基于超声检测法的膨胀螺栓紧固程度判别方法

高崇亮 程 超 王 波 曹亚军 高勇勇

中建深圳装饰有限公司 广东 深圳 518023

玻璃幕墙是建筑的外层保护性结构，是现代高层建筑的重要组成部分，具有采光、防风、防水、保温、隔热、减噪等作用，与美观装饰功能有效地结合在一起。随着玻璃幕墙使用量的增加和使用时间的增长，其使用的膨胀螺栓出现性能退化、松动和腐蚀等现象，影响了作用在幕墙玻璃上的黏结力和紧固力，造成幕墙玻璃松动，极端情况下会导致玻璃幕墙板块脱落[1]。玻璃幕墙板块的松动和脱落会影响正常的使用功能，引发的高空坠落所导致的人员伤亡和财产损失更是其最大的危害[2]。近年来，在我国发生了多起玻璃幕墙坠落事故，造成极为严重的后果[3]。然而，目前适用于玻璃幕墙螺栓紧固检测，且简单、高效、可靠的方法非常少。基于超声检测法对膨胀螺栓工作状态进行测试与分析是近年来由学者提出的一种玻璃幕墙安全监测与风险评估的方法[4]。

应用超声检测法对玻璃幕墙与混凝土结构连接用的膨胀螺栓的受力情况进行检测，分析膨胀螺栓与周围混凝土结构紧固的情况，具有检测快、准确度高的特点，是一种十分有效的手段。该方法的主要原理为：基于超声波波速随应力状态改变而变化的声弹性原理，通过检测螺栓长度变化而获取材料应力[5]。其中声弹性原理，是超声波的剪切波在物体中传播产生双折射，其波速随应力状态而变化的现象，具有对人体无害、对被测物体无损伤、测量快等特点，并且不像光弹性法那样物体需要是透明物体，对任何构件或结构都可测量，并且可直接测量螺栓所受应力，不像扭矩扳手那样受摩擦因数离散性的影响。因此，通过超声检测法对膨胀螺栓工作状态进行测试与分析，从而评估幕墙玻璃的松动程度和脱落风险，是一种较为理想的检测手段。

1 基于超声检测法检测膨胀螺栓紧固程度设计

1.1 膨胀螺栓轴向应力测试

本文使用超声波测量膨胀螺栓的轴向应力，对不同轴向应力的膨胀螺栓反射回来的超声波信号进行检测，其原理如图1所示，通过螺母紧固圈数或拉拔仪进行拉拔来模拟实现轴向应力的大小，如图2所示。

图1 超声检测法原理示意

图2 膨胀螺栓紧固力测试方法

首先，将螺栓固定于夹具上，拧紧螺母，每拧紧1/6圈记录一次螺栓长度变化，直至螺栓处于紧固状态；或用拉拔仪拉拔于膨胀螺栓一端，施加力的作用，每增加1 kN记录一次螺栓长度的变化。其次，将膨胀螺栓打入混凝土结构孔内，通过拧紧螺母对膨胀螺栓进行紧固，每拧紧1/6圈记录一次螺栓长度变化，直至处于紧固状态。

1.2 构建膨胀螺栓轴向应力与超声信号模型

膨胀螺栓所受的载荷力与螺栓伸长量的关系可以通过式（1）计算得到：

通过公式（1），由长度变化量计算得到螺栓所受力作用的大小，就可以对螺栓的工作状态进行评判。同时，可以模拟膨胀螺栓套筒的张开程度，验证膨胀螺栓轴向应力对超声信号特征的影响，建立轴向应力与超声信号之间的关系。

1.3 比较测量膨胀螺栓轴向载荷力与拉拔力

测试目标膨胀螺栓轴向载荷力与拉拔仪所测示数比较，随着拉拔力的增加，螺栓长度逐渐伸长，同样根据式（1）可以计算得到在拉拔力作用下，自身因紧固而产生的载荷力大小。

通过超声检测仪对膨胀螺栓伸长量进行测试分析，可以得到载荷力与外界施加的拉拔力差距，如图5所示，就可以有效地检测膨胀螺栓的紧固程度。

通过上述步骤确定膨胀螺栓轴向载荷力与拉拔力之后，通过式（1）计算膨胀螺栓完全紧固可以承受的最大应力。根据超声检测仪得到的螺栓长度变化从而计算出载荷力大小，后依据载荷力所在范围判断脱落风险大小，该范围一般由试验确定。

2 基于超声检测法检测膨胀螺栓紧固程度试验及分析

2.1 膨胀螺栓轴向应力试验

基于上节所述步骤，本文进行了相应试验操作，图3为现场测试情况。

图3 现场测试

本文根据步骤将规格为M12、M10的2种膨胀螺栓固定于夹具或混凝土结构内，使用超声检测仪对膨胀螺栓进行测试。图4（a）、图4（b）分别为M12、M10膨胀螺栓随紧固圈数的增加，螺栓长度的变化曲线。

从图4可以看出，随着长度的增加，膨胀螺栓的长度逐渐伸长，在试验初始阶段M12膨胀螺栓紧固圈数在0～2圈之内、M10膨胀螺栓紧固圈数在0～1圈之内时，随着紧固圈数的增加，长度伸长量变化较小，这是由于初始阶段主要作用于螺栓与胀管之间的紧固。随着螺栓与胀管之间的作用趋于稳定，即M12膨胀螺栓紧固圈数大于2圈、M10膨胀螺栓紧固圈数大于1圈时，紧固作用于螺栓，使得膨胀螺栓的长度伸长随紧固圈数趋于线性关系。通过式（1），可以得到膨胀螺栓随着紧固圈数增加，载荷力同长度的变化规律相同。

图4 膨胀螺栓长度和载荷力随紧固圈数的变化

图5（a）、图5（b）分别为M12、M10膨胀螺栓在拉拔仪的作用力下，随着拉拔力的增加，螺栓长度的变化规律。

从图5可以看出，随着拉拔力的增加，螺栓的长度逐渐伸长，同样，根据式（1）可以计算得到在拉拔力作用下，螺栓所受载荷力的大小。图6为膨胀螺栓受到拉拔力的作用发生的外露长度的变化与自身因紧固而产生的载荷力大小的变化。从图6可以看出，通过超声检测仪对膨胀螺栓的伸长量进行测试分析，得到的载荷力与外界的施加的拉拔力差距较小，差值范围在2 N以内，可以有效地检测膨胀螺栓的紧固程度。

图5 膨胀螺栓长度和载荷力随拉拔力的变化

图6 膨胀螺栓载荷力与拉拔力的比较

2.2 不同超声检测法对膨胀螺栓紧固测试的影响

为了探究电磁超声检测与压电超声检测在此次试验中表现的优劣，采用M12膨胀螺栓分别进行测试。由于M12膨胀螺栓的截面较小，压电超声探头无法有效地固定于膨胀螺栓顶部，很难通过压电超声换能器对小直径的膨胀螺栓进行检测。同时，超声在介质中传播，截面不平整会使得散射较大，能量损失较多，无法进行有效测试，故在测试前需将膨胀螺栓端头磨平后再进行测试。为了展示2种不同超声检测方式在此次试验检测中表现的优劣，分别使用电磁超声与压电超声进行了测试分析，结果如图7所示。

图7 M12膨胀螺栓电磁超声检测与压电超声检测的比较

虽然无接触式的电磁超声检测在实际操作中高效简便，但从图7（a）、图7（b）中可以明显看出，由于电磁超声的检测精度较低而很难检测到膨胀螺栓长度随紧固程度变化的规律，而压电超声检测手段目前可达到0.000 1 mm精度，可以精确地检测膨胀螺栓长度随紧固程度的变化。

3 结语

基于超声检测法对膨胀螺栓紧固程度进行判别，通过超声波检测玻璃幕墙与混凝土结构连接用的膨胀螺栓的受力情况，分析膨胀螺栓与周围混凝土结构间的紧固情况，具有检测快、准确度高的特点，是一种十分有效的检测手段。该方法具有对人体无害、对被测物体无损伤等特点。

1）在本次试验中，使用超声波测量膨胀螺栓的轴向应力，对不同轴向应力的膨胀螺栓反射回来的超声波信号进行检测，轴向应力的大小通过拧紧螺母圈数或拉拔仪拉拔来模拟实现，膨胀螺栓受到外界施加的拉拔力作用，自身因紧固而产生载荷力。通过超声检测仪对膨胀螺栓的伸长量进行测试分析，得到载荷力与外界施加的拉拔力差距较小，可以有效地检测膨胀螺栓的紧固程度。

2）通过本试验可知，膨胀螺栓的长度对紧固力/紧固程度的依赖程度高，虽然无接触式的电磁超声检测在实际操作中高效简便，但由于电磁超声的检测精度较低而很难检测到膨胀螺栓长度随紧固程度的变化规律，而压电超声检测手段目前可达到0.000 1 mm精度，可以精确地检测出膨胀螺栓长度随紧固程度的变化。使用压电超声检测方法对膨胀螺栓进行长度测试，不仅可得到螺栓所处的紧固状态，而且测得的数据具有精度高、效果明显等优点。但膨胀螺栓直径不应小于10 mm，且测试前需将顶端磨平。

3）采用相对比较法，在螺栓规格相同的情况下，对电磁超声信号进行分析比较，得到了判别膨胀螺栓的紧固程度的标准。在膨胀螺栓的长度变化范围内，从应力上限到应力下限，其紧固程度逐渐由紧固变为自由，而本文在长度变化范围中划定A、B、C共3个位置，将膨胀螺栓的长度变化范围划为5个区间，其中从应力上限到A值，表示该膨胀螺栓紧固程度很高，没有脱落风险；从A值到B值，表示该膨胀螺栓处于正常工作状态，可以正常使用；从B值到C值，表示该膨胀螺栓已经松动，已经具有一定的脱落风险，需要进行维修和保养；从C值到其应力下限值，表示该膨胀螺栓已经无法正常使用，脱落风险很大，需要着手处理避免造成损失。而对于不同型号的膨胀螺栓因其A、B、C值会因材料规格等因素的不同而不尽相同，故后续还需开展试验和工作，以确定所需测量不同型号膨胀螺栓的A、B、C三个位置对应的长度及力的大小。

通过超声检测法对膨胀螺栓工作状态进行测试与分析，从而评估幕墙玻璃的松动程度和脱落风险，是一种较为理想的检测手段。