中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，各種基礎(chǔ)工程項(xiàng)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(huì)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(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的堅(jiān)韌性特點(diǎn)，這是其他工程項(xiàng)目所不具備的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：軸向應(yīng)力檢測(cè);超聲波;高強(qiáng)度螺栓
鋼結(jié)構(gòu)工程是當(dāng)前工程建設(shè)中的一個(gè)重點(diǎn)方向，其對(duì)于部件質(zhì)量和施工質(zhì)量有著非常嚴(yán)格的要求，因此，相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)成為施工方高度重視的關(guān)鍵，如果檢測(cè)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(qiáng)度螺栓超聲波測(cè)量技術(shù)概述
鋼結(jié)構(gòu)工程對(duì)于安全性和可靠性有著非常嚴(yán)格的要求，在實(shí)際的施工過程中，需要根據(jù)具體的工程需要對(duì)用于連接功能的高強(qiáng)度螺栓的受力情況進(jìn)行嚴(yán)格的控制，一些關(guān)鍵性的工程項(xiàng)目甚至還需要通過單獨(dú)的在線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)工作應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。就目前的技術(shù)條件而言，對(duì)高強(qiáng)度螺栓的工作預(yù)緊力無法進(jìn)行直接的測(cè)量，只能利用擰緊螺栓過程中移動(dòng)的轉(zhuǎn)矩情況進(jìn)行控制。但因?yàn)椴煌穆菟ㄔ谄渎菁y面等處的接觸摩擦系數(shù)存在一定的離散性，這也必然會(huì)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(dá)到同樣的緊固程度。
基于上述的事實(shí)，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)在該施工領(lǐng)域有著非常充分的運(yùn)用，并以穩(wěn)定精確的表現(xiàn)獲得施工方的高度認(rèn)同。超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用機(jī)理源于聲彈性原理，根據(jù)螺栓工作中的軸向應(yīng)力和進(jìn)行施工前后對(duì)比的超聲波所用時(shí)間差之間的關(guān)聯(lián)性，并充分結(jié)合該高強(qiáng)度螺栓的材料及厚度等參數(shù)，進(jìn)行螺栓軸向應(yīng)力的系統(tǒng)檢測(cè)。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(jìn)而可以高標(biāo)準(zhǔn)完成測(cè)量任務(wù)，使得檢測(cè)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(qiáng)度螺栓軸向應(yīng)力的超聲測(cè)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(qiáng)度螺栓進(jìn)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(jìn)而壓緊各鋼構(gòu)部件，通過各構(gòu)件間形成的強(qiáng)大摩擦力共同形成載荷能力。
2.1 超聲波對(duì)高強(qiáng)度螺栓軸向應(yīng)力檢測(cè)的基本原理
超聲波檢測(cè)技術(shù)在對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測(cè)時(shí)，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(shí)施的基礎(chǔ)。超聲波屬于縱波的范疇，當(dāng)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(shí)際的傳播速度與應(yīng)力之間有函數(shù)關(guān)系，可寫為下式：
(1)
對(duì)該式進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)所有的固體介質(zhì)會(huì)對(duì)超聲波在其傳播方向上所引發(fā)的應(yīng)力變化會(huì)造成聲速上的波動(dòng)，這就是所謂的聲彈性原理。在實(shí)際的檢測(cè)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(jì)算可以通過下面的函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行：
v(t)=C0[1-a(t-t0)]
(2)
在實(shí)際的超聲技術(shù)對(duì)螺栓應(yīng)力的測(cè)量中，一般情況下，大都會(huì)利用超聲波在材料中的渡越時(shí)間以及相應(yīng)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而通過時(shí)間差對(duì)聲速進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)椴牧现写嬖谳S向應(yīng)力，其聲速的變化必然會(huì)引發(fā)聲時(shí)同步的變化，而材料應(yīng)力和材料溫度變化也都會(huì)造成其長(zhǎng)度發(fā)生變化進(jìn)而使得其聲時(shí)也會(huì)發(fā)生顯著的變化。
2.2 應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作
按照上述理論，可以進(jìn)行超聲檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，并將其用于螺栓軸向應(yīng)力的具體測(cè)量工作。在實(shí)際的開發(fā)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)過程中的渡越時(shí)間以及溫度測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，其實(shí)際的聲時(shí)精度可以達(dá)到1ns，溫度的測(cè)量精度達(dá)到0.1℃。同時(shí)可以分析高強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
在該檢測(cè)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(duì)超聲換能器的激勵(lì)作用并形成可以進(jìn)行發(fā)射的超聲波能量，要取得聲時(shí)測(cè)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(hào)，這些信號(hào)的頻率要與換能器的工作特性相適應(yīng)?；夭z測(cè)分系統(tǒng)主要完成回波信號(hào)的放大。
在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，聲時(shí)閘門發(fā)生器會(huì)對(duì)兩次超聲回波間形成閘門控制信號(hào)，而高速計(jì)數(shù)器可以在閘門控制信號(hào)內(nèi)對(duì)超聲波形成的脈沖信號(hào)直接計(jì)數(shù)，而單片機(jī)會(huì)將這些計(jì)數(shù)值進(jìn)行讀取，并以此為基礎(chǔ)對(duì)系統(tǒng)的聲時(shí)進(jìn)行計(jì)算。為滿足1ns測(cè)時(shí)精度需要，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中會(huì)選擇過零檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超聲回波在過零點(diǎn)處形成聲時(shí)檢測(cè)的參照水平點(diǎn)。
單次回波的在兩個(gè)脈沖之間形成的間隔進(jìn)行量化，這一過程會(huì)對(duì)聲時(shí)閘門開關(guān)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的影響，但其時(shí)基周期有顯著的不確定性，因此其誤差值對(duì)所有測(cè)量技術(shù)而言都是均勻分布。在多次進(jìn)行測(cè)量的情況下，其誤差平均值會(huì)因測(cè)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(duì)高強(qiáng)度螺栓的軸向應(yīng)力進(jìn)行有效的控制，以滿足實(shí)際工程對(duì)其的具體標(biāo)準(zhǔn)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(duì)誤差較大。為此，引入超聲檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)利用對(duì)聲速、時(shí)長(zhǎng)和溫度等數(shù)據(jù)的測(cè)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)。
