基于超聲檢測法的膨脹螺栓緊固程度判別方法

高崇亮 程 超 王 波 曹亞軍 高勇勇

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

玻璃幕墻是建筑的外層保護性結構，是現代高層建筑的重要組成部分，具有采光、防風、防水、保溫、隔熱、減噪等作用，與美觀裝飾功能有效地結合在一起。隨著玻璃幕墻使用量的增加和使用時間的增長，其使用的膨脹螺栓出現性能退化、松動和腐蝕等現象，影響了作用在幕墻玻璃上的黏結力和緊固力，造成幕墻玻璃松動，極端情況下會導致玻璃幕墻板塊脫落[1]。玻璃幕墻板塊的松動和脫落會影響正常的使用功能，引發的高空墜落所導致的人員傷亡和財產損失更是其最大的危害[2]。近年來，在我國發生了多起玻璃幕墻墜落事故，造成極為嚴重的后果[3]。然而，目前適用于玻璃幕墻螺栓緊固檢測，且簡單、高效、可靠的方法非常少。基于超聲檢測法對膨脹螺栓工作狀態進行測試與分析是近年來由學者提出的一種玻璃幕墻安全監測與風險評估的方法[4]。

應用超聲檢測法對玻璃幕墻與混凝土結構連接用的膨脹螺栓的受力情況進行檢測，分析膨脹螺栓與周圍混凝土結構緊固的情況，具有檢測快、準確度高的特點，是一種十分有效的手段。該方法的主要原理為：基于超聲波波速隨應力狀態改變而變化的聲彈性原理，通過檢測螺栓長度變化而獲取材料應力[5]。其中聲彈性原理，是超聲波的剪切波在物體中傳播產生雙折射，其波速隨應力狀態而變化的現象，具有對人體無害、對被測物體無損傷、測量快等特點，并且不像光彈性法那樣物體需要是透明物體，對任何構件或結構都可測量，并且可直接測量螺栓所受應力，不像扭矩扳手那樣受摩擦因數離散性的影響。因此，通過超聲檢測法對膨脹螺栓工作狀態進行測試與分析，從而評估幕墻玻璃的松動程度和脫落風險，是一種較為理想的檢測手段。

1 基于超聲檢測法檢測膨脹螺栓緊固程度設計

1.1 膨脹螺栓軸向應力測試

本文使用超聲波測量膨脹螺栓的軸向應力，對不同軸向應力的膨脹螺栓反射回來的超聲波信號進行檢測，其原理如圖1所示，通過螺母緊固圈數或拉拔儀進行拉拔來模擬實現軸向應力的大小，如圖2所示。

圖1 超聲檢測法原理示意

圖2 膨脹螺栓緊固力測試方法

首先，將螺栓固定于夾具上，擰緊螺母，每擰緊1/6圈記錄一次螺栓長度變化，直至螺栓處于緊固狀態；或用拉拔儀拉拔于膨脹螺栓一端，施加力的作用，每增加1 kN記錄一次螺栓長度的變化。其次，將膨脹螺栓打入混凝土結構孔內，通過擰緊螺母對膨脹螺栓進行緊固，每擰緊1/6圈記錄一次螺栓長度變化，直至處于緊固狀態。

1.2 構建膨脹螺栓軸向應力與超聲信號模型

膨脹螺栓所受的載荷力與螺栓伸長量的關系可以通過式（1）計算得到：

通過公式（1），由長度變化量計算得到螺栓所受力作用的大小，就可以對螺栓的工作狀態進行評判。同時，可以模擬膨脹螺栓套筒的張開程度，驗證膨脹螺栓軸向應力對超聲信號特征的影響，建立軸向應力與超聲信號之間的關系。

1.3 比較測量膨脹螺栓軸向載荷力與拉拔力

測試目標膨脹螺栓軸向載荷力與拉拔儀所測示數比較，隨著拉拔力的增加，螺栓長度逐漸伸長，同樣根據式（1）可以計算得到在拉拔力作用下，自身因緊固而產生的載荷力大小。

通過超聲檢測儀對膨脹螺栓伸長量進行測試分析，可以得到載荷力與外界施加的拉拔力差距，如圖5所示，就可以有效地檢測膨脹螺栓的緊固程度。

通過上述步驟確定膨脹螺栓軸向載荷力與拉拔力之后，通過式（1）計算膨脹螺栓完全緊固可以承受的最大應力。根據超聲檢測儀得到的螺栓長度變化從而計算出載荷力大小，后依據載荷力所在范圍判斷脫落風險大小，該范圍一般由試驗確定。

2 基于超聲檢測法檢測膨脹螺栓緊固程度試驗及分析

2.1 膨脹螺栓軸向應力試驗

基于上節所述步驟，本文進行了相應試驗操作，圖3為現場測試情況。

圖3 現場測試

本文根據步驟將規格為M12、M10的2種膨脹螺栓固定于夾具或混凝土結構內，使用超聲檢測儀對膨脹螺栓進行測試。圖4（a）、圖4（b）分別為M12、M10膨脹螺栓隨緊固圈數的增加，螺栓長度的變化曲線。

從圖4可以看出，隨著長度的增加，膨脹螺栓的長度逐漸伸長，在試驗初始階段M12膨脹螺栓緊固圈數在0～2圈之內、M10膨脹螺栓緊固圈數在0～1圈之內時，隨著緊固圈數的增加，長度伸長量變化較小，這是由于初始階段主要作用于螺栓與脹管之間的緊固。隨著螺栓與脹管之間的作用趨于穩定，即M12膨脹螺栓緊固圈數大于2圈、M10膨脹螺栓緊固圈數大于1圈時，緊固作用于螺栓，使得膨脹螺栓的長度伸長隨緊固圈數趨于線性關系。通過式（1），可以得到膨脹螺栓隨著緊固圈數增加，載荷力同長度的變化規律相同。

圖4 膨脹螺栓長度和載荷力隨緊固圈數的變化

圖5（a）、圖5（b）分別為M12、M10膨脹螺栓在拉拔儀的作用力下，隨著拉拔力的增加，螺栓長度的變化規律。

從圖5可以看出，隨著拉拔力的增加，螺栓的長度逐漸伸長，同樣，根據式（1）可以計算得到在拉拔力作用下，螺栓所受載荷力的大小。圖6為膨脹螺栓受到拉拔力的作用發生的外露長度的變化與自身因緊固而產生的載荷力大小的變化。從圖6可以看出，通過超聲檢測儀對膨脹螺栓的伸長量進行測試分析，得到的載荷力與外界的施加的拉拔力差距較小，差值范圍在2 N以內，可以有效地檢測膨脹螺栓的緊固程度。

圖5 膨脹螺栓長度和載荷力隨拉拔力的變化

圖6 膨脹螺栓載荷力與拉拔力的比較

2.2 不同超聲檢測法對膨脹螺栓緊固測試的影響

為了探究電磁超聲檢測與壓電超聲檢測在此次試驗中表現的優劣，采用M12膨脹螺栓分別進行測試。由于M12膨脹螺栓的截面較小，壓電超聲探頭無法有效地固定于膨脹螺栓頂部，很難通過壓電超聲換能器對小直徑的膨脹螺栓進行檢測。同時，超聲在介質中傳播，截面不平整會使得散射較大，能量損失較多，無法進行有效測試，故在測試前需將膨脹螺栓端頭磨平后再進行測試。為了展示2種不同超聲檢測方式在此次試驗檢測中表現的優劣，分別使用電磁超聲與壓電超聲進行了測試分析，結果如圖7所示。

圖7 M12膨脹螺栓電磁超聲檢測與壓電超聲檢測的比較

雖然無接觸式的電磁超聲檢測在實際操作中高效簡便，但從圖7（a）、圖7（b）中可以明顯看出，由于電磁超聲的檢測精度較低而很難檢測到膨脹螺栓長度隨緊固程度變化的規律，而壓電超聲檢測手段目前可達到0.000 1 mm精度，可以精確地檢測膨脹螺栓長度隨緊固程度的變化。

3 結語

基于超聲檢測法對膨脹螺栓緊固程度進行判別，通過超聲波檢測玻璃幕墻與混凝土結構連接用的膨脹螺栓的受力情況，分析膨脹螺栓與周圍混凝土結構間的緊固情況，具有檢測快、準確度高的特點，是一種十分有效的檢測手段。該方法具有對人體無害、對被測物體無損傷等特點。

1）在本次試驗中，使用超聲波測量膨脹螺栓的軸向應力，對不同軸向應力的膨脹螺栓反射回來的超聲波信號進行檢測，軸向應力的大小通過擰緊螺母圈數或拉拔儀拉拔來模擬實現，膨脹螺栓受到外界施加的拉拔力作用，自身因緊固而產生載荷力。通過超聲檢測儀對膨脹螺栓的伸長量進行測試分析，得到載荷力與外界施加的拉拔力差距較小，可以有效地檢測膨脹螺栓的緊固程度。

2）通過本試驗可知，膨脹螺栓的長度對緊固力/緊固程度的依賴程度高，雖然無接觸式的電磁超聲檢測在實際操作中高效簡便，但由于電磁超聲的檢測精度較低而很難檢測到膨脹螺栓長度隨緊固程度的變化規律，而壓電超聲檢測手段目前可達到0.000 1 mm精度，可以精確地檢測出膨脹螺栓長度隨緊固程度的變化。使用壓電超聲檢測方法對膨脹螺栓進行長度測試，不僅可得到螺栓所處的緊固狀態，而且測得的數據具有精度高、效果明顯等優點。但膨脹螺栓直徑不應小于10 mm，且測試前需將頂端磨平。

3）采用相對比較法，在螺栓規格相同的情況下，對電磁超聲信號進行分析比較，得到了判別膨脹螺栓的緊固程度的標準。在膨脹螺栓的長度變化范圍內，從應力上限到應力下限，其緊固程度逐漸由緊固變為自由，而本文在長度變化范圍中劃定A、B、C共3個位置，將膨脹螺栓的長度變化范圍劃為5個區間，其中從應力上限到A值，表示該膨脹螺栓緊固程度很高，沒有脫落風險；從A值到B值，表示該膨脹螺栓處于正常工作狀態，可以正常使用；從B值到C值，表示該膨脹螺栓已經松動，已經具有一定的脫落風險，需要進行維修和保養；從C值到其應力下限值，表示該膨脹螺栓已經無法正常使用，脫落風險很大，需要著手處理避免造成損失。而對于不同型號的膨脹螺栓因其A、B、C值會因材料規格等因素的不同而不盡相同，故后續還需開展試驗和工作，以確定所需測量不同型號膨脹螺栓的A、B、C三個位置對應的長度及力的大小。

通過超聲檢測法對膨脹螺栓工作狀態進行測試與分析，從而評估幕墻玻璃的松動程度和脫落風險，是一種較為理想的檢測手段。