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摘要：裂纹是由于各种激励措施和不同因素的影响，所以在焊接过程中具体分析建筑钢结构焊接特点和各种因素，采取适当的措施，焊接，防止焊接裂纹。本文重点阐述了某项目钢结构焊接裂纹监测项目的基本情况、测点布置、传感器工作原理等，并分析监测数据得到监测的成果。
关键词：钢结构；焊接裂纹；监测技术；应用
1裂纹的种类和产生原因
1.1冷裂纹
冷开裂的原因有三个主要因素：（1）钢硬化趋势，低合金和高强度钢的硬化趋势主要取决于钢的化学成分、焊接过程和冷却条件。钢硬化的趋势是容易裂缝，由于加热，冷却后的钢结构焊接冷却和加热过程钢，硬度高，脆性大，很容易破裂。（2）焊接接头中氢含量，在焊接的过程中，大量的溶解在熔池，焊后冷却的链接，氢将试图逃跑，但是由于快速冷却快氢不能逃跑，保持内部中空现象，金属，钢铁，也能导致钢结构脆性很大。（3），焊接接头在焊接过程的约束，钢结构会产生不可避免的三个联合部队：热应力产生的不均匀加热和冷却的过程。金属变形组织应力；钢结构约束由压力引起的。由于变化在钢结构焊接的过程中加热-冷却内部分子安排钢结构，金属裂纹的潜在来源，然后在压力的作用下会产生裂纹。
1.2热裂纹
根据不同的温度范围内的热裂纹形式，可以分为：凝固裂纹，多边液化裂纹、塑性裂缝。（1）凝固裂纹，也被称为结晶裂纹，产生于焊缝金属结晶过程末期的“脆性温度”区间，此时晶粒间存在着薄的液相层，因而金属塑性极低，由冷却的不均匀收缩而产生的拉伸变形超过了允许值时，即沿晶界液层开裂。会产生裂纹。（2）液化裂纹、晶界和低熔点金属材料、金属化合物形成的热量和当地的晶界扩散，引起局部晶界焊接热影响液化导致裂纹。（3）塑料裂纹，也称为高温和较低的焊接热影响区或多层焊接，由于焊接热循环的影响，导致金属的塑性下降，将受到拉应力在晶界二次结晶裂纹的形成。
1.3层状撕裂
层状撕裂的主要原因的影响，最主要的是非金属夹杂物类型和数量。非金属杂质的变形能力小于金属变形的能力，和金属组合后的强度低于金属本身的强度，拉伸力的作用下，很容易导致金属分离、层状撕裂。除了冶金，机械，所有沿厚度方向的张力将导致层状撕裂，如约束应力和焊接应力的结构。
2工程案例
2.1工程背景
某工程项目总高为632m，结构高度为580m，采用了“巨型框架-核心筒-外伸臂”结构体系，结构沿着全高共设置了6道2层高的伸臂桁架和8道箱形空间桁架，再加上外围的巨型柱，组成的巨型框架有非常大的抗侧刚度。该项目的内容主要包括地震作用、风荷载、位移、应力应变、加速度、裂纹监测等。本文将介绍裂纹监测这一子监测项目，巨型框架中涉及到非常多复杂的焊接工作，本监测项目的目的在于监测钢结构焊接点有无裂纹，检测施工质量，保证工程安全性。
2.2传感器布置与安装
该项目钢结构焊接工作复杂，其最重要的部位有巨型柱连接处的焊接以及巨型桁架处的焊接。本项目中测点布置原则如下：巨型柱构件的柱脚布置裂纹测点，选择8根巨型柱中的1根巨型柱和监测层的1榀径向桁架作为监测对象。另外，沿建筑立面，在底部（7层）、中部（67层）以及顶部（117层）选择1层楼面相对应的1根巨型柱和1根角柱作为监测对象布置测点。裂纹传感器布置在内埋钢柱焊缝位置以及混凝土表面，仅选取第117层的传感器布置。
2.3传感器工作原理
在国内外的很多研究中，智能涂层传感器基本都是正方形的，根据传感器上裂纹发展的位置和长度，用数值模拟计算传感器两端的电阻变化，由于裂纹模式的不确定性，其在实际建设工程中并不十分精确可靠。本工程采用的焊接裂纹传感器为智能涂层传感器，传感器的特征值为电阻，通过用传感器配套的采集子模块和计算机程序对传感器的电阻进行采集，根据传感器的工作原理便能分析被测点的实际工作情况。
在传感器接入监测系统以后，通过适配传感器的数据采集子模块将物理信号转换成数字信号，再通过串口服务器接入数据采集子系统。通过中心传入服务器，并将数据存储在服务器上。远端通过访问服务器即可在网页上观测整个监测系统的运行情况。下面将裂纹监测传感器的数据选取一部分进行分析。
理论上只要有裂纹产生，传感器电阻就会出现变化，由△Ｒ就能计算出裂纹的宽度。但是当传感器中的3个电阻条都没有断裂时，裂纹的长度非常微小，加上安装初期，传感器与贴合面存在蠕变，线路电阻有一个趋于稳定的过程，并存在温差因素和传感器本身在应力作用下的弹性变形，都将对测量电阻造成影响。因此当电阻变化率较小时，裂纹引起的传感器电阻变化和其他因素引起的电阻变化的信噪比较小，无法十分准确地计算裂纹长度。钢结构的可见裂纹一旦产生一般都会立即发展，因此电阻值的变化率将迅速增大。从持续的监测数据来看，第7，67，117层的数据，整体趋于平稳。所有测点的电阻值都在预警值之内。同一测点附近的传感器电阻值比较相近，3组数据的相对一致性能比较真实地反映测点的真实情况。
根据以上两点，可以规定当传感器的电阻变化率△Ｒ/Ｒ＜0.5（1条电阻条断裂时的电阻变化率），且传感器的电阻变化趋于平稳时，测点未出现焊接裂纹，当△Ｒ/Ｒ＞0.5，或出现电阻值迅速突变时，应该启动预警机制。根据图1中的监测结果，比较每个月和上个月18个传感器数值，电阻值比较平稳，没有发生电阻值的突变。计算每个月与2015年9月的电阻变化率△Ｒ/Ｒ，其结果都＜0.5，根据传感器的理论原理和分析得出的判断规则，该项目的第7，67，117层焊接裂纹监测点位都未出现焊接裂纹，但仍应持续进行监测。
图1传感器电阻值平均值
结束语
1）对于复杂钢结构节点，焊接裂纹的监测是保证施工质量和结构安全非常重要的手段。项目中矩形柱连接点以及与钢桁架的焊接连接关键点位暂时无裂纹出现，说明工程施工质量可靠，结构运营是安全的。2）对于大型复杂建筑物而言，结构健康监测是保证其在施工和使用期间保持安全性和适用性的必要和重要的方法。本项目监测项目通过互联网实现在线监测，方便可靠，可以作为其他类似监测项目的借鉴案例。
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论文作者:付少华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/26
标签：裂纹论文; 传感器论文; 钢结构论文; 电阻论文; 金属论文; 桁架论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第15期论文;