钢结构磁性无损检测理论与应用研究

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1、http://www.paper.edu.cn1钢结构磁性无损检测理论与应用研究12王社良，熊二刚1西安建筑科技大学土木工程学院，西安(710055)2长安大学建筑工程学院，西安(710061）E-mail：wangshel@yahoo.com.cn摘要：当钢材等铁磁材料受到外部荷载作用时，在它的内部将产生内力，即产生应力σ，从而使铁磁材料磁化时的磁导率发生相应变化。本文根据铁磁材料的这一独特性能，针对大跨钢结构等缺陷敏感结构的主要受力和变形特点，利用磁化的应力敏感性，研究并提出了一种铁磁构件在简单应力状态下的磁导

2、率变化与其应力变化关系的数学物理模型，得出了构件应力与其磁导率之间的线性相关关系，建立了大跨钢结构等缺陷敏感结构安全状况磁性无损检测的基本理论和工程应用方法，为保证这类结构的安全性提供了一定的依据。关键词：钢结构，磁性无损检测，铁磁材料，磁导率，应力中图分类号：TU312.31.引言随着科学技术的不断进步和社会经济的飞速发展，人类社会对重要的缺陷敏感结构或大型大跨复杂工程结构的使用性能与安全性的要求也日益严格，而上述结构在其服役期内，由于受到设计荷载以及各种其它突发因素的作用，结构将不可避免地发生损伤，使得结构的健

3、康状况不断恶化，从而威胁整个结构的正常使用和安全。因此，为了保证工程结构的正常使用和安全，需对结构的健康状况进行实时在线检测或监测，以便尽可能早地发现结构隐含的[1,2]缺陷或损伤，并且采取必要的防范和修复措施，否则将有可能导致灾难性的后果发生。[3-6]众所周知，铁磁材料受拉压应力作用时，其磁参数将发生显著的变化，如磁导率，矫顽力H，初始磁化率χ，可逆磁化率χ，有助于磁化的磁弹性作用，∆M(H,σ)，carσi0其中H是内部磁场强度，以及残余磁化强度M。由此，使用这些效应来对满足不同需求ir所设计的铁磁钢结构进行

4、无损应力检测是非常有意义的。针对大跨钢结构，因其构件都属于铁磁材料，并且其大多数构件都只是受单轴拉、压应力作用，通过对构件的实时应力监测，就可以了解整个结构的安全状况。当钢构件受到外荷载作用时，在它的内部产生应变，从而产生应力σ，使得钢材磁化时的磁导率发生变化。[7-14]针对大跨钢结构的主要受力特点，根据磁化的应力敏感性，参考有关研究者的成果，提出了一种关于钢构件在简单应力状态下，其磁导率变化与应力关系的数学物理模型。2.模型的建立设有一根载流直螺线管，管内充满均匀的磁介质，并设直螺线管单位长度上有n匝，电流强度

5、为I。当管内为真空时，电流在螺线管内产生匀强磁场，磁感应强度为B=µnI(1)00管内有磁介质时，在外磁场B的作用下，磁介质中分子电流平面将趋向与B的方向00垂直。图表示磁介质内部任一横截面上分子电流的排列情况。在磁介质内部任意位置处，通过的分子电流是成对的而且方向相反，结果相互抵消。只有在横截面边缘处，分子电流未被抵消，形成与横截面边缘重合的圆电流（参看图1）。对磁介质整体来说，未被抵消的分子1本课题得到国家自然科学基金（50278077）、高等学校博士学科点专项科研基金（20050703004）、陕西省自然科学

6、基金（2004E230）和陕西省教育厅专项科研基金（05JK244）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn电流是沿着圆柱面流动的，称为安培表面电流。如果磁介质是顺磁质，安培表面电流与螺线管电流的方向相同；如果是抗磁质，方向相反。设i为圆柱形磁介质表面上每单位长度的分子表面电流，S为磁介质的横截面，l为磁s介质的长度。在l长度上，表面电流的总量值为I=li，因此在磁介质总体积Sl中，ss总磁矩=ISiS=l(2)ss按定义，J为单位体积内的磁矩，所以iSlsJi===χH(3)sSlIIsIB0

7、I(b)(c)(a)图1.充满磁介质的直螺线管由分子表面电流所产生的磁感应强度B'（可把圆柱形磁介质看作匝数为l并通有电流为i的长螺线管）为sB'=µiJ=µ(4)00s所以磁介内的磁感应强度B('=+BB)的大小为0B=+=+=BB'(µnIJµµnIJ+)(5)0000因管内磁场强度为Hn=I，所以B=µ()HJ+(6)0设铁磁材料受沿轴向作用力F后，产生沿轴向的位移。另设铁磁材料中的磁感应强度B为均匀分布，则在铁磁材料受力作用后达到平衡状态时，磁感应强度对B电流I的作用力s为Fl=IB×(7)s由I=li，上

8、式变为ss2FliB=(8)s2又∵B==+µHHµχ(1)，FB=il且χ10s∴B≈µJ(9)022∴Fi=µl(10)0s∆l由虎克定律，在铁磁材料的弹性范围内有，FE=i式中，E为弹性模量。l由式(8)-式(10)得∆l2222FE===iµµJlil(11)00sl-2-http://www.paper.edu.cn设当作用力达到最大值时，磁化达