CN107167273B - 基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法，其包括如下步骤：通过超声无损探伤仪在没有拧紧螺母的拼接板上进行一次超声检测，计算得到没有拧紧螺母时的超声回波损耗率r'；拧紧螺母使拼接板之间产生压力，通过超声无损探伤仪在拧紧螺母的拼接板上进行一次超声检测，计算得到拧紧螺母时的超声回波损耗率r；根据r'和r求得拼接板间真实接触面积；根据拼接板间真实接触面积计算拼接板间压紧度；本发明能直接、快速、准确测量高强螺栓连接节点板的压紧度，得出准确的节点板状态。
Description
技术领域
本发明属于高强螺栓节点板状态的评估和检测领域，具体涉及一种基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法。
背景技术
随着国家对钢结构的大力推广，钢结构已经在各行各业得到了广泛的应用。高强螺栓节点板是钢结构十分常见的连接结构，其作用是通过压紧的连接板之间的摩阻力来传递节点力。
国内外对于高强螺栓节点板施工和运行质量的评估方法有扭矩扳手法、伸长值法和基于声弹性原理的超声波应力测量法，这些方法各有优缺点，且均采用检测高强螺栓轴力的方法间接推测节点板技术状态，但是节点板状态主要由节点板间压紧度决定，因此上述方法得出的节点板状态不准确。
超声波在钢材中的传输损失很小，在异质界面上会发生反射、折射等现象，不能通过气体固体界面，所以超声波传播到金属与缺陷的界面处时，会部分反射。钢结构工程高强螺栓摩擦型连接节点板一般采用表面涂摩擦漆的方式保证节点板表面粗糙度在规范规定范围内。为保证足够的摩擦力，钢结构工程高强螺栓摩擦型连接节点板一般采用喷丸、喷砂、表面涂无机富锌防滑涂料或自然生锈的方式保证节点板表面粗糙度在要求范围内。因此，当节点板受压紧力贴合在一起时，微观结构凸起部分会和另一块节点板紧贴，凹下部分并没有与另一块节点板接触，这就使得节点板间一部分面积为固体-固体接触，另一部分面积未发生接触，间隙以空气填充。超声波无法通过节点板间的固体-空气界面，从而被反射回来，并会在节点板内形成多次反射。超声波在固体和固体连接处发生透射，在固体与空气边界处发生部分透射和部分反射，超声波在层板表面产生反射和透射，按照规定的表面粗糙程度和表面摩擦漆处理，高强螺栓紧固力越大，节点板间实际接触面积越大，透射波越多，反射回波能量越弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法，该方法能直接、快速、准确测量高强螺栓连接节点板的压紧度，得出准确的节点板状态。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法，利用超声波在不同压紧程度节点板处反射和透射波的差异，定量检测节点板之间的压紧力，包括如下步骤：
通过超声无损探伤仪在没有拧紧螺母的拼接板上进行一次超声检测，此时，拼接板间无压力，真实接触面积为0，检测超声在节点板内两次回波声强度，计算得到在未拧紧螺母状态下两次回波声强度之比(超声回波损耗率)r′；
拧紧螺母使拼接板之间产生压力，通过超声无损探伤仪在拧紧螺母的拼接板上进行一次超声检测，计算得到拧紧螺母时的超声回波损耗率r；
根据公式求拼接板间真实接触面积Ar；
使用分形理论描述节点板表面粗糙峰形貌，定量分析节点板压紧度与板间真实接触面积的关系，利用公式
计算拼接板间压紧度P；其中：G和D是分形参数，H为材料的硬度，σy为材料的屈服强度，K＝H/σy，材料特性系数φ＝σy/E',为弹塑性临界接触面积，和为无量纲参数。
按上述方案，超声无损探伤仪的超声探头为双晶超声探头，该双晶超声探头放置位置为节点板表面上，且与周围高强螺栓中心线距离相等处，以确保测得的数据准确可靠。
按上述方案，超声探头紧贴于节点板外表面，垂直于节点板的接触面，超声探头与节点板间涂耦合剂；超声无损探伤仪为常规便携式超声波无损探伤仪。
本发明中，超声回波损耗率的定位为：以节点板内两次回波声强度之比。
本发明的有益效果在于：
本发明基于对接触面的微观分析和超声波在接触面处的传播规律检测节点板的接触状态，填补了高强螺栓节点板在施工和运行中技术状态的直接检测方法的空白；在检测过程中消除了超声衰减的影响，检测结果具有较高的准确性；使用便携式超声波无损探伤仪，检测过程只需一个超声探头，保证检测可实施性和检测速度的同时又满足了检测的精度，具有较高的应用价值；
为高强螺栓节点板施工质量评估提供了一种高效的检测方法，也对衡量在用钢结构节点板之间的技术状态提供了一种无损检测的手段，具有重要的应用价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是超声无损探伤仪与节点板的安装示意图；
图2是超声无损探伤仪的测量数据；
图3是超声探头的布设示意图；
图4是M24高强螺栓和40mm拼接板的节点板试件在不同施拧顺序下的两次测试中超声回波损耗率随板间压强的实测值与实际值对比图。
图中1.超声无损探伤仪，2.通道一，3.通道二，4.信号线，5.双晶超声探头，6.高强螺栓，7.螺母，8.下垫片，9.上垫片，10.拼接板，11.一次回波声强，12.二次回波声强,13.实施例超声检测位置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1和图3，高强螺栓连接节点板包括2个拼接板10，4个高强螺栓6，高强螺栓6依次穿过上垫片9、2个拼接板10、下垫片8后由螺母7固定。
参见图1-图3，一种基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法，利用超声波在不同压紧程度节点板处反射和透射波的差异，定量检测节点板之间的压紧力，其具体包括如下步骤：
双晶超声探头5通过两根信号线4分别与超声无损探伤仪1的通道一2和通道二3相连，双晶超声探头5的测试位置在节点板表面上与周围高强螺栓中心线距离相等处；双晶超声探头5紧贴于节点板外表面，垂直于节点板的接触面，在双晶超声探头5与节点板间涂耦合剂；超声无损探伤仪1的工作原理为：超声无损探伤仪1通过通道一2发射超声激励信号，双晶超声探头5将电信号转换为具有较大探测深度的超声信号传入拼接板10内，超声经过在拼接板10内的传播和反射、透射，最终又回到双晶超声探头5处，双晶超声探头5将接收到的超声信号转换为电信号通过信号线4传回通道二3给超声无损探伤仪1；
通过超声无损探伤仪1在没有拧紧螺母7的节点板上进行一次超声检测，此时，拼接板10间无压力，真实接触面积为0，超声无损探伤仪1中存储的数据如图2所示，取二次回波声强12和一次回波声强11之比为本次检测(没有拧紧螺母时)的超声回波损耗率r′；
拧紧螺母7使拼接板10之间产生压力，通过超声无损探伤仪1在拧紧螺母7的节点板上进行一次超声检测，计算得到拧紧螺母时的超声回波损耗率r；
根据公式得到拼接板间真实接触面积Ar；
根据公式
得到拼接板间压紧度P；其中：G和D是分形参数，H为材料的硬度，σy为材料的屈服强度，K＝H/σy，材料特性系数φ＝σy/E',为弹塑性临界接触面积，和为无量纲参数。
具体实例
拼接板10厚40mm，表面无气喷涂160μm无机富锌涂料，预留四个高强螺栓孔；高强螺栓为S10.9级M24大六角头螺栓，取E＝1GPa，μ＝0.38，D＝1.53，G＝1e-10。
按照不同的高强螺栓施拧顺序分两次做完两组试件，完成现场试验。在检测过程中对超声检测次数按1到5进行编号。对四个高强螺栓按照顺时针方向按1到4进行编号,依次分别施拧到230KN，每一组试件实验过程中高强螺栓张紧力顺序如表1。
表1实验过程高强螺栓施拧顺序表(单位：KN)
读取无损检测探伤仪中超声回波数据，依次提取检测仪中两次回波的声强值，并求其超声回波损耗率r′2和r2，相除后得到超声检测的回波损耗率r2/r′2。使用有限元方法计算各种工况下的板间压力，根据分形理论公式和回波损耗率公式计算理论回波损耗率。实测回波损耗率与理论回波损耗率对比见表2及图4所示。
表2超声回波损耗率对比表
由表2可见，回波损耗率r2/r′2测量值和理论计算值偏差很小，均在2％以内，说明数据的测量方法和计算方法是可行的。
将高强螺栓全部拧紧后测量得到的回波损耗率带入回波损耗率公式，计算板间真实接触面积Ar，然后根据分形理论推导得到的板间压紧度与真实接触面积关系式，计算高强螺栓安装完成后的板间真实压紧度，并与有限元模型计算值做对比如表3。
表3节点板压紧度实测值与计算值对比表
由上表可见，本发明所提的检测方法在节点板板间压力的检测精度上可以达到5％的误差率，使用本发明对节点板进行检测是可行的。
Claims (2)
1.一种基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法，其特征在于包括如下步骤：
通过超声无损探伤仪在没有拧紧螺母的拼接板上进行一次超声检测，计算得到没有拧紧螺母时的超声回波损耗率r'；
拧紧螺母使拼接板之间产生压力，通过超声无损探伤仪在拧紧螺母的拼接板上进行一次超声检测，计算得到拧紧螺母时的超声回波损耗率r；
根据公式求拼接板间真实接触面积Ar；
根据公式
计算得到拼接板间压紧度P；其中G和D是分形参数，H为材料的硬度，σy为材料的屈服强度，K＝H/σy，材料特性系数φ＝σy/E',为弹塑性临界接触面积，和为无量纲参数。
2.根据权利要求1所述的基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法，其特征在于：超声无损探伤仪的超声探头为双晶超声探头，该双晶超声探头放置位置为节点板表面上，且与周围高强螺栓中心线距离相等处。
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