钢结构高强度螺栓性能检测及施工中的存在问题.pdf

第3 期 S l l0 “／ 年3 月 广东 土 木与建 筑 GUAN GD0NG ARC HI T EC T URE CI V I l ENG I N EE RI NG № 3 M A R 2 0 o 7 钢结构高强度螺栓性能检测及施工中的存在问题 陈健 文 江 门市蓬 江 区建 筑 工程质 量检 测站 广 f j -． 江 门 5 2 9 1 0 0 摘 要 阐述铜 结构高强度螺栓连接 力学性能检 测的各种影响 因素 ， 对规 范的试验 方法提 出补充建议 ， 指 出施工 规 范对 8 - 8 S级螺栓预拉 力值 和施 工预拉 力标准值的规定与设计规 范的矛盾 ． 并对施工 中的存在 问题进行探讨。 关 键 词 高 强度 螺 栓 连 接 ； 紧 固轴 力 ；预 拉 力 ；扭 矩 系数 ；标 准 偏 差 ；抗 滑 移 系数 ；施 工 扭 矩 1 引言 近年钢结构高强度螺栓连接 已广泛用于建筑钢 结构 、 桥梁、 大型起重机械等钢结构紧固件连接工程 中． 并基本取代 了铆接和部分焊接的形式 影响高 强度螺栓连接承载能力的最重要因素是其 紧固轴力 即拧紧预拉 力 、 扭矩系数以及连接摩擦面 的抗 滑 移系数 根据 G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工质 量验收规范 ． 扭剪型高强度螺栓连接副的紧固轴力 和高强度大六角头螺栓连接副的扭矩系数和标准偏 差除出厂检验外 ． 施工前及产品质量保证期 内还应 进行复检 ． 以确保施 丁中高强度螺栓紧固轴力 预拉 力 的准 确性 构 件 摩擦 面无 论 由生 产 厂 家处 理 还 是现场处理 ． 均应制作高强度螺栓连接板在施工安 装前进行抗滑移系数复检 ． 以确保高强度螺栓连接 承载力的可靠性 通 过 检测 实 践 并 与其 它 单位 进 行 比对试 验 ． 我 们认为试验人员对检测项 目的影响因素和注意事项 有充分 的认识 ． 才能尽可能地提高检测的准确性 ． 施 工 人员 也 同样 要 对 高强 度 螺 栓有 基 本认 识 ． 还要 有 系统的施工质量保证措施 ． 才能共同提高高强度螺 栓连接 的工 程质量 2 扭剪型高强度螺栓连接副的紧固轴力和标准偏差 2 ． 1 扭剪型高强度螺栓的制作 扭剪 型高强度螺栓 与高强度大六 角头螺栓相 比， 具有施工简便 、 受力性能好 、 检查直观 、 施工质量 有保证等优点 ． 但制作工艺要求更为严格 ． 其价格也 较高。其中梅花卡头加工精度要求较高 ． 滚槽是保 证紧固轴力稳定的关键所在 ． 热处理后的螺纹 回轧 是提高螺牙光洁度和保证紧固轴力稳定的重要工序 2 ． 2 紧固轴力和标准偏差的影响因素 紧固轴力是螺 栓连接副技术性能的综合体现 ． 其影响不确定 因素有数十种．如螺栓工件加T精度 许多lT件表面不加T 、 摩擦力 、 垫圈支承面 、 螺母 和垫 圈的硬度 、 扳手拧动速度 、 润滑程度等 ， 各联接 副的接触表面粗糙度和几何形状也不完全相 同 2 _ 3 紧固轴力的试验 采用轴力计或轴 力传感器方法进行试验 ．将螺 栓直接插入轴力计中． 放人垫圈并旋人螺母 ． 螺栓紧 固分初拧和终拧两次 ．先用手动扭矩扳手或专用定 扭扳手 ． 初 紧至预拉力标准值的 5 0 ％． 再用专用 电 动扳手拧紧至尾部梅花头拧掉 ． 读出预拉力值 3 高强度大六角头螺栓连接副扭矩系数 值 和标 准偏 差 3 ． 1 高强度大六角头螺栓连接副的制作 高强度大六角头螺栓的使用更为广泛 ．其热处 理及表面处理一般采用热镦或冷镦后滚轧螺纹再进 行热处理 ． 以提高强度和硬度 螺栓表面防腐一般采 用镀锌或发蓝处理 ．近年开发出新型锌铬膜表面处 理技术。 与螺栓配套的螺母的加T成型是采用冷镦 、 热处理和攻丝 ． 必须保证丝扣精度 ． 对表面及螺纹部 位进行磷化、 皂化处理 以提高润滑。 垫圈是经热处理 的高强度平垫圈． 其厚度较大 螺母和垫圈绝对不得 用其它普通产品代替 若热处理工艺控制不当． 会 现非正常组织 ． 导致产品硬度与强度下降 高强度螺 栓应使用配套螺母 ． 螺母要保证受力荷载 在试验中 也规定对大六角头高强度螺栓拧紧时 ． 只允许在螺母 上施 加扭矩 51 维普资讯 2 O 0 7 年3 月 第3 期 陈 健文等 钢 结构高 强度 螺栓性能 检测及 施工中 的存 在问 题 M A P , 2 O 0 7 N o ．3 3 ． 2 影响扭矩系数的因素 扭矩系数是高强度螺栓连接的一项重要指标 ． 也是扭矩法施工的重要参数 ． 该值及其离散性与螺 栓 、 螺母 、 垫圈三者的加工精度 、 表面状态和硬度有 关。若连接副的扭矩系数超标 ． 则会造成螺栓紧固 预拉力不足 若离散性超标则会造成部分螺栓 紧固 预拉力不足或过分紧固． 甚至出现螺栓断裂的危险。 影响扭矩系数的主要因素如下 ①螺栓、 螺母和 垫圈的硬度应符合其相关技术规范的要求 ②螺母 螺纹和垫圈支承面的表面状态会 影响扭矩系数 值及其离散性； ③螺栓螺纹表面和螺母、 垫圈支承面 存在的氧化铁皮可使 K值减小 ④螺母、 垫圈表面 进行甩滚处理可使 K值减小 ⑤气温较常温变化大 会使轴力松弛和K值增大 ⑥在螺栓连接副运输、 储 存 、 安装过程中 ， 连接副生锈 、 螺纹损伤 、 被泥沙污 染 、 润滑油干枯等 ． 都会使 K值增大或离散性超标。 3 ． 3 扭矩系数试验 ’ 使用轴力计或轴力传感器试验 ． 放人垫圈和旋 人螺母 ． 因夹具硬度与螺栓垫圈硬度相当． 故螺栓头 一 侧垫圈可不安装 ． 注意螺母和垫圈的安装方向． 用 精密扭力扳手对螺母均匀施加扭矩 ． 在读取螺栓拉 力 P的同时读取施加在螺母上的施拧扭矩值 ． 按 ．d计算扭矩系数。试验 中应注意以下问题 1 如发现共转情况 长期使用会使夹具变得光 滑 ， 因会使结果产生较大误差 ， 故应舍去此次数据 ， 更换连接副后重新进行试验。 2 试验用扳手调零时应注意其 自重所施加 的 扭矩 ． 水平放置后调零。 3 测定扭矩值时扭矩扳手应匀速施加扭矩。 4 安装连接副时 ， 螺栓应略为露出螺母 ， 但不 得大于三扣 若螺栓过长则可使用经热处理的规定 硬度的直套筒套在螺栓头一侧 ． 以调整其露扣长度 。 5 笔者注意到 G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 表 B ． 0 ． 4中 8 ． 8 S 级螺栓预拉力值取值的最大值小于 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 的设计值 ． 建议其 8 ． 8 S级螺栓预拉力值范围应增大 约 1 0 ％． 否则测得 的扭矩系数并不能反映实际工作 状况下的扭矩系数 4摩擦面抗滑移系数 在测定摩擦 面抗滑移系数前 ． 采用 的扭剪型高 强度螺栓和高强度大六角头螺栓连接副必须经复验 合格。 5 2 4 ． 1 摩擦面的检查 ①如试件摩擦面有浮锈、 油漆， 孔边有毛刺、 飞 边等， 均应设法清理； ②螺栓应处于孔的中心位置。 4 ． 2 试件的组装 ①在设有冲子或I I m -t 螺栓的孔中穿人高强螺栓 ． 用短把扳手适当拧紧．再将 冲子或临时螺栓用高强 螺栓取代 ②注意螺母、 垫圈的正反方向。 4 ． 3 抗滑移系数试验 1 螺栓紧固时注意先拧中心两颗再拧外部的 两颗 ． 以防止连接板翘曲不平对摩擦力的影响． 螺栓 紧固应分为初拧和终拧 2 构件连接试件上螺栓的预拉力 应准确控 制在 0 ． 9 5 1 ． 0 5 P P为 高强度螺栓设计预拉力值 内． 按 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3取值 ． 如对于 1 0 ． 9 S 级 M2 0螺 栓， 预拉力 P - 1 5 5 k N 对于 8 ． 8 S级 M2 0螺栓 ， 预拉力 P-1 2 5 k N 。 3 必须注意试件设 计有效截面积应保证在达 到设计抗滑移系数前试件不发生塑性变形 ．即试件 抗拉极限拉力值大于试件的摩擦极限拉力值 ．因此 选择中间拉力板时必须计算其板厚 板宽已在规范 中给出 ． 以满足试件试验时在弹性范围内。 4 若测得的抗滑移系数小于设计值 ． 构件摩擦 面应 重新 处理 后再进 行试 验 5施工扭 矩 的确 定 及施 工注意 事项 1 施工 中螺栓 紧固必须进行初拧和终拧 ． G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 规定对高强度大六角头螺栓连接副 ． 其 初拧扭矩可取终拧扭矩 的 5 0 ％ 扭剪型高强度螺栓 连接副的初拧扭矩 0 ． 0 6 5 P c d P c 为施工预拉力标 准值 d为螺栓公称直径。 ， 终拧时拧掉尾部梅花头。 日本港大桥试验表明．当初拧扭矩分别为终拧 扭矩的 5 0 ％， 6 5 ％， 8 0 ％时 ． 再终拧至 1 0 0 ％， 轴力平 均下降分别为 1 ． 5 ％， 1 ． 0 ％， 0 ． 5 ％， 可见初凝扭矩越大 终拧后轴力损失就越大 ． 但其值相差甚微 规范规定 初拧扭矩取 0 ． 5 是合适的 终拧扭矩值 K d 。 2 根据 国外螺栓连接副松弛徐变试验 ． 螺母紧 固后 2 4 h螺栓轴力减小 6 ％～ 9 ％． 其后损失速度变缓 ． 为补偿预拉力损失 ．其施工扭矩应将螺栓设计预拉 力提高 1 0 ％。 3 但我们注意到 G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 第 6 - 3 ． 4条“ 高 强度螺栓连接副的施拧顺序和初拧 、复拧扭矩应符 合设计要求和国家现行行业标准 钢结构高强度螺 维普资讯 2 O 0 7 年3 月 第3 期 广东 土木与 建筑 M A R 2 0 0 7 N o ． 3 栓连接的设计 、 施工及验收规程} J G J 8 2的规定。 ” 但 J G J 8 2 9 1 和 G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 对 8 ． 8级高强 度大六 角 头螺栓施工预拉力的给定值 比G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢 结构设计规 范 相应的设计预拉力 约大 1 0 ％， 故笔 者认 为此 条 应按 照 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3执 行 ． 否则 施工 将会产生严重的欠拧结果 ． 达不到设计要求 ． 建议施 工预拉力标准值按表 1 执行 表 1 高强度螺栓连接副施工预拉 力标准值 k N 4 用扭矩控制法施工 ， 因受离散性影响 ， 一旦 螺栓制作质量差或施工管理不善 ． 值超标控制预 拉力就会出现问题且难以处理 采用转角法施工就 可避免较大的误差 ． 但转动的角度需经试验确定 5 高强度螺栓 紧固轴力 和扭矩系数试验的 目 的． 首先是控制螺栓质量 ． 在试验中我们发现部分高 强度大六角头螺栓的扭矩系数大于 0 ． 1 5 ． 或标准偏 差超过 0 ． O l ； 有些送检 的螺栓 、 螺母和垫圈的尺寸明 显偏小， 会对连接副的疲劳强度产生较大的影响． 说 明我国在高强度螺栓制作水平和质量把关方面与外 国相比仍存在较大的差距 ． 容易造成工程隐患 ． 应引 起人们的重视 ． 施工单位应选择有信誉厂家的产品 6 对于螺栓重复拧紧问题 ． G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 规 范规定每套连接副只应做一次试验． 不得重复使用 许多相关试验资料表 明． 只要螺栓和螺母 的螺纹没 有损伤 ， 着重复拧紧并不影响扭矩系数 ， 可视为离散 性。我们也做过试验 ， 用同一根螺栓进行 4次试验． 在预拉力范围内 值基本稳定． 上下波动 4 ％． 但平 均值基本稳定． 可视为仪器和拧动扳手速度的误差 因此 ． 工地上如因故卸松螺母重拧． 或进行紧固扭矩 检查时 ． 对螺栓预拉力影响不大 7 当外界温度与常温相差较大时 ． 应进行试验 以调整扭矩， 但因扭剪型高强度螺栓扭矩无法调整 ． 故规定其使用温度是非常必要的 日本规范规定了 扭剪型高强度螺栓使用 O C ～ 6 0 ℃的紧固轴力 8 个别建筑施工单位存在对高强度螺栓连接 副 的安全使用缺乏基本知识 ， 而正确 的保管 、 安装 、 使用 、 保养是结构是否安全运作 的主要 因素之一 ． 施 工单位应采取质量保证措施 ．以提高高强度螺栓 的 安装质量 如高强螺栓设专人管理妥善保管． 不得乱 扔乱放， 安装过程中不得碰伤螺栓及污染． 以防扭距 系数发生变化； 注意防潮防腐蚀 ． 长期保存时对其表 面要涂 以黄油 、 蜡 、 机械润滑油等进行润滑处理 ； 在 同一连接面上． 高强螺栓应按同一方向投人 ． 高强螺 栓安装后应当天终拧完毕 安装不能在雨中进行等 参考文献 [ 1 ]G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施 工质量验收规范 [ S ] [ 2 ]J G J 8 2 9 1 钢 结构高强 度螺栓连接 的设计 、 施工及 验 收规程 『 S ] [ 3 ]G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 『 S ] [ 4 ]王 伯琴 ， 陈录如 ， 陈先锋编著．高强度螺栓连 接[ M] ．北 京 冶金工业 出版社 ． s 屯 ． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯j屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s ． s 屯． s 屯 ． s 屯 ． s 屯 ． s 屯 ． s 屯 j屯 ． s 屯 ． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯 ． s 屯 j屯 ． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 止． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯 r 上接第 6 o页 参考文献 4结语 [ 1 ]D B J 0 8 2 1 9 9 6 上海市标准 火灾后混凝 土构件评定 4 ． 1 火灾后受弯构件在正常使用极限状态下 的最 标准[ s ] 大挠度 ，即为火灾高温产生损伤变形值与 [ 2 ]路春林， 屈立军， 薛武平等． 建筑结构耐火设计[ M] ． 北 构件的制作反拱或下挠值之和 加上构件在考虑荷 京 中国建材工业出版社， 1 9 9 5 载长期效应组合作用下产生的挠度值 。 [ 3 ]徐或， 徐志胜， 朱玛． 高温作用后混凝土强度与变形试验 4 ． 2 火 灾后混凝 土构件在荷载作用下产生 的挠度 研究⋯ ． 长沙铁道学院学报， 2 0 0 0 ． 6 值可利用现行混凝土结构设计规范的相关计算方法 [ 4 ]沈蓉， 凤凌云， 戎凯．高温 火灾 后钢筋力学性能评估 进行计算 ． 但应注意混凝土和钢筋的材料力学性能 [ J ] ． I I ] 1 1 建筑科学研究， 1 9 9 1 2 应采用火灾后的材料性能值 [ 5 ]屈立军． 火灾时钢筋混凝土构件截面特征参数[ J ] ． 建 筑技术 ． 1 9 9 5 5 5 3 维普资讯