无损检测在钢结构螺栓连接预紧力检测中的超声应力测定

钢结构螺栓的预紧力是结构安全的“生命线”——预紧力不足会导致连接松动，过紧则易引发螺栓断裂。传统测预紧力的方法要么误差大（扭矩法误差可达±25%），要么破坏构件（应变片法需粘贴应变片，损伤螺栓表面），而超声应力测定依托“声弹性效应”，不用损伤螺栓就能精准量化预紧力，如今已成为螺栓检测的核心技术。

超声测预紧力的核心逻辑

超声法的基础是“声弹性效应”——钢材受轴向拉应力（预紧力本质就是轴向拉应力）时，内部原子会微微“错位”，进而改变超声波的传播速度。简单说，预紧力越大，超声在螺栓轴向的传播速度变化越明显。

检测时，设备会同时发射两种波：沿螺栓轴向的“纵波”和垂直轴向的“横波”。通过测量这两种波的速度差，结合钢材的“声弹性常数”（需用同材质标准螺栓校准），代入声弹性方程算出轴向应力，再用“预紧力=轴向应力×螺栓有效截面积”换算出最终结果。

这里的关键是“校准”——用同规格、同材质的标准螺栓测“应力-超声速度”曲线，修正螺母、垫圈压缩产生的附加应力，确保结果对应真实预紧力。

传统检测方法的“痛点”

最常用的扭矩法误差大，因螺栓表面的防锈涂层、螺母与垫圈的摩擦系数会干扰“扭矩-预紧力”的对应关系，常出现“扭矩合格但预紧力不足”的误判；应变片法需粘贴应变片，破坏螺栓表面完整性，易引发疲劳裂纹，且现场接线、防潮操作复杂。

液压拉伸法虽精度高，但设备笨重，仅能用于螺栓安装时的预紧控制，无法复检已安装螺栓——这些痛点让工程人员迫切需要“无损、高精度、易操作”的技术。

超声法的“过人之处”

首先是“无损性”——不用损伤螺栓，保留构件完整性，适合已安装螺栓的复检和在役结构的定期监测，规避了应变片法的疲劳风险；其次是“高精度”，误差控制在±5%以内，不受摩擦系数影响，远优于扭矩法；再者是“便携高效”，手持式设备轻（仅2-3公斤），几秒测一根螺栓，大规模检测效率是扭矩法的3-5倍，且数据实时出结果，当场可判定合格与否。

现场操作的关键步骤

第一步“校准”：用同材质、同规格的标准螺栓（已知预紧力-应力关系），在设备中录入声弹性常数，建立“应力-超声速度”校准曲线；第二步“表面处理”：清除螺栓端面的锈迹、油污或涂层，涂薄层耦合剂（甘油或专用耦合剂），保证探头与端面良好接触；第三步“探头定位”：用定位套对准螺栓轴线（误差≤0.5mm），避免超声路径偏斜；第四步“数据采集”：启动设备测纵波与横波速度差，自动计算预紧力，对比设计值判定合格与否。

影响结果的“关键坑”

耦合剂要选对——用专用超声耦合剂或甘油，避免机油（易干）或水（易有间隙）；探头必须对准轴线，偏移会导致应力测量值偏小；温度差超过±5℃时，需开启设备的温度补偿功能（内置传感器自动修正）；螺栓不能有内部缺陷（夹渣、气孔会散射超声信号），测前需用超声探伤排除。

工程里的真实案例

某跨江大桥斜拉索锚具用10.9级M36螺栓，扭矩法测15根“合格”，但超声法发现预紧力低18%（防锈涂层增加摩擦系数），及时更换避免锚具松动；某工业厂房5年的M24螺栓，超声法测到32根预紧力下降20%（长期振动导致松弛），复紧后消除安全隐患。

某高层写字楼柱脚M42螺栓，用手持式设备4小时测200根，结果与设计值偏差±3%，比扭矩法快3倍，获监理认可；某钢厂钢结构框架M20螺栓，超声法筛查出12根预紧力不足，避免了框架变形事故。

设备的“实用升级”

现在的超声设备向“小型智能”发展：手持式仪重量≤2公斤，续航＞8小时，内置AI算法自动修正温度误差、识别螺栓规格；部分设备支持“干式耦合”（不用涂耦合剂），通过特殊橡胶探头实现信号传递，适合油污、潮湿环境；还有设备能同时测预紧力、螺栓长度、内部缺陷，实现“一站式检测”，减少现场操作步骤。