1　引言
钢板桁架是桥和多种建筑物重要的基本结构.研究受循环载荷作用的钢板桁架结构中疲劳裂纹的形成和扩展对于保证交通运输安全有十分重要的意义.
过去对于钢结构桥的焊接桁架采用综合检测,如目测和应变片测量等.这些方法难于发现早期裂纹和大面积损坏之前的局部破坏.X射线,超声等技术也很难提供对整个结构的连续监测·声发射(AE)是材料内部声源处由于能量急剧释放而产生瞬时弹性波的一种现象,这一弹性波可由置于构件表面的特别传感器来探测.由AE技术监测的构件内的裂纹或缺陷是活动的,因此AE信号能反映与结构内部局部损伤有关的动态过程.近年来,AE技术日趋完善,已能提供对整个结构的连续监测,并可根据接收到的AE信号对声源定位[1-3].但是,在识别裂纹形成和扩展的各个阶段中不同的AE信号特征方面,以及根据AE信号特征评估裂纹破坏的严重程度方面还需作进一步的研究.
在本研究中,采用AE技术连续监测受循环剪切载荷的钢腹板桁架中的疲劳裂纹,得到了桁架疲劳过程三阶段的声发射特征曲线.基于断裂力学和实验结果,本文提出一个振铃计数率dη/dn和裂纹生长率da/dn之间的关系式,用于描述钢腹板桁架疲劳裂纹稳定扩展期间声发射信号的特点.
2　实验过程
疲劳试验在Wales大学Dartec 500疲劳试验机上进行.桁架底部由开槽支承辊支承,桁架顶部中心承受正弦形式的动载荷,加载频率为1.5Hz.加载机构通过一个大钢球对桁架施加10~270kN范围的载荷.桁架的几何形状和尺寸(mm)如图1所示,其它参数:腹板,厚度6.17mm,杨氏模量66.33 kN/mm2,抗拉强度398.90 N/mm2;凸缘板,厚度10.53mm,杨氏模量69.87 kN/mm2,抗拉强度480.00 N/mm2.采用Locan 320声发射探测系统监测桁架疲劳过程和采集AE信号.这一系统包括一个主计算机,四个数据采集板,四个与前置放大器结合成一体的R15IAE传感器,这四个传感器用Dow Corning Hangdsil硅胶粘在右侧腹板上,其位置如图1中的1,2,3,4所示.阈值和增益分别为45 dB和20dB.一旦AE信号的主要参数超越阈值,便被系统测量并记录,随后测量数据被送入计算机系统储存,以备作图或在数据处理和分析中重新调用.

声源定位由Locan 320系统自动实施,采用二维矩形AE源定位方法,任何循环的AE源位置都可及时在屏幕上显示出来.
在桁架疲劳过程中,右侧腹板上可目测到两条裂纹.在2138970次循环时,首次目测到第一裂纹.当此裂纹长度超过275 mm以后,第二裂纹产生.本文研究的焦点是第一裂纹发生和生长中的声发射特征,因此只有第一裂纹发出的AE信号是我们所期待的,第二裂纹的AE信号和其它噪声信号须清除.噪声信号包括电声系统发射的干扰声(信号幅值一般低于20dB),由加载机械相对运动而产生的力学噪声(上升沿较缓慢)和裂纹闭合时的摩擦声.为排除第一裂纹以外的声发射信号以及裂纹闭合时的摩擦噪音,这里采用了两种特别的过滤方法:
(1)空间鉴别法,即通过目测方法在试件上定出一个仅含有第一裂纹的区域,保留所有发自该区域内的AE信号,清除其它区域中发出的信号数据.
(2)载荷鉴别法,即将每个循环分成高载荷半循环和低载荷半循环两个部分.粗略地说,疲劳裂纹的扩展往往发生在高载荷半周期内,而在低载荷的半周期中裂纹部分闭合,并由于裂纹面的研磨而产生摩擦噪声.因此只需清除低载荷半循环中的数据即可排除摩擦噪声.
试验期间还用目测方法监测疲劳裂纹,定时停机测量并记录裂纹长度及位置.
3　实验结果及分析
第一裂纹发生在钢板桁架右侧腹板中部紧靠顶部凸缘的位置.裂纹首先在腹板和凸缘之间的焊接带趾部形成,那里由于板厚不均而产生了应力集中.
在腹板一个侧面上形成的裂纹在扩展的同时沿板厚方向侵彻,直至到达另一个侧面.在
2138970次循环时裂纹贯穿腹板成为可见裂纹,此时在第一个侧面上量得裂纹长度已达135 mm.然后裂纹沿着连接腹板和凸缘的焊接带沿裂纹方向向两端扩展.在2192470次循环时裂纹长度达到275mm,裂纹生长方向发生变化,开始向腹板内部扩展·此外还观察到桁架垂直方向的变形增大以及裂纹面的板外撕扯现象.这两个现象加剧了裂纹扩展速率,导致裂纹快速扩展.在此阶段中可以观察到裂纹扩展的三种模式(张开型,剪切型和面外撕扯型)并存.在2283470次循环,裂纹长度达585mm,桁架变形相当显著,无法安全地继续进行实验,实验停.第一裂纹长度a对循环数n的曲线示于图2.

裂纹发生和扩展期间的声发射行为由AE参数H,和η来描述.图3a和图4分别表示H-t曲线和η-t曲线,图3b表示ΔH/ΔBin-t曲线.这里,η—累积AE振铃计数,振铃计数定义为波形超越预置阈值电压的次数;H—累积AE撞击计数,如果一个突发型AE波形超过预置的阈值电压,称为一次撞击.撞击计数被定义为AE撞击传感器的次数,在本工作中H是AE撞击传感器3的次数;ΔH/ΔBin—AE撞击率,定义为每Bin中的AE撞击数.本工作中,1Bin代表0.6×104循环.类似地可以定义Δη/ΔBin.t(s)—时间.

比较裂纹生长曲线(图2)和AE参数曲线(图3-图4),可以看出疲劳裂纹生长过程可以分为三个阶段:
(1)疲劳裂纹发生.在1.3×106次循环(0.86×106s)附近AE活动突然显著,表现为H和η值增加以及在ΔH/ΔBin-t曲线上出现AE脉冲.这标志着疲劳裂纹形成.AE活动的高潮之后紧跟着AE活动的低潮,直至1.78×106循环AE活动再次进入高潮之前,AE活动相对平静.

(2)裂纹侵彻,贯穿腹板以及裂纹稳定扩展阶段.从1.78×106次循环至2138970次循环为裂纹侵彻腹板阶段.随着裂纹侵彻腹板AE活动再次活跃,H,η值稳定上升,在ΔH/ΔBin-t曲线上出现了一系列较高的AE脉冲.在2138970次循环(1.43×106s)时裂纹贯穿腹板,随后裂纹向两端稳定扩展.从2.139×106次循环至2.171×106次循环期间的a-n曲线和η-n曲线示于图5.图中;1—dη/dn≈1.1×102(1/cycle), 2—da/dn≈0.3×10-2(mm/cycle).它们显示出在此阶段中a和η都以稳定速率增长,图6表明dη/dn和da/dn之间的关系可以近似地用线性关系来表示,

拟合实验曲线可得A1=0.36×105(1/mm).在2192470次循环测得裂纹长度已达275mm,
裂纹生长方向发生改变,随后η和a之间的关系比较复杂,不能用线性关系来表示.

(3)裂纹急剧生长直至最终破坏.在2.27×106次循环(1.51×106s)之后H,η值急剧增加,在ΔH/ΔBin-t曲线上出现了一系列相当高的脉冲.与此对应,裂纹猛烈伸展,桁架承载能力下降.
4　疲劳裂纹扩展模型和声发射振铃计数率公式
根据Laird[4]的疲劳裂纹生长模型,加载引起原子平面沿着最大剪应力平面滑移,滑移使裂纹张开,同时也使裂纹拉长.裂尖塑性变形引起裂尖钝化,并因此增加了裂纹的表面积.在卸载过程中,部分新增裂纹面保持接触,裂纹复锐.在完成一个循环后裂纹向前扩展了一段距离.设循环数增加Δn后裂纹扩展Δa(mm),则每个循环中裂纹的扩展量为Δa/Δn,在极限条件下用微分表示为da/dn,称为疲劳裂纹扩展速率.大量描述裂纹扩展速率和应力强度因子之间关系的实验曲线表明,在裂纹稳定扩展阶段,logdadn线上和log(ΔK)之间常存在线性关系.在此阶段中Paris[5]建议了一个关系式:

此处ΔK是裂纹前端的应力强度因子范围,ΔK=Kmax-Kmin,Kmax和Kmin分别是一个循环中应力强度因子的最大值和最小值·b1和m1是材料常数.
Sinclair[6]公式则建立了AE振铃计数率dη/dn和应力强度因子范围ΔK之间的关系：

b2和m2是由实验确定的材料常数.
从(2)式和(3)式,我们可以得出振铃计数率和裂纹生长速率之间的关系为

5　结论
(1)经受循环剪切载荷的钢腹板桁架中疲劳裂纹在连接腹板和凸缘的焊接带焊趾中发生,并沿着腹板/凸缘边界的焊接带扩展.裂纹生长是一个复杂的过程,它伴随着裂纹伸展方向的改变,并且具有多种破坏模式.
(2)目测方法可以监测裂纹的位置、尺寸,生长速率和破坏模式,但是无法探测裂纹发生和裂纹的早期扩展情况.声发射技术可以连续监测整个结构,提供结构全部寿命中裂纹活动的记录.
(3)AE技术对于声源内部微结构的变化十分敏感,在疲劳裂纹发生,裂纹稳定扩展和裂纹急剧生长的三个阶段中都有大量AE事件发生并可被AE技术检测.在ΔH/ΔBin-t曲线上,低强度的AE脉冲,高强度的一系列AE脉冲和更高强度的一系列脉冲分别与上述三个阶段相对应.
(4)在裂纹稳定扩展阶段,AE振铃计数率和裂纹生长速率之间存在着一个线性关系.
作者感谢Wales大学F.W.Walliams教授和A.W.Davies先生对本研究给予的支持.