作者：楊琴（中國鐵路廣州局集團有限公司）
出處：《科學大眾》2019年5月
摘要：文章介紹了螺栓軸向緊固力測試的工藝方法和工藝參數，介紹了高鐵站房鋼結構所用螺栓緊固力聲彈性縱橫測量的方法，解決了緊固螺栓安裝和在役過程中軸向緊固力監控問題，減少鋼結構件螺栓軸向緊固力誤差并為解決陣列螺栓緊固力分布不均勻的問題提供一定實驗依據。
1 背景介紹
高鐵站房鋼結構中的主要裝配方式之一是螺栓聯接，由于螺栓的連接質量對鋼結構的安全性能影響很大。因此，對螺栓安裝時的預緊力測量和在役時的松動狀況進行監控非常重要。
在鋼結構聯接螺栓安裝時進行高精度的緊固力控制，才能保證聯接的結構剛性、密閉性、抗松弛性能和受拉螺栓的疲勞強度。因此，控制螺栓安裝過程中的預緊力和對在役螺栓松弛狀況的監測是一個值得研究的課題[1-2]。鋼結構安裝時螺栓的預緊力控制越好，其抗松弛和抗疲勞性能則越好。
高強度螺栓施工過程中廣泛采用的扭矩法，是根據螺栓緊固時扭矩大小和軸向力之間存在的關聯關系，但緊力扳手的扭矩主要取決于螺栓副的摩擦力，其不確定性較大，造成安裝時螺栓軸向緊固力誤差很大，可達到30%[3-4]。聯接螺栓擰緊的軸向緊固力應嚴格控制在適當的下限和上限范疇內。緊固力的下限是由鋼結構的功能決定的，其下限值應保證被聯接件之間緊密地貼合。鋼結構螺栓（或螺母）和被聯接件的強度決定軸向緊固力的上限，其上限值應保證緊固螺栓及被緊固件在裝配和在役過程中不發生失效現象。
在鋼結構安裝施工中采用扭矩扳手擰緊螺栓時，通過扭矩控制軸向緊固力精度不高，螺栓副摩擦性能分散度大，軸向緊固力的控制精度不夠、可靠性差。為保證螺栓聯接的可靠性且充分地發揮材料強度，應盡可能提高螺栓軸向緊固力測量精度[5]。應用聲彈性效應原理，采用超聲縱橫波螺栓軸向緊固力測量技術，測量精度可達到±2%，能較好地解決這一問題。
2 螺栓緊固力超聲測量的原理
應用聲彈性原理，隨著應力大小變化，緊固螺栓中的超聲縱波和橫波傳播聲速均會發生如圖1所示的變化，其表達式如下。
式中：v代表螺栓中超聲波傳播速度，上標L、S代表螺栓中傳播的超聲縱波和橫波；下標0和σ代表無應力狀態和加載應力狀態；螺栓的軸向拉應力為σ；被測量螺栓材料的縱波和橫波聲彈性常數為CL和CS。
螺栓中橫波和縱波傳播的聲時有（3）和（4）表示如下。
式中：L為螺栓長度。
計算縱波聲時和橫波聲時的比，進行泰勒展開，并取一階
泰勒級數作為近似，有：
式（5）表明，螺栓中超聲縱波和橫波傳播的聲時比與軸向應力呈線性關系。首先，標定無應力螺栓縱橫波聲速比，其次，在試驗機上進行拉伸試驗標定縱橫波聲彈性常數。現場測量時，只需測量在役螺栓的縱橫波聲時比就可以計算出螺栓的軸向緊固力大小。
3 螺栓緊固力的測量
3.1 測量探頭的選擇與測量工藝
高強螺栓緊固力測量超聲傳感器的頻率、結構形式和尺寸，應根據被檢測對象的材質和幾何尺寸來選擇，高頻橫波探頭制作難度較大，選取2.5 MHz與5 MHz兩個頻率，探頭形狀可采用矩形或圓形，晶片面積一般為25~900 mm2，探頭結構可根據被測螺栓尺寸選用單一晶片、重疊晶片、并列晶片等形式。測量長度較短、直徑較小的螺栓，宜選頻率高、直徑小及單一晶片的探頭；反之，則選頻率低、直徑大及重疊晶片、并列晶片等形式的探頭。
由于螺栓緊固力測量時直接發射橫波，測量時應采用能夠承受剪切力的橫波耦合劑。探頭的正確放置對螺栓緊固力測量準確性和有效性影響很大。通常情況下，測量時超聲波探頭應盡可能放置在螺栓測量端面，并稍用力將探頭壓緊，擠壓出多余的耦合劑，可稍許移動探頭使儀器的讀數達到穩定狀態。對中心有孔或內六方孔的螺栓則應使用并列晶片的探頭以避開中心孔。環境溫度測量應盡可能靠近被測螺栓。不允許用手長時間握住溫度測量探頭，以免誤讀溫度信息。
3.2 螺栓參數和檢測面的要求
螺栓的參數有材料或強度等級、結構形式（六角頭或雙頭螺栓）、夾緊長度、計算直徑等，應事先準確地輸入測量儀器。螺栓檢測端頭表面狀況較大的緊固力測量結果，應清除螺栓測量端面的毛刺和雜物，表面的粗糙度Ra＜12.5 μm，不能滿足要求時應打磨光滑。應使探頭與螺栓端面緊密接觸并保持穩定。可用探頭機械固定架，用手固定探頭時，應使儀器得到穩定的讀數。
3.3 溫度補償
緊固力檢測時，螺栓溫度對超聲傳播速度產生較大影響，常用的低合金鋼、碳鋼螺栓溫度每變化1 ℃，其聲速變化可達到10-4 mm/s數量級，因此螺栓緊固力測量時應進行溫度補償修正，溫度修正可以提高測量精度，如果忽略溫度影響，將造成每度5~10 MPa的誤差。螺栓聲學參數標定溫度與工程現場實測溫度不同時，對緊固力測量結果的影響很大，如圖2所示。
螺栓緊固力測量時把螺栓形狀系數和溫度系數作為參變量可免去測量螺栓受力長度、螺栓總長及三階彈性常數等參量，應力與縱橫波聲時及溫度的關系簡潔，由于考慮了溫度補償，螺栓緊固力測量精度較高。
3.4 螺栓緊固力測量的適用條件
螺栓緊固力測量應具備以下條件。
（1）具有可達性，即緊固力測量時，螺栓的任一端面能夠放置超聲探頭。
（2）緊固時螺栓的應力水平應大于50% σs且在彈性范圍內。應力值低于10% σs時，螺栓的聲速與長度變化很小，所測得的緊固力誤差很大。
（3）螺栓緊固時的夾緊距很小，所測得的緊固力誤差很大。
（4）螺栓材料的透聲性要好，至少能保證底面反射波清晰。鋼結構常用的碳鋼、低合金鋼螺栓有很好的透聲性，但某些鑄造螺栓、不銹鋼螺栓及非鐵基高合金螺栓超聲波衰減較大，其緊固力可能不能測量。
（5）放置探頭的螺栓端面和反射面應與螺栓軸線垂直，否則應進行修整，以避免降低測量精度或不能進行緊固力測量。
4 工程應用實例
廣鐵XXXXXX檢驗測試中心于2017年年初在廣州南站對站房構架梁和構架柱螺栓軸向緊固力進行測量。檢測儀器為HSxxxxx螺栓應力檢測儀，螺栓材料等級為10.9級，螺栓規格為M24×90 mm，屈服極限σs為883.0 MPa，楊氏彈性模量E為2.062 203×105 MPa，縱波聲速為5 982.530 m/s，橫波波聲速為3265.370 m/s，采用橫波專用耦合劑。被檢螺栓的尺寸、形狀和位置如圖3所示。M24 mm×90 mm螺栓緊固力檢測圖形如圖4所示。
5 結語
螺栓緊固力超聲縱橫波相結合測量技術，可以進行準確、快速的高鐵站房鋼結構螺栓緊固力無損測量，這對于鐵路各類鋼結構如橋梁、站房和重要機械結構中的螺栓連接質量的安裝、調試、在役監控等方面都具有重大的實用意義。可在彈性應力范圍下有效檢測螺栓的緊固狀態，保障螺栓的安全使用。
