钢结构制造高新技术(钢结构用高强度螺栓连接副试验及技术展望)

高强度螺栓连接作为钢桥连接的重要方式，因其效率高、性能好、安全可靠的优点，在工程领域得到了广泛的应用。

我国从1957年开始研究高强度螺栓连接技术，与工业发达国家相比，起步稍晚，但是在几代科技工作者的不断努力探索下走出了一条自主创新的研究道路。

目前，钢结构大六角高强度螺栓已经形成了从M12～M36的完整体系。施工方法也早已完成了从扭角法到扭矩法的飞跃，与日本、美国、英国等发达国家实力相当，达到了世界先进水平。

钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接等，其中前两种用得多。主要以GB/T1228～1231钢结构用高强度大六角头螺栓连接副，GB/T3632钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副，GB/T32076.1～32076.11预载荷栓接结构连接副，GB/T10433电弧螺柱焊用圆柱头焊钉等国家标准系列制造。

焊接的优点是截面不变、加工方便、可部分自动化操作、连接强度高等;螺栓连接的优点是拆装方便、施工容易。

钢结构工程中很多构件的现场施工连接必须使用高强度螺栓连接，连接优势无法替代。

1、钢结构用高强度螺栓的概况

钢结构高强度螺栓是工业、民用钢结构建（构）筑物的重要组成部分。近些年来随着我国钢结构的迅猛发展，钢结构用高强度螺栓的生产厂家和产量也不断增加，从事钢结构用高强度螺栓检测的机构也越来越多。

但由于一些检测方法不规范或检测设备不适合，造成检测结果的差异和离散较大，致使对产品的质量争议越来越多，给高强度螺栓生产企业和施工企业带来困扰和经济损失、给工程质量造成隐患。

钢结构用高强度大六角头螺栓连接副及扭剪型螺栓连接副，正常连续工作情况下要求必须保证20a以上的使用寿命。

高强度大六角头螺栓连接副及扭剪型螺栓连接副的扭矩系数直接关系到安装过程中高强度螺栓的紧固力，扭矩系数值及标准偏差的不准确会直接导致螺栓连接副紧固力的超拧或欠拧，对工程质量产生影响。

1.1工程应用

高强度螺栓连接分两种类型。现场操作施拧时，为使螺栓连接处板层能更好密贴，螺栓群由中央顺序向外拧紧；整个钢结构工程施拧时，为舒缓应力集中，由厂房中间榀向外围榀顺序施工拧紧。

大六角头型以扭矩扳手作为主要操作工具，由于是高空作业，施拧不方便，但扭剪型以电动扳手作为操作工具，把梅花头扭掉即算完成，施工及检查都方便。

螺栓的选用应依据工程设计要求，一般厂房门式钢架采用大六角头高强度螺栓，高层建筑更多选择扭剪型高强度螺栓。

1.2复检要求

螺栓应按规定进行性能复检，检验合格后使用，严格把好质量关。GB50205-2020《钢结构工程施工质量验收规范》中，进场验收把扭矩系数(大六角头)和预拉力(扭剪型)作为复检项目，JGJ82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》把抗滑移系数作为复检项目。

复检唯一需要注意的是温湿度，建议在温度为15℃～25℃、相对湿度为50%～70%的环境条件下进行。

螺栓连接副的复检按产品标准规定的数量来组批检验，摩擦面抗滑移系数检验批的划分除应考虑高强度螺栓连接副的批量外，还应考虑不同的处理工艺和钢结构用量。

1.3终拧扭矩的检查

根据技术条件，高强度螺栓连接副的终拧扭矩检查应在终拧1h后、24h之内完成。

对每一栓群检测比例按JGJ82-2011是10%，部分桥梁钢结构现在按3%～5%的比例、但不少于1套进行终拧扭矩检查。

检查采用松扣、回扣法进行，在螺栓与螺母及钢板的相对位置划一细直线做出标记，然后将螺母拧松约30°左右，再用检查扳手把螺母重新拧至原来位置(使所划细线重合)，测取此时的扭矩，该扭矩在0.9Tch～1.1Tch视为合格。

Tch按下式计算：Tch=KPd

式中:Tch为检查扭矩，K为连接副扭矩系数，P为设计预拉力，d为螺栓公称直径。

公式中的关键是P，P是设计预拉力，不是施工预拉力！

在现场使用高强度螺栓连接施工质量控制系统，扳手的施拧数据除可以存储在扳手内置的存储卡外，还同步上传到至后方数据服务器。

现场信息输入通过扫描二维码的方式，快捷方便不易出错，系统实现了操作人员、施拧工具、施拧任务3项信息的协同与关联。

2、大六角头高强度螺栓扭矩系数试验

为了保证扭距系数检测准确，每一副连接副只能用一次，不得重复使用，使用轴力机(扭矩系数测试仪)进行，螺栓应随机抽取，每一批连接副需要测试8套，其中需注意每一连接副包括一个螺栓、一个螺母和两个垫圈，并应分属同批制造，分别测出扭矩系数平均值及标准偏差。

在检测螺栓的预拉力P时，同时记录螺母的扭矩值T，按照K=T/(P·d)得出扭矩系数，其中：d是螺栓直径，T是扭矩峰值，选择工具时要考虑扭矩扳手和轴力机的精度。

试验时为使扭矩系数有效，需把预拉力P控制在表1的范围内。检测过程中，垫圈不允许发生转动。按标准规定，扭矩系数为0.110～0.150，标准偏差不大于0.010。

表1大六角头高强度螺栓预拉力范围(单位：kN)

3、扭剪型高强度螺栓预拉力试验

试验使用轴力机(或测力环)进行，每批样品随机抽取8套连接副，每套试样只能一次性使用，测出预拉力平均值和标准偏差。

每个连接副的试验分为初拧和终拧两个步骤，第一步骤使用手动扭矩扳手，拧到标准值的一半，第二步骤使用专用电动扳手，把梅花头拧掉之前的峰值记为预拉力值。扭剪型高强度螺栓安装示意图,见图1。

组装连接副时螺栓头下的垫圈有倒角的一面应朝向螺栓头，螺母下的垫圈有倒角的一面应朝向螺母支承面。垫圈倒角的方向、仪器误差要达标、垫圈不允许转动。

表2是各种规格的螺栓对应的扭剪型高强度螺栓紧固预拉力和标准偏差值。

轴力机误差不得大于测定螺栓的2%；显示在测定值在轴力的1%。扭力扳手误差不大于测试扭距值的1%；显示值在9.8N·m以下。

表2扭剪型高强度螺栓紧固预拉力和标准偏差(单位：kN)

预拉力的检测柱筒式压力传感器

预拉力的检测垫片式压力传感器

预拉力的检测螺栓贴应变片

预拉力的检测超声波

4、抗滑移系数试验

抗滑移系数是钢结构设计中由高强度螺栓连接后钢板之间摩擦面的重要指标。

试验的组批要综合考虑钢板材质、摩擦面的加工工艺、螺栓的强度等级等因素，不同因素的组合需分别试验，试样可由钢构厂或现场制作方来完成。

抗滑移系数试验样品图（见图2所示），钢板厚度t1、t2，孔直径b0，板宽b，要求2t2≥t1，按照螺栓规格来选择合适的板宽，M16、M20采用100mm宽，M22采用105mm宽，M24采用110mm宽，M27、M30采用120mm宽。试件板面应平整、无油污，孔和板的边缘无飞边、毛刺。

抗滑移系数的大小取决于工程构件的摩擦面，钢结构标准中对构件的表面处理方法很多，常见的有喷砂、抛丸。

抗滑移系数在工程的钢结构设计总说明中由设计单位综合各种因素后给出，例如，一般钢结构厂房规定，摩擦面采用喷砂(抛丸)后生红锈处理，Q235钢的抗滑移系数为0.45，Q345钢的抗滑移系数为0.50。

5、存在的问题及展望

5.1施工方法

施工中的欠拧和超拧是引发高强度螺栓发生事故的重要原因。

高强度螺栓的欠拧会导致连接部位预紧力不足，若节点处的摩擦力小于设计值，则节点会发生滑移，从而改变桥梁或建筑的线形和预拱度，导致杆件的内力与设计内力出现严重偏差，影响结构安全。

高强度螺栓的超拧会导致螺栓的延迟断裂、脱落。在我国，钢桥或建筑架设后发生过多次高强度螺栓断裂脱落的现象，高强度螺栓脱落不仅对结构连接带来隐患，而且如果脱落螺栓位于线路上方还会击打高速行驶的列车，引发严重行车事故。

在施工中，保证高强度螺栓的拧紧轴力尽可能接近设计轴力很重要。

目前高强度螺栓施工方法主要还是沿用20世纪90年代的技术，它包括初拧、复拧、终拧、检查等。

该方法操作繁琐复杂，受当时科研技术水平和施工工具的限制，各个步骤都存在不可避免的误差(如输出扭矩标定中存在轴力计与实际连接钢板的刚度误差，施拧过程电压的波动误差、齿轮润滑状态的误差等)，并且施工质量很大程度上受人为因素和现场施工条件因素的制约，高强度螺栓的施工精度较差，可靠性不高，施工效率较低，施工工期较大，且施工质量难以确保。

未来高强度螺栓施工发展的重要方向是简化施工操作步骤，降低人为因素和环境因素对施工的影响;通过科学管理和规范施工，避免高强度螺栓在施工过程中欠拧和超拧问题，降低螺栓断裂脱落发生的概率，提高施工效率。

5.2螺栓表面处理工艺

高强度螺栓施工主要采用的方法是扭矩法。高强度螺栓连接副扭矩系数是保证高强度螺栓预紧轴力准确的重要因素。而高强度螺栓生产厂主要采用特殊表面处理工艺来达到该标准。

对于目前的表面处理工艺而言，随着环境温度和湿度的改变，高强度螺栓连接副的扭矩系数也会变化。

因此，温度和湿度变化会导致扭矩系数离散，使得高强度螺栓的预紧轴力离散，这种离散现象在高强度螺栓施工中是很难控制的。

对于钢结构螺栓，表面润滑依靠螺母、垫圈的表面磷皂化保证，扭矩系数也同时靠其来保证，扭矩系数通常为0.11～0.15。而表面采用达克罗涂层，扭矩系数要靠安装时涂MoS2来保证，按照目前国内使用MoS2的情况，如果螺纹表面及垫圈的作用面上都均匀地涂上MoS2，扭矩系数一般取值0.08～0.13。而如果只在螺纹表面涂上MoS2，扭矩系数值则会相应地略有提高，螺栓的直径越大，提高越明显。

因此，研制出扭矩系数不受温度和湿度影响新型的表面处理工艺，是高强度螺栓未来的发展方向。

5.3螺栓的锈蚀

由于所处环境温度和湿度反复变化，高强度螺栓处于一个腐蚀环境中。腐蚀很容易削弱螺杆的有效截面，导致螺杆折断、栓钉脱落现象。

延迟断裂产生的主要原因是应力腐蚀和氢脆。

另外，高强度螺栓钢材中的非金属夹杂物及加工和搬运过程中产生的磕碰，会在缺陷处产生应力腐蚀而造成延迟断裂。

为了防止高强度螺栓的锈蚀，通常采用表面处理的方法进行防锈，主要有磷皂化处理、电镀锌、热浸锌、达克罗等方法。

磷皂化处理方法主要用于高强度螺栓储存时短期防锈，有效期一般只有半年时间。

经电镀锌、热浸锌和达克罗方法处理后虽然耐锈蚀性能很好，但在施工时需要在螺栓表面涂抹润滑剂，容易造成预紧力的离散，影响施工质量。

表面处理存在诸多缺点，因此针对高强度螺栓从材质上防锈的研究就更加迫切而重要。

不锈钢螺栓它能够解决普通螺栓的锈蚀问题,但不锈钢材质本身强度较低的局限性，故不易用来制作高强度螺栓。

从材料角度来解决高强度螺栓锈蚀问题，耐候钢高强度螺栓是未来发展的一个重要方向。

5.4栓群的受力

在近年新建的钢桥中，桥梁的跨度较大，承受的荷载在不断增加，大部分高强度螺栓都采用了目前螺栓的最大规格M36，而且数量巨大。

以某大桥为例，采用M30螺栓布置了12排，共使用768颗。科研资料显示螺栓接头的受力分布为马鞍形，受力最大的位置是第1排，此后逐排递减，排数过多对栓群的受力往往不利。

如果能将螺栓的直径增大，增加单个螺栓的预紧力，将大大减少螺栓数量和现场施拧的工作量，并节约工程资金。

随着钢材冶炼和轧制水平的发展，我国在高强度和高淬透性方面的技术不断增强，使得大直径钢结构螺栓的研制成为可能。

6、螺丝君经验与总结

1)螺栓连接在钢结构制作中的作用越来越重要，在焊接施工有困难的部位，尤其是现场施工中，焊接质量无法保证时，应尽量设计成高强螺栓连接。

2)钢结构在工厂制作的构件，在运输过程中极易因螺栓连接的摩擦面起变化而导致抗滑移系数降低。

预防措施是出厂前抛丸处理好，保证粗糙度，严禁涂油漆，并做好摩擦面防护。

3)试验所用钢板、螺栓等均取自工程进货的相应批次，以及采用与钢结构制作相一致的生产工艺，试验结果才具有参考价值。

4)螺栓试验时受人为因素影响，其中抗滑移系数试件是否严格按推荐尺寸加工，影响到摩擦面的接触面积是否满足设定值，而判定摩擦面是否已经滑移的时机，直接关系到滑移载荷是否存在异常偏差。

对此，紧固件供应商应严格按照标准规定来进行扭矩系统、预拉力、抗滑移系数的试验，试验过程中样品准备、试验条件、试验操作等都是关键。应避免人为因素干扰，提高试验结果的准确度。

在施工现场安装、减少高空操作，提高智能化、自动化施工，让高强度螺栓连接成为提高钢结构质量的重要手段。

随着基础设施建设的迅猛发展，钢结构高强度螺栓连接面临着更大的机遇和挑战。

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