钢结构工程中高强度螺栓轴向应力的超声测量技术

孙新亚 胡锦东 谢朝阳

摘 要：近些年来，随着我国经济和社会的快速发展，各种基础工程项目得以大量兴建，其中钢结构工程是非常重要的内容，被广泛用于桥梁等建设领域。之所以会选择钢结构作为工程的主体部分，其最主要的原因就是这些钢结构工程在实际应用中所表现出来的坚韧性特点，这是其他工程项目所不具备的优势。

关键词：轴向应力检测;超声波;高强度螺栓

钢结构工程是当前工程建设中的一个重点方向，其对于部件质量和施工质量有着非常严格的要求，因此，相关的检测技术成为施工方高度重视的关键，如果检测失误，极有可能造成施工过程中和交工使用中的各种故障和安全问题，后果不堪设想。

1 钢结构工程中高强度螺栓超声波测量技术概述

钢结构工程对于安全性和可靠性有着非常严格的要求，在实际的施工过程中，需要根据具体的工程需要对用于连接功能的高强度螺栓的受力情况进行严格的控制，一些关键性的工程项目甚至还需要通过单独的在线方式进行实时工作应力的监测。就目前的技术条件而言，对高强度螺栓的工作预紧力无法进行直接的测量，只能利用拧紧螺栓过程中移动的转矩情况进行控制。但因为不同的螺栓在其螺纹面等处的接触摩擦系数存在一定的离散性，这也必然会造成转矩的离散，因此，哪怕是旋转转矩完全一致，其在轴向应力上也难以保证达到同样的紧固程度。

基于上述的事实，采用超声波检测技术在该施工领域有着非常充分的运用，并以稳定精确的表现获得施工方的高度認同。超声波检测技术的应用机理源于声弹性原理，根据螺栓工作中的轴向应力和进行施工前后对比的超声波所用时间差之间的关联性，并充分结合该高强度螺栓的材料及厚度等参数，进行螺栓轴向应力的系统检测。该方法可以克服螺栓厚度导致的离散问题和温差变化形成的误差问题，进而可以高标准完成测量任务，使得检测应力精度得到最大程度的保障。

2 钢结构工程中高强度螺栓轴向应力的超声测量技术

钢结构工程的所有固定作业几乎都是通过高强度螺栓进行充分连接，利用将螺母拧紧确保螺杆形成足够的预应力，进而压紧各钢构部件，通过各构件间形成的强大摩擦力共同形成载荷能力。

2.1 超声波对高强度螺栓轴向应力检测的基本原理

超声波检测技术在对高强度螺栓进行轴向应力检测时，其所遵循的理论为非线性声学理论，几乎所有的超声波应用都以该理论作为其实施的基础。超声波属于纵波的范畴，当超声波沿应力作用方向传播在某一确定的固体介质内，其实际的传播速度与应力之间有函数关系，可写为下式：

v2=C20-λ+2μ4λ+10μ+4mμ+λ+2Jσρ3λ+2μ（1）

对该式进行深入系统的分析，可以发现所有的固体介质会对超声波在其传播方向上所引发的应力变化会造成声速上的波动，这就是所谓的声弹性原理。在实际的检测过程中，还需要考虑温度变化这一影响因素，其作用力的量化计算可以通过下面的函数表达式进行：

v（t）=C0[1-a（t-t0）]（2）

在实际的超声技术对螺栓应力的测量中，一般情况下，大都会利用超声波在材料中的渡越时间以及相应长度进行测量，进而通过时间差对声速进行计算。因为材料中存在轴向应力，其声速的变化必然会引发声时同步的变化，而材料应力和材料温度变化也都会造成其长度发生变化进而使得其声时也会发生显著的变化。

2.2 应力测量系统结构设计及其工作

按照上述理论，可以进行超声检测系统的开发，并将其用于螺栓轴向应力的具体测量工作。在实际的开发中，已经实现对检测过程中的渡越时间以及温度测量的稳定性和准确性，其实际的声时精度可以达到1ns，温度的测量精度达到0.1℃。同时可以分析高强度螺栓的结构材料，其材料系数和安装施工操作形成的夹紧厚度，这些参数都是螺栓轴向应力进行计算的关键基础。

在该检测系统中，超声发射分系统的功能就是要发射超声波，其通过对超声换能器的激励作用并形成可以进行发射的超声波能量，要取得声时测量的高精度要求，系统所选用的超声换能器需要选择其分辨率处于较高水平的高频窄脉冲频段，可以发射高频窄脉冲超声波信号，这些信号的频率要与换能器的工作特性相适应。回波检测分系统主要完成回波信号的放大。

在进行测量时，声时闸门发生器会对两次超声回波间形成闸门控制信号，而高速计数器可以在闸门控制信号内对超声波形成的脉冲信号直接计数，而单片机会将这些计数值进行读取，并以此为基础对系统的声时进行计算。为满足1ns测时精度需要，在系统设计过程中会选择过零检测技术。该技术可以实现超声回波在过零点处形成声时检测的参照水平点。

单次回波的在两个脉冲之间形成的间隔进行量化，这一过程会对声时闸门开关产生实质的影响，但其时基周期有显著的不确定性，因此其误差值对所有测量技术而言都是均匀分布。在多次进行测量的情况下，其误差平均值会因测量的次数不断增多而更加趋近于零。

3 结语

综上所述，钢结构工程中需要对高强度螺栓的轴向应力进行有效的控制，以满足实际工程对其的具体标准要求。传统的控制方法主要是通过施工人员在操作过程中的力矩掌握，其精度难以有效控制，相对误差较大。为此，引入超声检测技术，该技术利用对声速、时长和温度等数据的测算，结合材料的相关参数，就可以获得精确的轴向应力数据。

参考文献：

[1]贾雪.基于声弹性效应的螺栓轴向应力检测系统研究[J].西南交通大学，2018，02.

[2]贾雪，王雪梅，甘文成.声弹性效应螺栓轴向应力标定试验研究[J].中国测试，2018，08.