摘要
摘要
近年来，随着钢结构建筑的发展，涌现出了一批大型复杂的钢结构体系，
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随之出现了大量巨型尺寸的以钢板组合方式为主的型钢类型钢构件，如型钢
构件、箱型钢构件等。钢结构安全评价与检测是发展建设和持续运营的关键，
国内外学者开始关注钢构件非增量式的绝对应力无损检测方法研究，系统探讨
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了超声横波在钢构件单向平面应力状态下的声弹性效应，建立了单向平面绝对
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应力检测理论模型，提出了通过识别随应力变化的声时检测构件内部单向平面
绝对应力的方法。然而由于钢构件尺寸的增大，构件中钢板除受到板内平面应
力，其板外应力也不能忽视，钢板往往处于空间应力状态，现有检测方法已不
能反映钢板和构件真实应力情况。为检测更多应力分量，需研究空间应力影响
下钢构件内部的横波传播机制和偏振规律，建立基于多时空信息的空间绝对应
力检测理论模型，并提出声时识别及检测方法。为此，本文基于横波折射效应，
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建立空间应力声时本构关系，利用信号频谱特征进行声时识别，提出钢构件内
部空间绝对应力检测方法。论文主要研究工作如下：
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基于横波折射效应的空间应力声时本构关系。利用横波在钢构件内部沿不
同方向传播的偏振规律，推导了折射后偏振波分量波速信息与空间应力的声弹
性公式，揭示了斜向传播三折射准横波波速差、准纵波波速和垂向传播双折射
横波波速差与应力的相关性。为分离应力分量对波速的影响，联立斜向多路径
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传播的准横波和准纵波建立了空间六应力波速相关性量化关系，并结合垂向单
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路径传播的横波和纵波建立了空间四应力波速相关性量化关系。以声时为应力
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检测特征量，建立了空间六应力下准横波和准纵波的应力声时本构关系、空间
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四应力下横波和纵波的应力声时本构关系。
基于信号频谱特征的声时识别及检测方法。推导了基于宽带脉冲发射信号
的横波折射偏振波分量时域信号表达式，利用傅里叶变换对信号进行时频域转
化，推导了接收信号的频谱函数，明确了准横波声时差、准纵波声时、横波声
时差和纵波声时对接收信号幅度谱和相位谱函数的影响，提出了基于横波初始
偏振方向变化的频域特征提取方法，推导了基于幅度特征和相位特征的声时识
别公式。进而建立了空间绝对应力检测系统，给出了基于试件单向受压的检测
系数确定方法，完成了试件检测系数标定试验，提出了钢构件内部空间绝对应
力检测方法。
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
空间绝对应力检测影响因素研究。针对声弹性理论未能反映超声波频散问
题，根据接收信号幅度谱曲线频率能量范围，为频率研究和准横波偏振角研究
选定了多个检测频率。针对准横波偏振角可能随应力变化进而影响检测系数值
的问题，发现了三折射效应下准横波偏振角随传播方向角增大而减小、随频率
增大而先增大后减小、随压应力增大而减小的现象，结果表明偏振角随频率和
传播方向变化较大，随应力变化很小，明确了检测频率和传播方向确定后偏振
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角变化对检测系数的影响可忽略不计。对比检测频率的应力声时拟合结果，确
定了基于横波三折射和横波双折射的最优检测频率，相应的拟合结果相关系数
0.9
均高于