超声波测高强螺栓中的应力

超声波测高强螺栓中的应力

张小沛

张小沛

南通市建筑工程质量检测中心

【摘要】需要研究准确、可操作性强的方法来实测高强螺栓的预拉力，运用超声波技术进行检测就是其中的一种方法。通过测量超声波在螺栓内部传播时间来计算高强螺栓的预拉力，避免了螺栓离散型的影响，可提高检测精度，并可控制施工质量。

【关键词】超声波；高强螺栓；应力

目前钢结构工程中主要采取摩擦型高强螺栓连接。在检测螺栓连接的钢结构工程中的抗滑移系数时，GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》中要求使用压力传感器或电阻应变片实测高强螺栓的预拉力或对扭剪型高强螺栓采用同批检测的预拉力平均值计算抗滑移系数。这样就带来了如下问题：1、大六角高强螺栓不能采取平均值计算，必须实测。而扭剪型高强螺栓一般同批产品的预拉力离散较大，采用平均值计算时很容易导致结果不准确。2、实测每根螺栓的预拉力时由于压力传感器或电阻应变片不便于操作，偶然误差大，只能反应被测螺栓表面应力等缺点存在一定的局限性。

同时在钢结构工程施工过程中，高强螺栓施拧时的预拉力必须控制在规定的范围内。过小会产生振动松弛、结构滑移，影响结构整体；而预拉力过大的螺栓在荷载作用下有可能最先断裂，从而削弱该节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳。目前，高强螺栓预拉力的大小在实际施工时无法直接测量，而是通过施加的扭矩来换算或是拧断螺栓梅花头来控制。由于工人素质、施工器具精度、螺栓离散性等各方面的原因，不能有效的控制高强螺栓的施工预拉力。

1实验原理

根据超声波在介质中传播的形式，可以将超声波分为纵波、横波、表面波、板波，一般最常见的就是纵波和横波。对应力较敏感的超声波波型是纵波，因此较早的超声波应力测试技术多以纵波声速作为转换参量。根据非线性声学理论，当超声波纵波在固体介质中沿应力方向传播时，其声速和应力以及三阶弹性常数之间的关系如下[1]：

根据表1的数据表明：采用这种纵波、横波联合检测金属材料中应力的方法测应力，当应力值小于250MPa时，其检测结果的误差小于±2%，可以满足检测工作的精度要求。

3小结

用超声波技术检测金属材料中的应力尚处在研究发展阶段，没有相关国家、行业标准出台，还并未得到广泛应用。

利用超声波纵波、横波联合检测金属材料中应力的方法和传统的利用超声波纵波测金属材料中应力的方法相比，只需事先将测出的各种常见螺栓材料的和，并将其储存在计算机内。检测时只需测量出螺栓的有效夹紧距离和实验温度，根据储存的和数据选择合适的和，再测出螺栓内传播的超声波纵波、横波声时，就可以根据（15）式计算出螺栓的应力。省去了测量螺栓受力长度和螺栓总长以及三阶弹性常数等参量的过程，应力同纵波、横波的关系简洁，便于操作、计算。

并且由于考虑了温度的影响，检测精度有所提高，可以消除约7.5MPa/℃的影响[3]。相信将来可以在建设工程中质量检测工作中推广使用超声波技术检测已紧固高强螺栓中的应力。

参考文献：

[1]张俊，顾临怡，倪守忠等，钢结构工程中高强螺栓轴向应力的超声测量技术[J]．机械工程学报，2006，vol：42（No：2），page：216-220

[2]江泽涛，朱士明，纵横波测已紧固螺栓轴向应力[J]，应用声学，2000，vol：19（No：1），page：16-21

[3]江泽涛，温度对超声波波速及应力测量的影响[J]，无损检测，1999，vol：21（No：6），page：245-248