崔江華周 穎張海輝

（1 廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司）

（2 廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司）

（3 廣州市盛通建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的繁榮發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程由于其美觀簡約、施工速度快、用途廣泛等獨特的優(yōu)點，在基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)與民用建筑中的應用日益廣泛，例如在公路橋梁和鐵路、鍋爐、工業(yè)工廠、高層建筑、起重機等民用和工業(yè)工程設(shè)施建設(shè)中，大六角頭高強螺栓連接副作為連接的主要材料，得到了廣泛的應用。

扭矩系數(shù)是反映高強螺栓擰緊過程中扭矩與軸力關(guān)系的技術(shù)指標，是高強度大六角頭螺栓連接副的主要性能[1]。扭矩系數(shù)關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)緊固件的質(zhì)量與使用壽命，是鋼結(jié)構(gòu)材料進場、驗收的重要指標[2]。近年來，在高強度大六角頭螺栓扭矩系數(shù)試驗檢測過程中，發(fā)現(xiàn)存在很多影響工程質(zhì)量和試驗檢測數(shù)據(jù)真實性的因素。本文通過對不同情況下螺栓接連副扭矩系數(shù)的試驗，研究了影響扭矩系數(shù)的多種因素，可為大六角頭高強螺栓連接副的生產(chǎn)、運輸、貯存、施工、送樣、檢測提供有益的技術(shù)參考。

1 試驗

1.1 設(shè)備選擇

YJZ-500S 型高強螺栓軸力扭矩復合檢測儀：軸力范圍（50～1000）KN，精度±1%；扭矩范圍（100～1000）Nm,精度±1%。

扭矩扳手、扭矩傳感器等。

1.2 試驗測試樣品

取某廠家生產(chǎn)的同一批次，規(guī)格型號為M20×100的鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓連接副。按標準GB/T1231-2006 的要求每1 組高強螺栓連接副8 套，每套連接副包括2個墊圈，以及螺栓、螺母各1個。

1.3 環(huán)境條件

試驗在室溫（10℃～35℃）下進行，試驗所用的儀器、設(shè)備、試驗樣品均應放置在該環(huán)境內(nèi)≥2小時。

1.4 試驗步驟

按標準GB/T1231-2006 第4.4 條款的規(guī)定進行試驗。

1.4.1 樣品安裝就位時注意事項

連接副各組成部分（螺栓、螺母、墊圈）均只能試驗1次，不能重復試驗；

連接副放入墊圈、螺母時，需仔細檢查正反方向，謹防錯放，螺母支承面（圓柱臺面）朝向主機前擋板，標有等級字樣的面朝向試驗人員；一個墊圈有倒角面的一側(cè)應朝向螺母，另一個墊圈有倒角面的一側(cè)應朝向螺栓頭部。

1.4.2 試驗加載

大六角頭螺栓連接副試驗，將扭矩傳感器套在扭矩扳手上，用扳手對螺栓進行初擰，初擰扭矩為終擰扭矩的50%。

對8 套連接副按標準規(guī)定，逐個進行試驗加載，直到全部試驗完成，記錄試驗數(shù)據(jù)，計算該組連接副的平均軸力、平均扭矩、平均扭矩系數(shù)、標準偏差和變異系數(shù)等。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 螺栓螺紋完好與否的影響

分別取2組螺栓連接副，其中，1組螺栓完好，1組螺紋輕微破損，兩組連接副的扭矩系數(shù)試驗結(jié)果見表1。從表1 可知，螺紋破損的螺栓連接副，其扭矩系數(shù)平均值及標準偏差與完好的相比，偏差較大。這是因為，當螺栓螺紋被破壞后，所需施擰的扭矩會增大，扭矩系數(shù)也相應增大。所以要求高強度螺栓連接副在運輸或裝卸過程中需要包裝保護好，否則會因螺母無法鎖緊而導致連接副失效。

表1 螺紋完好和破損狀態(tài)下的扭矩系數(shù)

2.2 扭轉(zhuǎn)扳手加載試驗速度的影響

分別取2組螺栓連接副，其中，1組扭轉(zhuǎn)扳手勻速加載，1 組扭轉(zhuǎn)扳手快速加載。兩組連接副扭矩系數(shù)的試驗結(jié)果見表2。從表2可知，勻速加載、快速加載兩者的試驗結(jié)果差異較大。這是因為扭矩扳手加載速度不均勻，會影響檢測結(jié)果。一些檢測員為了追求效率，會快速加載，造成結(jié)果偏差。如果檢測人員能夠以適當且以勻速的速度來加載，就可得到符合要求、數(shù)據(jù)穩(wěn)定的扭矩測量值。

表2 螺栓扭轉(zhuǎn)扳手勻速加載和快速加載狀態(tài)下的扭矩系數(shù)

2.3 高強螺栓磷化膜風化的影響

分別取2 組螺栓連接副，其中1 組螺栓完好，1 組螺栓磷化膜風化，兩組連接副扭矩系數(shù)的試驗結(jié)果見表3。從表3 可知，螺栓螺紋磷化膜風化的扭矩系數(shù)增大，離散度也有增大的趨勢。這是因為螺栓螺紋磷化膜風化會增大螺紋的摩擦因數(shù)，從而導致所需施加的扭矩增大，扭矩系數(shù)相應增大。因此在連接副運輸、組裝過程中，要防止連接副外包裝破損；在連接副保管過程中，應保證連接副處于密閉狀態(tài)，嚴禁裸露在空氣中；存放處地面應采取防潮措施，防止空氣中的潮氣導致螺栓銹蝕，影響扭矩系數(shù)。

表3 螺栓完好與磷化膜風化狀態(tài)下的扭矩系數(shù)

2.4 檢測環(huán)境的影響

分別取3組螺栓連接副，其中，1組從室外32℃的環(huán)境里把螺栓流轉(zhuǎn)進試驗室直接進行試驗，1 組螺栓放在試驗室23℃的環(huán)境里2 小時以上，1 組從10℃的環(huán)境里把螺栓流轉(zhuǎn)進試驗室直接進行試驗。3 組連接副扭矩系數(shù)的試驗結(jié)果見表4。

從表4 可知，螺栓在低溫狀態(tài)下扭矩系數(shù)相對偏低，扭矩系數(shù)偏差較大；螺栓在高溫狀態(tài)下扭矩系數(shù)相對偏高，扭矩系數(shù)偏差較大；螺栓在試驗室恒溫狀態(tài)與高、低溫狀態(tài)下對比，扭矩系數(shù)和偏差數(shù)值穩(wěn)定。這是因為隨著溫度從低到高，扭矩系數(shù)會隨著溫度的變化而變化，根據(jù)熱脹冷縮的原理，螺栓扭矩系數(shù)在恒溫狀態(tài)下會相對穩(wěn)定。標準GB/T1231-2006 中規(guī)定試驗所用的機具、儀表及連接副均應放置在室溫至少 2h 以上[1]。

表4 螺栓連接副環(huán)境溫度不同時的扭矩系數(shù)

2.5 墊圈正反安裝的影響

分別取2組螺栓連接副，其中，1組正確安裝螺栓墊圈，組裝連接副時，螺母下的墊圈有倒角的一側(cè)朝向螺母支撐面；1 組螺栓墊圈反著安裝，組裝連接副時，螺母下的墊圈有倒角的一側(cè)背對著螺母支撐面。2 組連接副扭矩系數(shù)的試驗結(jié)果見表5。

從表5 可知，扭矩系數(shù)均值差別不大，但是墊圈反裝的連接副扭矩系數(shù)偏差差別大。這是因為墊圈放反會造成摩擦力減小，質(zhì)量差的同時還會使墊圈變形，無法恢復，失去功能。墊圈的目的是增加摩擦力，防止松動，所以墊圈一定要正確安裝使用。

表5 螺栓墊圈正裝與反裝狀態(tài)下的扭矩系數(shù)

2.6 連接副重復使用的影響

分別取2組螺栓連接副，其中，1組螺栓完好未使用過，1 組螺栓已使用安裝過，兩組連接副扭矩系數(shù)的試驗結(jié)果見表6。從表6 可知，使用安裝過的連接副扭矩系數(shù)增大并離散。這是因為在施加擰緊扭矩的過程中，螺栓螺紋與螺母接觸面經(jīng)受了高強度的摩擦，螺栓螺紋和螺母接觸面粗糙度都發(fā)生了的變化，因此摩擦系數(shù)也產(chǎn)生變化。高強螺栓連接副在用同樣的扭矩擰緊時，質(zhì)量差的可能產(chǎn)生更大的拉伸力，從而導致螺栓拉斷、變形等；在拆卸的過程中也需要較大的扭矩才能松開螺母，扭矩可能把螺栓扭剪變形。高強螺栓一般用在比較重要的連接位置，重復使用風險很高，因此高強螺栓不能重復使用。

表6 螺栓未使用過與螺栓使用過的狀態(tài)下的扭矩系數(shù)

2.7 螺栓不同預拉力的影響

分別取3 組螺栓連接副，M20 高強度大六角頭螺栓扭矩系數(shù)預拉力范圍值在153kN～187kN 之間，其中，1組螺栓扭矩系數(shù)預拉力值為154kN，1 組螺栓扭矩系數(shù)預拉力170kN,1 組螺栓扭矩系數(shù)預拉力值為186kN。3組螺栓連接副扭矩系數(shù)的試驗結(jié)果見表7。

從表7可知，預拉力值在154KN、170KN、186KN時，扭矩系數(shù)區(qū)別不大；預拉力在中間值時扭矩系數(shù)偏差較低，相對另兩組較穩(wěn)定。這是因為隨著預拉力值增加，施擰的扭矩隨之增長。要求較高的試驗建議取預拉力中間值來進行扭矩系數(shù)試驗。

表7 螺栓不同預拉力扭矩系數(shù)狀態(tài)下的扭矩系數(shù)

3 結(jié)論

影響扭矩系數(shù)的主要要素有：螺栓螺紋完好狀況、試驗加載速度、螺栓磷化膜風化情況、檢測環(huán)境、螺栓墊圈正反安裝狀況、螺栓連接副重復使用的狀況、螺栓預拉力等，試驗結(jié)果表明：

⑴螺栓的螺紋破損、扭轉(zhuǎn)扳手快速加載、螺栓磷化膜風化、墊圈反裝、螺栓連接副重復使用均會導致扭矩系數(shù)平均值偏大，影響檢測結(jié)果準確性，其中以螺紋破損影響最大，偏大達11.1%；同時該5種情況均導致扭矩系數(shù)標準偏差偏大，顯示這些因素導致樣品差異性增大。

⑵環(huán)境溫度對扭矩系數(shù)平均值影響較小，在10℃～32℃范圍內(nèi)，試驗結(jié)果差異在3%以下；標準偏差則差異較大，23℃時標準偏差最小。

⑶預拉力對矩系數(shù)平均值影響很小，在標準允許的預拉力范圍內(nèi)，平均值的差異基本可以忽略；標準偏差則差異較大，在標準允許范圍的中值處最小。