趙健，馮冠宙

（1.中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 100089；2.呼和浩特市市政建設(shè)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 工程概況

以某橋梁工程作為研究對(duì)象，其主橋設(shè)計(jì)為重力式錨索橋，主橋長(zhǎng)度為680m。錨桿與錨桿之間、錨桿與錨梁之間的連接全部使用高強(qiáng)螺栓，實(shí)際施工過(guò)程中需要配備21 300 套高強(qiáng)螺栓。施工地點(diǎn)所在地區(qū)為熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，每年5 月至9 月為干旱季節(jié)，該時(shí)間段內(nèi)的溫度保持在9～26℃，10 月至次年4 月為多雨時(shí)節(jié)，溫度保持在28～40℃。該區(qū)域內(nèi)的平均溫度為22.72℃，干旱季節(jié)空氣濕度較低。

該項(xiàng)目所在地流域水位波動(dòng)較大，日間與夜間的溫差、濕度波動(dòng)較大。本文使用專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量不同溫度、濕度環(huán)境下扭矩系數(shù)的變化情況，然后分析測(cè)量數(shù)據(jù)，總結(jié)出變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上制定施工質(zhì)量提升措施。

2 扭矩系數(shù)的概念及理論分析

在擰緊扭矩T的作用下，連接構(gòu)件與螺栓之間會(huì)形成一個(gè)軸向預(yù)緊作用力F，將螺紋直徑定義為d，那么扭矩系數(shù)K的表達(dá)式為：

式（1）中：K為高強(qiáng)螺栓的扭矩系數(shù)，可以反映螺栓的扭矩與預(yù)緊力的關(guān)聯(lián)性[1]。

由此建立以下表達(dá)式：

式（2）中：P為螺紋牙距（mm）；β為螺紋牙型半角（°）；μb為螺紋的摩擦系數(shù)；r2為螺紋的中徑，mm；μn為螺母與支撐面間的摩擦系數(shù)；rn為螺母與支撐面之間的摩擦半徑（mm）。

結(jié)合式（1）和式（2）分析，影響扭矩系數(shù)K的有兩組變量：一組是摩擦系數(shù)變量[2]；另一組是螺紋的參數(shù)變量[3]。以螺栓連接結(jié)構(gòu)而言，因連接件的摩擦系數(shù)存在波動(dòng)性，無(wú)法精準(zhǔn)估測(cè)摩擦系數(shù)值，所以即便理論層面建立了扭矩系數(shù)表達(dá)式，也無(wú)法利用該表達(dá)式計(jì)算出精準(zhǔn)的扭矩系數(shù)，且擰緊螺栓連接件時(shí)，螺紋的技術(shù)參數(shù)變量仍然處于波動(dòng)狀態(tài)?，F(xiàn)階段，我國(guó)大部分的機(jī)械設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)所提供的扭矩系數(shù)推薦使用數(shù)值是設(shè)計(jì)人員提供的一個(gè)概數(shù)。結(jié)合摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，本文選擇了不同尺寸的螺栓展開(kāi)深入分析，以構(gòu)建能表征扭矩系數(shù)K與摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)性的表達(dá)式。

3 扭矩系數(shù)影響因素的試驗(yàn)研究

結(jié)合前文闡述發(fā)現(xiàn)，影響螺紋、摩擦系數(shù)、螺紋幾何參數(shù)的因素也會(huì)對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)造成影響。部分學(xué)者對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)影響因素進(jìn)行長(zhǎng)期研究后取得了一定的成果。有的學(xué)者針對(duì)連接件的擰緊速度、多次擰緊、螺栓表面涂層厚度對(duì)螺栓扭矩系數(shù)的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示：涂層厚度增大能有效減小螺栓的摩擦系數(shù)，間接減小扭矩系數(shù)的數(shù)值。還有的學(xué)者在分析扭矩系數(shù)、摩擦系數(shù)的影響因素時(shí)，著重分析了潤(rùn)滑劑，所選擇的潤(rùn)滑劑主要有潤(rùn)滑油、薄膜以及潤(rùn)滑脂三種。有的學(xué)者則探討了潤(rùn)滑條件、支撐面材質(zhì)、表面處理效果對(duì)扭矩系數(shù)的影響。也有學(xué)者將研究重心放在汽車(chē)連接件摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性方面。需要注意的是，上述試驗(yàn)均在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。

國(guó)內(nèi)學(xué)者多研究的是15～45℃下螺栓扭矩系數(shù)的變化規(guī)律。若室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境差異非常大，環(huán)境溫度、濕度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致螺栓的扭矩系數(shù)發(fā)生變化，其中不得忽視高強(qiáng)螺栓連接結(jié)構(gòu)造成的影響。

3.1 環(huán)境溫度和濕度對(duì)扭矩系數(shù)的影響

3.1.1 試驗(yàn)器材

可用的扭矩系數(shù)測(cè)量設(shè)備有：軸力測(cè)量?jī)x、扭矩測(cè)量?jī)x、軸力儀、電動(dòng)扳手、溫度測(cè)量計(jì)、濕度計(jì)、砂紙、高強(qiáng)螺栓等。

3.1.2 試驗(yàn)方案

在正式試驗(yàn)之前，提前兩周持續(xù)測(cè)量并記錄施工區(qū)域7：00—22：00 的溫度、濕度，收集到的測(cè)量信息如表1所示。

表1 不同溫濕度下測(cè)定扭矩系數(shù)的方案

3.1.3 扭矩系數(shù)測(cè)定

每次試驗(yàn)需準(zhǔn)備8 套高強(qiáng)螺栓連接件，放到特定溫濕度環(huán)境下30min。通過(guò)扭矩系數(shù)試驗(yàn)計(jì)算出扭矩系數(shù)平均值，然后接通扭矩檢測(cè)儀器與軸力檢測(cè)儀器的電源，之后按下歸零按鈕，保證儀表的指針處于“0”位。扭矩系數(shù)檢測(cè)儀采用的是峰值保持模型，軸力檢測(cè)儀則不必應(yīng)用這種檢測(cè)方式。將螺栓與適配器放置到傳感器中，扭矩系數(shù)檢測(cè)儀與墊圈之間放置砂紙，避免墊圈出現(xiàn)松動(dòng)。用扭矩扳手控制儀按下控制按鈕，設(shè)備會(huì)自動(dòng)開(kāi)始擰緊，扳手停止作業(yè)后，扭矩檢測(cè)儀將檢測(cè)結(jié)果顯示在屏幕上，軸力檢測(cè)儀顯示的數(shù)值為軸力值。結(jié)合這兩個(gè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出螺栓的扭矩系數(shù)。按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，扭矩系數(shù)應(yīng)保持在0.11～0.15，合理偏差不能超過(guò)0.01。

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同溫度、濕度環(huán)境下檢測(cè)到的扭矩系數(shù)波動(dòng)曲線如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)的影響

分析圖1 可知，若環(huán)境濕度穩(wěn)定，螺栓的扭矩系數(shù)K將隨著環(huán)境溫度升高而減小，當(dāng)溫度保持在20～35℃時(shí)，溫度每提升10℃，K值將下降6.96%左右。

在環(huán)境溫度穩(wěn)定的情況下，當(dāng)相對(duì)濕度在20%～60%時(shí)，扭矩系數(shù)隨著相對(duì)濕度的變化波動(dòng)不大；當(dāng)相對(duì)濕度在60%～90%時(shí)，隨著相對(duì)濕度的提升，扭矩系數(shù)緩慢減??；當(dāng)相對(duì)濕度＞80%時(shí)，扭矩系數(shù)明顯減小，減小幅度達(dá)4%～6%。由此可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在環(huán)境濕度穩(wěn)定的情況下，螺栓的扭矩系數(shù)K值會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而減?。?/p>

（2）在環(huán)境溫度穩(wěn)定的情況下，螺栓的扭矩系數(shù)K值會(huì)隨著環(huán)境濕度的升高而減小。

（3）若溫度與濕度都升高，螺栓的扭矩系數(shù)K值將減小，當(dāng)相對(duì)濕度小于60%時(shí)，K值受溫度影響更大；當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)80%后，K值則主要受濕度變化的影響。

3.2 力矩加載速度對(duì)扭矩系數(shù)的影響

利用計(jì)算機(jī)調(diào)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓擰緊的力矩速度的控制。試驗(yàn)時(shí)，必須確保螺栓擰緊過(guò)程中其他影響因素處于穩(wěn)定狀態(tài)，且螺栓、墊片及螺母為同一批次生產(chǎn)。螺栓持續(xù)進(jìn)行三次加載操作，一旦傳感器顯示數(shù)據(jù)，試驗(yàn)人員應(yīng)立即記錄。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 改變力矩加載速度的扭矩系數(shù)

由表2 可知，如果環(huán)境條件相同，扭矩系數(shù)受力矩加載速度改變的影響非常小。三次加載作用下，扭矩系數(shù)逐漸增大，其變化規(guī)律比較明顯。因此，螺栓在首次擰緊時(shí)螺紋會(huì)出現(xiàn)塑性變形，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)表面磨損現(xiàn)象，這種現(xiàn)象直接造成第二次、第三次加載以后扭矩系數(shù)一直加大。

3.3 墊片厚度對(duì)扭矩系數(shù)的影響

螺栓與墊片之間的摩擦系數(shù)會(huì)對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)造成影響，而僅墊片厚度本身不會(huì)影響螺栓的扭矩系數(shù)。但是螺栓在擰緊時(shí)墊片肯定會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形，從而對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)造成影響。在保證其他工況條件不變的情況下，改變墊片厚度，同時(shí)保證使用同一批次的螺栓、螺母、墊片，墊片對(duì)扭矩系數(shù)的影響如表3所示。

如其他條件保持穩(wěn)定，不同厚度墊片對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)的影響結(jié)果如表3所示。

表3 墊片對(duì)扭矩系數(shù)的影響

通過(guò)表3 可知，1.7mm 和0.7mm 厚度的墊片對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)有明顯的影響。進(jìn)一步來(lái)看。對(duì)1.7mm的墊片持續(xù)加載三次，螺栓的扭矩系數(shù)雖然呈增大的趨勢(shì)，但變化微小。對(duì)其中一個(gè)1.7mm 厚的墊片繼續(xù)進(jìn)行第四、第五次加載，扭矩系數(shù)分別為0.24、0.26。通過(guò)該試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，若對(duì)螺栓持續(xù)加載，螺栓的扭矩系數(shù)會(huì)繼續(xù)增大。究其原因，主要是墊片的彈性變形使得塑性變形減小，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓的扭矩系數(shù)持續(xù)增大。

1.7mm 厚的墊片與0.7mm 厚的墊片對(duì)扭矩系數(shù)有明顯影響。1.7mm 厚的墊片連續(xù)加載三次，扭矩系數(shù)也有增大的趨勢(shì)，但變化十分微小。根據(jù)此現(xiàn)象對(duì)其中一個(gè)1.7mm 厚的墊片繼續(xù)進(jìn)行第四、第五次加載，扭矩系數(shù)分別為0.24、0.26。

結(jié)合1.7mm、0.7mm 厚度墊片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，1.7mm 厚度墊片的螺栓扭矩系數(shù)明顯小于0.7mm 厚度的墊片。所以，如果條件允許，應(yīng)優(yōu)先考慮使用厚墊片。

3.4 墊片潤(rùn)滑油對(duì)扭矩系數(shù)的影響

連接螺栓時(shí)，在條件允許的情況下使用厚墊片能夠提升軸向力，從而保護(hù)螺栓，但是墊片與連接件、墊片與螺栓頭之間的摩擦作用力會(huì)對(duì)螺栓扭矩系數(shù)造成影響。鑒于此，在連接螺栓時(shí)應(yīng)涂刷潤(rùn)滑油。墊片潤(rùn)滑油對(duì)扭矩系數(shù)影響的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 墊片有無(wú)潤(rùn)滑對(duì)扭矩系數(shù)的影響

由表4 可知，對(duì)墊片涂刷潤(rùn)滑油，在施擰扭矩相同的情況下，螺栓的扭矩系數(shù)會(huì)增大，軸向力會(huì)減小。潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)支撐面的摩擦系數(shù)造成影響，造成扭矩一致時(shí)螺栓扭矩系數(shù)變小。

3.5 手?jǐn)Q緊力矩與擰緊轉(zhuǎn)角的關(guān)系

在連接螺栓的過(guò)程中，預(yù)緊力的變化較大且這種變化無(wú)規(guī)律可循，無(wú)法通過(guò)直觀觀察總結(jié)。在擰緊螺栓時(shí)，可以利用旋轉(zhuǎn)編碼器確定扭矩。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后得出：當(dāng)試驗(yàn)的技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化后，螺栓的扭矩系數(shù)波動(dòng)較小。

不同試驗(yàn)條件下連續(xù)加載三次，扭矩的轉(zhuǎn)角變化均穩(wěn)定且相同。其中，第一次加載的扭矩角度最大，第二次、第三次相對(duì)減小。這直接反映出螺栓連接過(guò)程中第一次擰緊操作時(shí)產(chǎn)生的軸向力最大。

通過(guò)對(duì)三種不同試驗(yàn)條件的比較分析得出：墊片潤(rùn)滑油的施擰扭矩為10N·m 時(shí)，轉(zhuǎn)角為63°，此時(shí)的轉(zhuǎn)角為三種試驗(yàn)條件下最小的，螺栓扭矩系數(shù)也最??；在正常試驗(yàn)條件下，首次轉(zhuǎn)角與第二次、第三次轉(zhuǎn)角之間的差異非常大，這直接反映出螺紋的塑性變形較大。在使用1.7mm 厚度墊片時(shí)，曲線幾乎為一條直線，并且前兩次加載轉(zhuǎn)角之間相差20°，說(shuō)明只有當(dāng)螺紋塑性變形非常小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)上述情況。

3.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合前文的分析以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，螺栓在首次擰緊時(shí)產(chǎn)生的軸向力最大，之后每次擰緊軸向力都在減小。究其原因，主要是螺栓連接過(guò)程中螺紋會(huì)在摩擦作用力與壓緊作用力的影響下出現(xiàn)塑性變形。

螺母與螺栓連接的全過(guò)程大致分為貼合、擰緊、終擰三階段。貼合階段，螺栓連接過(guò)程中螺紋會(huì)對(duì)連接質(zhì)量造成一定影響，這也是螺栓首次擰緊時(shí)轉(zhuǎn)角最大的主要原因。螺栓連續(xù)加載時(shí)其扭矩系數(shù)不斷減小的主要原因是螺紋產(chǎn)生了塑性變形。

通過(guò)對(duì)不同施力速度進(jìn)行試驗(yàn)后得出，施力速度對(duì)螺紋連接的影響較小。當(dāng)加載的速度增大時(shí)，螺栓的瞬時(shí)慣性扭矩會(huì)增大，但是螺栓的實(shí)際扭矩會(huì)變小，而實(shí)際扭矩減小，則螺栓的軸向力也減小，所以并不會(huì)對(duì)螺栓的扭矩系數(shù)造成影響。

通過(guò)對(duì)不同厚度墊片的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，厚墊片相較之薄墊片，首次加載的過(guò)程中厚墊片的扭矩系數(shù)小，但軸向力更大。進(jìn)一步來(lái)看，在第二次與第三次加載時(shí)，不同厚度的墊片下螺栓的扭矩系數(shù)差異較大，其中薄墊片的扭矩系數(shù)明顯增大，厚墊片的扭矩系數(shù)則波動(dòng)較小。究其原因，主要是厚墊片的彈性模量更大，促使墊片的彈性變形量變大。

在擰緊螺栓時(shí)，螺紋間將出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓連接時(shí)軸向力減小，但是彈性變形則導(dǎo)致軸向力增大，此外，墊片的彈性變形也會(huì)導(dǎo)致螺紋的軸向力變大。在連接螺栓時(shí)，螺紋與墊片受到的作用力是相同的。因此，厚墊片受到的軸向力超過(guò)薄墊片的軸向力，是因?yàn)楹駢|片的彈性變形量比薄墊片大。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，影響螺栓扭矩系的因素非常多，如螺紋的摩擦系數(shù)、支撐面的摩擦系數(shù)等。在研究螺栓的扭矩系數(shù)影響因素時(shí)，應(yīng)將如何減小螺栓的扭矩系數(shù)值、提高螺栓的穩(wěn)定性作為重點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)螺栓扭矩系數(shù)影響因素的研究主要集中在螺紋表面摩擦系數(shù)、潤(rùn)滑油、擰緊速度、螺紋的規(guī)格等方面，而很少有對(duì)環(huán)境溫度、濕度方面的影響進(jìn)行研究。本文對(duì)環(huán)境溫度、濕度與螺栓扭矩系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，可以為螺栓擰緊作業(yè)提供科學(xué)的理論依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，降低螺栓扭矩系數(shù)重復(fù)檢查次數(shù)，保證螺栓連接作業(yè)的安全與穩(wěn)定。