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摘要：疲劳损伤容易引起钢结构的疲劳失效。因此对钢结构的安全稳定性来讲，有必要检测疲劳裂纹，并客观评疲劳损伤的程度。利用声发射技术监测钢结构开裂的焊缝，有利于在复杂的噪声环境内识别裂纹活动信号，进一步了解焊缝裂纹活动的信号特点，实现动态监测裂纹损伤状态的目的。
关键词：声发射技术；钢结构；疲劳损伤检测
引言：
钢结构在实际应用中，往往存在集中应力的问题，这部分集中应力由于疲劳载荷的长期影响，容易出现疲劳裂纹，甚至造成疲劳失效。因此对疲劳损伤检测具有十分重要的意义。声发射技术是借助电子仪器对声发射信号进行探测、记录和分析，对声发射源特征科学评价的无损检测技术，该技术异常敏感于动态变化，动态持续检测萌芽与扩展阶段的缺陷。
一、声发射检测的特点和应用
声发射无损检测是一种对测试对象缺陷被动接受的过程，其不需要发送探测信号，仅将外载荷作用于结构，以内部缺陷与裂纹形成的声发射波准确定位损坏声源的部位及损伤情况。依据声发射信号的特点和声发射波的外部载荷，判断损伤规律，预测缺陷裂纹。声发射信号是无损动态检测的重要内容，其原理是结构缺陷，不同的缺陷呈现了声发射信号特征。同时，由于缺陷的性质、部位和载荷存在的差异，也会带来不同的破坏程度，因此声发射信号特点也不同。当掌握了结构的缺陷性质后，就能通过声发射检测设备动态监测结构，保证其安全运行。
二、疲劳裂纹损伤位置和开裂原因
（一）裂纹位置
钢梁左侧底板与搭接连接部位的角焊缝，受到疲劳载荷、焊接缺陷、集中应力等因素的影响自然产生两条裂纹。一条在底板焊接表面板的缝隙，另一条在横梁左端加强板底部焊缝位置，角焊缝头部是裂纹来源。
（二）开裂原因
焊条金属和本体金属在焊缝区产生了金属原子的位错，基于外力作用，迅速增加了位错原子数目，彼此通连的位错部位，产生了原子尺寸的滑移区域，周期载荷与滑移带共同发挥作用，催生了微裂纹。微裂纹的端部集中了应力，当不断增加疲劳次数时，相应扩展了裂纹。传力三角形是不对称的图形，其主压力点出现在横梁左右端相距260mm和420mm的部位，无形加重了横梁左端载荷。角焊缝焊接部位开裂，加之操作空间限制，影响了焊接操作的质量，焊接端位置集中了应力，形成较大的残余应力，进一步产生宏观裂纹。
三、声发射检测结果和数据
（一）噪声分析
通过分析疲劳试验得到噪声传播的途径，在钢梁各段与左端焊缝距离片段部位安装传感器。钢板结构搭接、角接比较复杂，加重了声波衰减。因此，传感器无法得到裂纹位置的声发射信号。经分析可知，有1-4条通道与安装位置逐一对应。其中，1-2通道紧贴左侧侧壁，形成70dB的幅值，表现出一定的周期性，信号频率接近于两倍的加载频率，表明信号同时出现在疲劳循环的加载和卸载段。3-4号传感器紧贴三角梁与横梁安装，形成90dB的信号幅值。此外，通道3取得的信号幅值明显大于通道4，但3-4通道幅值信号未体现出显著的周期性。说明传力三角梁与底部横梁平面连接，钢板塑性变形与液压缸的冲击形成噪声，其向通道3传递，顺次传递至4/1/2通道。3-4通道得到的信号幅值较高，同时得到反射波与折射波，导致加载的周期信号不够明朗，无法体现出周期性。当延长传播路径以及钢结构连接形式比较复杂，衰减的信号直接降低了1-2通道的幅值，由此可知，回波不会影响1-2通道，信号的周期性显著。
传力三角梁与横梁凸台面区域连接形成了通道3，由此得出的信号波形频率快速记载信号。根据加载与卸载的稳定操作，3号传感器在每次加载中两次获得高幅值的信号，这部分信号产生了规律的声发射参数。
由于载荷在加载段持续叠加，使应变能高度聚集，屈服或结构塑性极限在最大作用力的影响下快速传递能量；卸载段降低了载荷，帮助金属构件恢复了自身的弹性，在这个过程中不存在外力的强制问题，进一步保持卸载的稳定性。对两次信号频率合理分析，加载段的高频信号比率更大，主要是外载借助强制功能提升了信号变化的速率；卸载段迅速失去能量，减小了应变速率，由此降低了信号的频率。
（二）钢梁两端信号比较
在梁架两侧安装传感器，从而对信号实现采集，即选择在钢结构横梁的焊缝区两端安装传感器。两端的低幅值频率相当于2倍的加载频率，由此在加载与卸载循环操作中产生较低幅值的噪声。
钢梁右侧无裂纹端的低应力区产生了连续信号，采用傅里叶变换法对这部分信号科学处理，相应出现了宽频带区域，其中主要是低频成分，且均匀分布。在每个加载周期形成突发特点的左端信号，高度集中了频率图和功率频谱图的频率，位于150kHz，也是裂纹突发信号即是表征信号，对其参数特征科学总结。
（三）裂纹活动端信号
裂纹端产生了突发性较强的信号，故在已知裂纹部位安装若干传感器，从而完成检测操作。利用数据滤波处理突发信号参数，获得有效的突发性信号数据。经过分析，通道1主要负责接收信号，表现出周期规律，幅值大概为60dB。表明一次循环裂纹引起了两次信号活动，时间间隔接近于40%的加载周期，由此验证了突发信号在张开与闭合操作中出现。
结合声波传播原理，与声源越近得到的信号越早，从而提高了幅值。经统计5个通道接收突发性信号的时间，表明各通道根据1/4/5/2顺序分别对一次循环内出现的突发信号科学采集，由此可知通道1非常接近生源部位。信号经过传播衰减，得到5通道，2通道仅获得一部分突发性信号，在焊缝处声波将出现非常严重的衰减，3通道无法接收。按照疲劳加载频率和接收时间的前后顺序，确定通道1周围的裂纹产生了突发性信号，裂纹体现出活性特点。
分析说明，焊缝裂纹容易被疲劳荷载干扰，结合面经过持续挤压与摩擦产生了突发性信号，其周期性幅值较低。结合断裂力学知识可知，不断扩展疲劳应力形成了裂纹，交变载荷持续施加于金属结构体，应力快速聚集在裂纹尖端，使其快速达到了疲劳应力极限的要求，屈服在半径r区域出现了尖端，快速向前扩展和硬化，应力集中在新的尖端区域。在不改变交变载荷幅值的前提下，增加尖端应力数值，并使其不会再上升。虽然这一数值不变，但金属由于疲劳降低了强度极限，裂纹持续扩展，松弛的应力向前端的非屈服区域传输，并高度集中，最终失稳扩展并释放能量，形成突发性高幅值的发射信号。结合相同疲劳循环内通道1，5对相同信号接收的时间差，根据测声速和时间乘积在裂纹周围确定信号源。
（四）扩展检测裂纹
综合上述分析，现场环境比较恶劣，机械运动、金属的塑性变形、裂纹开裂面的挤压与摩擦等构成的疲劳扩展为声发射信号提供了来源。因此，在裂纹活动内怎样区分活动信号与噪声信号非常关键。由于突发性信号与连续性信号产生不同的声发射参数，把突发性信号作为过滤条件，消除了大多数的噪声，得到改变表征裂纹损伤的突发性信号。通过长期监测，总结了裂纹开闭状态信号特点及扩展真实裂纹的信号特点，对噪声干扰发挥了抑制作用。
结束语：
综合分析，声发射对钢结构的疲劳裂纹损伤实行科学评价，迅速积累了参数、能量、幅值等代表裂纹数据，为相关人员提供了判断信息。由于噪声信号的幅值较小且信号延长了持续时间，信号包含相对复杂的频率成分，同时裂纹扩展信号属突发性信号，衰减迅速，故而必须严密关注疲劳检测中的类似信号。
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