本發(fā)明屬于高強螺栓節(jié)點板狀態(tài)的評估和檢測領域，具體涉及一種基于超聲回波的高強螺栓連接節(jié)點板壓緊度檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著國家對鋼結(jié)構(gòu)的大力推廣，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。高強螺栓節(jié)點板是鋼結(jié)構(gòu)十分常見的連接結(jié)構(gòu)，其作用是通過壓緊的連接板之間的摩阻力來傳遞節(jié)點力。

國內(nèi)外對于高強螺栓節(jié)點板施工和運行質(zhì)量的評估方法有扭矩扳手法、伸長值法和基于聲彈性原理的超聲波應力測量法，這些方法各有優(yōu)缺點，且均采用檢測高強螺栓軸力的方法間接推測節(jié)點板技術(shù)狀態(tài)，但是節(jié)點板狀態(tài)主要由節(jié)點板間壓緊度決定，因此上述方法得出的節(jié)點板狀態(tài)不準確。

超聲波在鋼材中的傳輸損失很小，在異質(zhì)界面上會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，不能通過氣體固體界面，所以超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時，會部分反射。鋼結(jié)構(gòu)工程高強螺栓摩擦型連接節(jié)點板一般采用表面涂摩擦漆的方式保證節(jié)點板表面粗糙度在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)。為保證足夠的摩擦力，鋼結(jié)構(gòu)工程高強螺栓摩擦型連接節(jié)點板一般采用噴丸、噴砂、表面涂無機富鋅防滑涂料或自然生銹的方式保證節(jié)點板表面粗糙度在要求范圍內(nèi)。因此，當節(jié)點板受壓緊力貼合在一起時，微觀結(jié)構(gòu)凸起部分會和另一塊節(jié)點板緊貼，凹下部分并沒有與另一塊節(jié)點板接觸，這就使得節(jié)點板間一部分面積為固體-固體接觸，另一部分面積未發(fā)生接觸，間隙以空氣填充。超聲波無法通過節(jié)點板間的固體-空氣界面，從而被反射回來，并會在節(jié)點板內(nèi)形成多次反射。超聲波在固體和固體連接處發(fā)生透射，在固體與空氣邊界處發(fā)生部分透射和部分反射，超聲波在層板表面產(chǎn)生反射和透射，按照規(guī)定的表面粗糙程度和表面摩擦漆處理，高強螺栓緊固力越大，節(jié)點板間實際接觸面積越大，透射波越多，反射回波能量越弱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲回波的高強螺栓連接節(jié)點板壓緊度檢測方法，該方法能直接、快速、準確測量高強螺栓連接節(jié)點板的壓緊度，得出準確的節(jié)點板狀態(tài)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于超聲回波的高強螺栓連接節(jié)點板壓緊度檢測方法，利用超聲波在不同壓緊程度節(jié)點板處反射和透射波的差異，定量檢測節(jié)點板之間的壓緊力，包括如下步驟：

通過超聲無損探傷儀在沒有擰緊螺母的拼接板上進行一次超聲檢測，此時，拼接板間無壓力，真實接觸面積為0，檢測超聲在節(jié)點板內(nèi)兩次回波聲強度，計算得到在未擰緊螺母狀態(tài)下兩次回波聲強度之比(超聲回波損耗率)r′；

擰緊螺母使拼接板之間產(chǎn)生壓力，通過超聲無損探傷儀在擰緊螺母的拼接板上進行一次超聲檢測，計算得到擰緊螺母時的超聲回波損耗率r；

根據(jù)公式求拼接板間真實接觸面積ar；

使用分形理論描述節(jié)點板表面粗糙峰形貌，定量分析節(jié)點板壓緊度與板間真實接觸面積的關(guān)系，利用公式

計算拼接板間壓緊度p；其中：g和d是分形參數(shù)，h為材料的硬度，σy為材料的屈服強度，k＝h/σy，材料特性系數(shù)φ＝σy/e',為彈塑性臨界接觸面積，和為無量綱參數(shù)。

按上述方案，超聲無損探傷儀的超聲探頭為雙晶超聲探頭，該雙晶超聲探頭放置位置為節(jié)點板表面上，且與周圍高強螺栓中心線距離相等處，以確保測得的數(shù)據(jù)準確可靠。

按上述方案，超聲探頭緊貼于節(jié)點板外表面，垂直于節(jié)點板的接觸面，超聲探頭與節(jié)點板間涂耦合劑；超聲無損探傷儀為常規(guī)便攜式超聲波無損探傷儀。

本發(fā)明中，超聲回波損耗率的定位為：以節(jié)點板內(nèi)兩次回波聲強度之比。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明基于對接觸面的微觀分析和超聲波在接觸面處的傳播規(guī)律檢測節(jié)點板的接觸狀態(tài)，填補了高強螺栓節(jié)點板在施工和運行中技術(shù)狀態(tài)的直接檢測方法的空白；在檢測過程中消除了超聲衰減的影響，檢測結(jié)果具有較高的準確性；使用便攜式超聲波無損探傷儀，檢測過程只需一個超聲探頭，保證檢測可實施性和檢測速度的同時又滿足了檢測的精度，具有較高的應用價值；

為高強螺栓節(jié)點板施工質(zhì)量評估提供了一種高效的檢測方法，也對衡量在用鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點板之間的技術(shù)狀態(tài)提供了一種無損檢測的手段，具有重要的應用價值。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是超聲無損探傷儀與節(jié)點板的安裝示意圖；

圖2是超聲無損探傷儀的測量數(shù)據(jù)；

圖3是超聲探頭的布設示意圖；

圖4是m24高強螺栓和40mm拼接板的節(jié)點板試件在不同施擰順序下的兩次測試中超聲回波損耗率隨板間壓強的實測值與實際值對比圖。

圖中1.超聲無損探傷儀，2.通道一，3.通道二，4.信號線，5.雙晶超聲探頭，6.高強螺栓，7.螺母，8.下墊片，9.上墊片，10.拼接板，11.一次回波聲強，12.二次回波聲強,13.實施例超聲檢測位置。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參見圖1和圖3，高強螺栓連接節(jié)點板包括2個拼接板10，4個高強螺栓6，高強螺栓6依次穿過上墊片9、2個拼接板10、下墊片8后由螺母7固定。

參見圖1-圖3，一種基于超聲回波的高強螺栓連接節(jié)點板壓緊度檢測方法，利用超聲波在不同壓緊程度節(jié)點板處反射和透射波的差異，定量檢測節(jié)點板之間的壓緊力，其具體包括如下步驟：

雙晶超聲探頭5通過兩根信號線4分別與超聲無損探傷儀1的通道一2和通道二3相連，雙晶超聲探頭5的測試位置在節(jié)點板表面上與周圍高強螺栓中心線距離相等處；雙晶超聲探頭5緊貼于節(jié)點板外表面，垂直于節(jié)點板的接觸面，在雙晶超聲探頭5與節(jié)點板間涂耦合劑；超聲無損探傷儀1的工作原理為：超聲無損探傷儀1通過通道一2發(fā)射超聲激勵信號，雙晶超聲探頭5將電信號轉(zhuǎn)換為具有較大探測深度的超聲信號傳入拼接板10內(nèi)，超聲經(jīng)過在拼接板10內(nèi)的傳播和反射、透射，最終又回到雙晶超聲探頭5處，雙晶超聲探頭5將接收到的超聲信號轉(zhuǎn)換為電信號通過信號線4傳回通道二3給超聲無損探傷儀1；

通過超聲無損探傷儀1在沒有擰緊螺母7的節(jié)點板上進行一次超聲檢測，此時，拼接板10間無壓力，真實接觸面積為0，超聲無損探傷儀1中存儲的數(shù)據(jù)如圖2所示，取二次回波聲強12和一次回波聲強11之比為本次檢測(沒有擰緊螺母時)的超聲回波損耗率r′；

擰緊螺母7使拼接板10之間產(chǎn)生壓力，通過超聲無損探傷儀1在擰緊螺母7的節(jié)點板上進行一次超聲檢測，計算得到擰緊螺母時的超聲回波損耗率r；

根據(jù)公式得到拼接板間真實接觸面積ar；

根據(jù)公式

得到拼接板間壓緊度p；其中：g和d是分形參數(shù)，h為材料的硬度，σy為材料的屈服強度，k＝h/σy，材料特性系數(shù)φ＝σy/e',為彈塑性臨界接觸面積，和為無量綱參數(shù)。

具體實例

拼接板10厚40mm，表面無氣噴涂160μm無機富鋅涂料，預留四個高強螺栓孔；高強螺栓為s10.9級m24大六角頭螺栓，取e＝1gpa，μ＝0.38，d＝1.53，g＝1e-10。

按照不同的高強螺栓施擰順序分兩次做完兩組試件，完成現(xiàn)場試驗。在檢測過程中對超聲檢測次數(shù)按1到5進行編號。對四個高強螺栓按照順時針方向按1到4進行編號,依次分別施擰到230kn，每一組試件實驗過程中高強螺栓張緊力順序如表1。

表1實驗過程高強螺栓施擰順序表(單位：kn)

讀取無損檢測探傷儀中超聲回波數(shù)據(jù)，依次提取檢測儀中兩次回波的聲強值，并求其超聲回波損耗率r′2和r2，相除后得到超聲檢測的回波損耗率r2/r′2。使用有限元方法計算各種工況下的板間壓力，根據(jù)分形理論公式和回波損耗率公式計算理論回波損耗率。實測回波損耗率與理論回波損耗率對比見表2及圖4所示。

表2超聲回波損耗率對比表

由表2可見，回波損耗率r2/r′2測量值和理論計算值偏差很小，均在2％以內(nèi)，說明數(shù)據(jù)的測量方法和計算方法是可行的。

將高強螺栓全部擰緊后測量得到的回波損耗率帶入回波損耗率公式，計算板間真實接觸面積ar，然后根據(jù)分形理論推導得到的板間壓緊度與真實接觸面積關(guān)系式，計算高強螺栓安裝完成后的板間真實壓緊度，并與有限元模型計算值做對比如表3。

表3節(jié)點板壓緊度實測值與計算值對比表

由上表可見，本發(fā)明所提的檢測方法在節(jié)點板板間壓力的檢測精度上可以達到5％的誤差率，使用本發(fā)明對節(jié)點板進行檢測是可行的。