鋼結構工程用高強度大六角頭螺栓連接副扭矩系數影響因素試驗研究

崔江華周 穎張海輝

（1 廣東省建設工程質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 廣州市盛通建設工程質量檢測有限公司）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的繁榮發展，鋼結構工程由于其美觀簡約、施工速度快、用途廣泛等獨特的優點，在基礎設施、工業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、工業工廠、高層建筑、起重機等民用和工業工程設施建設中，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。

扭矩系數是反映高強螺栓擰緊過程中扭矩與軸力關系的技術指標，是高強度大六角頭螺栓連接副的主要性能[1]。扭矩系數關系到鋼結構緊固件的質量與使用壽命，是鋼結構材料進場、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試驗檢測過程中，發現存在很多影響工程質量和試驗檢測數據真實性的因素。本文通過對不同情況下螺栓接連副扭矩系數的試驗，研究了影響扭矩系數的多種因素，可為大六角頭高強螺栓連接副的生產、運輸、貯存、施工、送樣、檢測提供有益的技術參考。

1 試驗

1.1 設備選擇

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

取某廠家生產的同一批次，規格型號為M20×100的鋼結構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 環境條件

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

1.4 試驗步驟

按標準GB/T1231-2006 第4.4 條款的規定進行試驗。

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應朝向螺母，另一個墊圈有倒角面的一側應朝向螺栓頭部。

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 套連接副按標準規定，逐個進行試驗加載，直到全部試驗完成，記錄試驗數據，計算該組連接副的平均軸力、平均扭矩、平均扭矩系數、標準偏差和變異系數等。

2 試驗結果和分析

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試驗結果見表1。從表1 可知，螺紋破損的螺栓連接副，其扭矩系數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下的扭矩系數

2.2 扭轉扳手加載試驗速度的影響

分別取2組螺栓連接副，其中，1組扭轉扳手勻速加載，1 組扭轉扳手快速加載。兩組連接副扭矩系數的試驗結果見表2。從表2可知，勻速加載、快速加載兩者的試驗結果差異較大。這是因為扭矩扳手加載速度不均勻，會影響檢測結果。一些檢測員為了追求效率，會快速加載，造成結果偏差。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、數據穩定的扭矩測量值。

表2 螺栓扭轉扳手勻速加載和快速加載狀態下的扭矩系數

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的試驗結果見表3。從表3 可知，螺栓螺紋磷化膜風化的扭矩系數增大，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，從而導致所需施加的扭矩增大，扭矩系數相應增大。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，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。

表3 螺栓完好與磷化膜風化狀態下的扭矩系數

2.4 檢測環境的影響

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

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

表4 螺栓連接副環境溫度不同時的扭矩系數

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背對著螺母支撐面。2 組連接副扭矩系數的試驗結果見表5。

從表5 可知，扭矩系數均值差別不大，但是墊圈反裝的連接副扭矩系數偏差差別大。這是因為墊圈放反會造成摩擦力減小，質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下的扭矩系數

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的試驗結果見表6。從表6 可知，使用安裝過的連接副扭矩系數增大并離散。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受了高強度的摩擦，螺栓螺紋和螺母接觸面粗糙度都發生了的變化，因此摩擦系數也產生變化。高強螺栓連接副在用同樣的扭矩擰緊時，質量差的可能產生更大的拉伸力，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下的扭矩系數

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預拉力范圍值在153kN～187kN 之間，其中，1組螺栓扭矩系數預拉力值為154kN，1 組螺栓扭矩系數預拉力170kN,1 組螺栓扭矩系數預拉力值為186kN。3組螺栓連接副扭矩系數的試驗結果見表7。

從表7可知，預拉力值在154KN、170KN、186KN時，扭矩系數區別不大；預拉力在中間值時扭矩系數偏差較低，相對另兩組較穩定。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試驗。

表7 螺栓不同預拉力扭矩系數狀態下的扭矩系數

3 結論

影響扭矩系數的主要要素有：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，試驗結果表明：

⑴螺栓的螺紋破損、扭轉扳手快速加載、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平均值偏大，影響檢測結果準確性，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標準偏差偏大，顯示這些因素導致樣品差異性增大。

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

⑶預拉力對矩系數平均值影響很小，在標準允許的預拉力范圍內，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。