鋼結(jié)構(gòu)工程中高強度螺栓軸向應(yīng)力的超聲測量技術(shù)

孫新亞 胡錦東 謝朝陽

摘?要：近些年來，隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，各種基礎(chǔ)工程項目得以大量興建，其中鋼結(jié)構(gòu)工程是非常重要的內(nèi)容，被廣泛用于橋梁等建設(shè)領(lǐng)域。之所以會選擇鋼結(jié)構(gòu)作為工程的主體部分，其最主要的原因就是這些鋼結(jié)構(gòu)工程在實際應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的堅韌性特點，這是其他工程項目所不具備的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：軸向應(yīng)力檢測;超聲波;高強度螺栓

鋼結(jié)構(gòu)工程是當前工程建設(shè)中的一個重點方向，其對于部件質(zhì)量和施工質(zhì)量有著非常嚴格的要求，因此，相關(guān)的檢測技術(shù)成為施工方高度重視的關(guān)鍵，如果檢測失誤，極有可能造成施工過程中和交工使用中的各種故障和安全問題，后果不堪設(shè)想。

1?鋼結(jié)構(gòu)工程中高強度螺栓超聲波測量技術(shù)概述

鋼結(jié)構(gòu)工程對于安全性和可靠性有著非常嚴格的要求，在實際的施工過程中，需要根據(jù)具體的工程需要對用于連接功能的高強度螺栓的受力情況進行嚴格的控制，一些關(guān)鍵性的工程項目甚至還需要通過單獨的在線方式進行實時工作應(yīng)力的監(jiān)測。就目前的技術(shù)條件而言，對高強度螺栓的工作預(yù)緊力無法進行直接的測量，只能利用擰緊螺栓過程中移動的轉(zhuǎn)矩情況進行控制。但因為不同的螺栓在其螺紋面等處的接觸摩擦系數(shù)存在一定的離散性，這也必然會造成轉(zhuǎn)矩的離散，因此，哪怕是旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩完全一致，其在軸向應(yīng)力上也難以保證達到同樣的緊固程度。

基于上述的事實，采用超聲波檢測技術(shù)在該施工領(lǐng)域有著非常充分的運用，并以穩(wěn)定精確的表現(xiàn)獲得施工方的高度認同。超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用機理源于聲彈性原理，根據(jù)螺栓工作中的軸向應(yīng)力和進行施工前后對比的超聲波所用時間差之間的關(guān)聯(lián)性，并充分結(jié)合該高強度螺栓的材料及厚度等參數(shù)，進行螺栓軸向應(yīng)力的系統(tǒng)檢測。該方法可以克服螺栓厚度導(dǎo)致的離散問題和溫差變化形成的誤差問題，進而可以高標準完成測量任務(wù)，使得檢測應(yīng)力精度得到最大程度的保障。

2?鋼結(jié)構(gòu)工程中高強度螺栓軸向應(yīng)力的超聲測量技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)工程的所有固定作業(yè)幾乎都是通過高強度螺栓進行充分連接，利用將螺母擰緊確保螺桿形成足夠的預(yù)應(yīng)力，進而壓緊各鋼構(gòu)部件，通過各構(gòu)件間形成的強大摩擦力共同形成載荷能力。

2.1?超聲波對高強度螺栓軸向應(yīng)力檢測的基本原理

超聲波檢測技術(shù)在對高強度螺栓進行軸向應(yīng)力檢測時，其所遵循的理論為非線性聲學(xué)理論，幾乎所有的超聲波應(yīng)用都以該理論作為其實施的基礎(chǔ)。超聲波屬于縱波的范疇，當超聲波沿應(yīng)力作用方向傳播在某一確定的固體介質(zhì)內(nèi)，其實際的傳播速度與應(yīng)力之間有函數(shù)關(guān)系，可寫為下式：

v2=C20-λ+2μ4λ+10μ+4mμ+λ+2Jσρ3λ+2μ（1）

對該式進行深入系統(tǒng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)所有的固體介質(zhì)會對超聲波在其傳播方向上所引發(fā)的應(yīng)力變化會造成聲速上的波動，這就是所謂的聲彈性原理。在實際的檢測過程中，還需要考慮溫度變化這一影響因素，其作用力的量化計算可以通過下面的函數(shù)表達式進行：

v（t）=C0[1-a（t-t0）]（2）

在實際的超聲技術(shù)對螺栓應(yīng)力的測量中，一般情況下，大都會利用超聲波在材料中的渡越時間以及相應(yīng)長度進行測量，進而通過時間差對聲速進行計算。因為材料中存在軸向應(yīng)力，其聲速的變化必然會引發(fā)聲時同步的變化，而材料應(yīng)力和材料溫度變化也都會造成其長度發(fā)生變化進而使得其聲時也會發(fā)生顯著的變化。

2.2?應(yīng)力測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工作

按照上述理論，可以進行超聲檢測系統(tǒng)的開發(fā)，并將其用于螺栓軸向應(yīng)力的具體測量工作。在實際的開發(fā)中，已經(jīng)實現(xiàn)對檢測過程中的渡越時間以及溫度測量的穩(wěn)定性和準確性，其實際的聲時精度可以達到1ns，溫度的測量精度達到0.1℃。同時可以分析高強度螺栓的結(jié)構(gòu)材料，其材料系數(shù)和安裝施工操作形成的夾緊厚度，這些參數(shù)都是螺栓軸向應(yīng)力進行計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在該檢測系統(tǒng)中，超聲發(fā)射分系統(tǒng)的功能就是要發(fā)射超聲波，其通過對超聲換能器的激勵作用并形成可以進行發(fā)射的超聲波能量，要取得聲時測量的高精度要求，系統(tǒng)所選用的超聲換能器需要選擇其分辨率處于較高水平的高頻窄脈沖頻段，可以發(fā)射高頻窄脈沖超聲波信號，這些信號的頻率要與換能器的工作特性相適應(yīng)?；夭z測分系統(tǒng)主要完成回波信號的放大。

在進行測量時，聲時閘門發(fā)生器會對兩次超聲回波間形成閘門控制信號，而高速計數(shù)器可以在閘門控制信號內(nèi)對超聲波形成的脈沖信號直接計數(shù)，而單片機會將這些計數(shù)值進行讀取，并以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)的聲時進行計算。為滿足1ns測時精度需要，在系統(tǒng)設(shè)計過程中會選擇過零檢測技術(shù)。該技術(shù)可以實現(xiàn)超聲回波在過零點處形成聲時檢測的參照水平點。

單次回波的在兩個脈沖之間形成的間隔進行量化，這一過程會對聲時閘門開關(guān)產(chǎn)生實質(zhì)的影響，但其時基周期有顯著的不確定性，因此其誤差值對所有測量技術(shù)而言都是均勻分布。在多次進行測量的情況下，其誤差平均值會因測量的次數(shù)不斷增多而更加趨近于零。

3?結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)工程中需要對高強度螺栓的軸向應(yīng)力進行有效的控制，以滿足實際工程對其的具體標準要求。傳統(tǒng)的控制方法主要是通過施工人員在操作過程中的力矩掌握，其精度難以有效控制，相對誤差較大。為此，引入超聲檢測技術(shù)，該技術(shù)利用對聲速、時長和溫度等數(shù)據(jù)的測算，結(jié)合材料的相關(guān)參數(shù)，就可以獲得精確的軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]賈雪.基于聲彈性效應(yīng)的螺栓軸向應(yīng)力檢測系統(tǒng)研究[J].西南交通大學(xué)，2018，02.

[2]賈雪，王雪梅，甘文成.聲彈性效應(yīng)螺栓軸向應(yīng)力標定試驗研究[J].中國測試，2018，08.