅越大,则说明试件中应力发生了突变,发生破坏的可能性也就越大.
图7 刚架梁翼缘处磁记忆信号变化
Fig.7 Magnetic memory signal changes at the flange of steel beam
同时还可以发现两刚架梁在距离柱端10～20 cm区域内的磁记忆曲线均发生显著变化,出现明显异变磁信号即表现出波峰 - 波谷现象.刚架梁与端板采用焊缝连接方式,并焊有加劲肋,由于在施焊过程中焊接热循环的作用,钢梁受到不均匀加热影响,在焊缝处往往会造成较大的初始残余拉应力.这种残余应力是一种内应力,不由外荷载作用而产生,在试件焊缝附近能够自相平衡,而残余应力在焊缝两侧垂直于焊缝方向的分布具有普遍性规律,即靠近焊缝位置处为拉应力远离焊缝位置处为压应力
[9].结构受到液压试验机施加的水平推力,在翼缘表面产生的拉应力与初始残余应力相抵消,远离焊缝处的残余压应力逐渐减小.结合试验数据,在拉应力的作用下引起距离柱端10～20 cm区域内的翼缘中一定数量磁畴的磁化方向改变,驱动磁畴转向相反方向,在大地磁场的激励下产生一个与初始磁场相反的磁场,导致磁场强度减弱,在磁记忆曲线上表现为数值下降并出现波峰 - 波谷的现象.由此可知在应力集中区域附近磁畴会由拉压应力的变化而转向不同方向,因此可利用磁信号曲线波峰 - 波谷出现的位置来评判试件的应力集中区,预测其应力状况,对结构中可能发生危险的部位进行早期预警.
加载过程中,刚架左右钢梁腹板中沿检测线4-4'的法向磁信号变化情况如图8所示.
图8 刚架梁腹板处磁记忆信号变化
Fig.8 Magnetic memory signal changes at the web of steel beam
比较
图7与
图8可以发现,在不同荷载作用下刚架左侧梁腹板和翼缘的磁信号之间有相似的变化趋势,总体趋势均为:由于荷载逐渐增大,磁场强度随应力的增大而增强,磁信号数值也越来越大,最终出现峰值,且在450 kN荷载作用下左侧结构失稳后磁信号都发生大幅度增加的突变现象.出现该现象的原因是由于结构发生分岔失稳,梁内应力应变发生突变,从而导致磁信号数值突变.刚架右侧梁中腹板和翼缘的磁信号也存在相似性,但是与左侧不同,由于没有发生失稳,因此磁信号未出现突变现象,离散度较小.从
图8中可以发现,左右梁腹板表面的磁记忆信号均有明显的“波谷”现象,而“波谷”的位置都出现在x=40 cm处即梁的跨中.在试验过程中,梁的跨中位置受到配重用的集中荷载作用,所以在跨中及附近区域内腹板的局部剪应力水平远高于其他位置处的剪应力水平,致使磁记忆信号曲线产生“波谷”.随着水平荷载不断增大,刚架腹板跨中位置的应力集中程度越来越大,磁信号曲线表现出的“波谷”现象也越来越明显,并在失稳前达到峰值.因此,可综合利用磁记忆信号的峰值和增幅这两个标准对试件的应力集中区进行定性评判,即通过试件表面磁场的强弱变化推知试件的变形程度.如果发现试件中某些部位的磁信号增幅很大且出现峰值,则表明这些部位应力集中程度较高,需要及时采取措施消除隐患,避免对建筑结构造成严重危害.此外,从
图8中还能够发现,两侧钢梁腹板的磁信号曲线都关于梁中线近似对称,而在“波谷”两侧的变化特征则有不同.左侧钢梁的磁信号曲线在x=0～30 cm和x=50～80 cm这两个区域内先降低后升高,呈下凸现象,形成两个较缓的“波谷”,右刚架梁在这两个区域内的磁信号则表现为上凸现象,形成两个较缓的“波峰”.可见左右梁内的应力水平并不相同,磁畴畴壁位移和磁化矢量转向存在差异,导致产生不同强度的等效磁场.
从上述试验还可以看出,在不同荷载作用下刚架梁腹板的磁记忆信号几乎全部为负值,仅有个别过零点的现象,Doubov所提出的“Hp(y)值过零”判据受到条件限制而无法适用,且该判据对于评判宏观缺陷较为有效,但在本试验中钢梁表面在加载过程中直至失稳后都未出现宏观缺陷.此外,过零点是试件在呈现一定程度磁有序化后的正负磁极分界点,若仅采用这一准则来判断试件的应力集中部位缺乏准确性,判别效果也不理想.而试件表面的磁信号反映的是应力集中区的自有漏磁场的积分场[10],为了得到应力集中处的特征信号,对磁信号曲线进行微分得到各自的磁场梯度曲线,即K=d Hp(y)/dx,分析其梯度变化情况.
图9 腹板磁记忆信号梯度曲线
Fig.9 Gradient curve of web magnetic signal
加载过程中梁腹板沿检测线4-4'的磁记忆信号梯度曲线如
图9所示.由
图9可见,刚架左右钢梁腹板的梯度曲线在数值上略有差异,但都表现出相同特征.在不同荷载作用下,磁场梯度K在集中荷载作用的跨中处表现为峰值,并且该处的幅值远大于其他位置,出现明显的波峰 - 波谷,其他位置则没有这种畸变现象.在整个加载阶段中,跨中梯度峰值有随荷载增大而逐渐增加的趋势,当结构失稳时曲线出现了峰 - 峰极值.试验加载过程中梯度曲线波峰 - 波谷之间的过零点位置较为稳定,在靠近集中荷载作用处的小范围内移动.
对比左右钢梁在跨中位置的波峰 - 波谷,在x=30～40 cm范围内,左侧钢梁腹板梯度曲线幅值为1.72 A·m-1·cm-1,右侧幅值为1.94 A·m-1·cm-1,存在明显异变,两者幅值相近且具有代表性.因此,可利用构件在荷载作用下的梯度曲线作为确定构件危险部位的判断依据,磁场梯度曲线峰值处应力集中程度较大,通过具有最大幅值的畸变出现的位置可准确判断应力集中的位置,峰 - 峰值之间形成的过零点也可以作为参考判据.在分析磁记忆信号法向分量的基础上,进一步利用梯度曲线的评判方法可提高准确性,不易产生误判.
