浅析常用钢结构高强度螺栓选型与复验

摘要：从理论角度对钢结构高强度螺栓进行分类；从试验测量得出的数据，介绍影响高强度螺栓紧固轴力和扭矩系数检测结果的因素及对策。

关键词：钢结构；紧固件；扭剪型高强度螺栓；大六角型高强度螺栓；紧固轴力；扭矩系数；达克罗高强度螺栓；螺栓复验检测

Abstract: From theoretical point of view on the strength Bolted classification; derived from the experimental measurement data on the factors and countermeasures for high strength bolts fastening axial force and torque coefficient test results.

Keywords: steel; fasteners; torsional shear type high strength bolts; hexagonal high strength bolts; fastening axial force; torque coefficient; dacromet high strength bolts; bolt reinspection detection

中图分类号：TU391 文献标识码： A 文章编号：

1 概述

由于钢结构具有强度高、结构轻巧、施工周期短和精度高等特点，频繁应用于各种建筑工程中，如高层及超高层建筑、石油化工装置、体育和文化展示场馆等。而且在现场安装时采用更方便和灵活的高强度螺栓连接，从而大大的提高了生产效率。但与此同时，钢结构工程的螺栓选型和检测亦受到了广泛的关注。在钢结构工程中，紧固件连接是钢结构连接的主要形式，特别是高强度螺栓的连接，更是钢结构最重要的连接形式之一。

2 高强度螺栓连接型式分类

高强度螺栓连接按连接型式分为摩擦连接、张力连接和承压连接三种。在工业与民用建筑、桥梁等结构中，通常在摩擦连接和承压连接中进行选则。

摩擦连接和承压连接均属抗剪连接。螺栓摩擦型连接是通过板件间的抗滑移力来传递剪力的，以板件之间出现滑动作为其承载能力的极限状态，这种连接即称为抗滑型连接或摩擦连接。采用摩擦型高强度螺栓连接所受的力靠钢板表面的摩擦力传递。

3 高强度螺栓分类

在抗剪设计时，摩擦型连接高强螺栓是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。这类螺栓就是我们通常所说的“结构用扭剪型高强度螺栓连接副”。

在抗剪设计时，高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。这类螺栓就是我们通常所说的“钢结构用高强度大六角头螺栓”。

在现代的钢结构设计中，设计者根据结构的载荷情况以及结构的形变特征，在结构的设计过程中往往已经选定了高强度螺栓连接副的类型，比如说“结构用扭剪型高强度螺栓连接副”或“钢结构用高强度大六角头螺栓”。 一般说来，由于允许接头滑移，承压型连接一般应用于承受静力荷载和间接承受力荷载的结构中，特别是允许变形的结构构件；重要的结构或承受动力荷载的结构应采用摩擦型连接，但用来耗能的连接接头可采用承压型连接。

4 高强度螺栓施用前的复验

根据“钢结构工程施工质量验收规范”的要求，高强度螺栓在使用前需要进行复验。扭剪型高强度螺栓连接副需要进行预拉力(紧固轴力)测试，而高强度大六角头螺栓需要进行扭矩系数复验。除此之外，使用扭剪型高强度螺栓连接的钢结构还需要进行螺栓连接摩擦面的抗滑移系数检验。

对于高强度螺栓复验时的检测方法，读者可以查阅“钢结构工程施工质量验收规范”的附录B。笔者经常碰到同一批次的送检螺栓，在不同的检测机构得出完全不同的检测结果。有幸对检测过程进行调查和分析，发现检测仪器的型号、检测员的操作技能、检测的环境和温度、螺栓的外观、包装质量等，都会给检测结果带来很大的影响。

4.1 螺栓取样和送检

在取样过程中，个别的施工单位和监理单位对螺栓的取样送检要求并不了解，从而影响检测结果。最大的误区是在螺栓取样时，将出厂分开包装的螺栓副（螺栓、螺母、垫片）组合成一套完整的螺栓（螺栓、螺母、垫片配合在一起）之后送检到实验室。实验室在进行螺栓检测时，需要将组合好的螺栓再次分开，然后装到试验设备仪器后在此将螺栓、螺母、垫片重新组装。但殊不知在此拆装组合过程中，会损坏螺栓上螺纹的加工工艺（如螺纹的表面粗糙度、螺纹的质量），从而严重影响螺纹的扭矩系数。

所以笔者建议在螺栓取样和送检以及检测准备过程中，要保持螺栓、螺母以及垫片的出厂状态。另外高强度螺栓在使用过程中要轻拿轻放，防止螺栓螺纹的损伤。

4.2 实验室的环境

高强度螺栓在出厂前，厂家会对螺栓进行抽样检测。为了保证检测的公证型，螺栓生产厂家一般选择20℃±2℃的检测环境温度。尽管GB/T3632要求试样在室温（10℃~35℃）下进行（而GB/T 1231没有对试验温度提出要求），但笔者的建议对螺栓的复验温度宜在20℃±2℃的环境下进行，不管试验失败或成功，其结果更具有代表性。而这一温度也是螺栓连接副紧固轴力的仲裁试验温度要求。

4.3 实验室的空气质量

笔者遇到的试验室各不相同，有些实验室的空气质量非常好，空气无灰尘。但有的实验室和机加工车间在一起，空气中悬浮着很多的颗粒灰尘。由于空气中飞满灰尘，在试验准备过程中，螺栓表面的螺纹上、螺母内部的螺纹上不可避免的会沾染上灰尘，沾染在螺纹表面的灰尘对螺纹牙侧的表面粗糙度会产生影响，从而对实验结果会产生很大的影响。

在螺栓取样、送检过程中，要尽量保证螺栓副的干净整洁，避免受到杂质的污染。

4.4 仪器设备、人为因素

检测仪器如轴力计等在实验前应进行标定，相对误差的绝对值不得大于测试轴力值的2%，刻度最小值应在1KN以下。模具和测试台的刚度性能要高，如果螺栓不能在模具和测试台上稳定的固定，试验很难进行。人为因素是指仪器调零和试验所用的机具、仪表以及被检测的螺栓连接副应在试验环境下放置至少2小时以上，这样试验温度才能均衡。

4.5 垫圈的影响

实验员对同一批次、同一规格螺栓的几组试样表明，垫圈的有无以及厚薄对检测结果产生很大的差异。所以垫圈的薄厚也要按照规范在实验前进行检测，这一点往往是工程检测的盲区。

规格为M24x80-10.9S的扭剪型高强度螺栓连接副紧固轴力检测

试验1：装有后垫圈的螺栓试验数据

试验2：装有薄垫片的螺栓试验数据

试验3：没有装垫圈的螺栓试验数据

通过上述数据可知，检测结果相差非常大。

5 表面镀锌铬（达克罗）层高强度螺栓

笔者在一些项目中，遇到了使用表面镀锌铬（达克罗）层处理的螺栓。应该说达克罗高强度螺栓在国内项目中用的很少，很多人对达克罗螺栓的处理和检测工艺也不甚了解。笔者经过试验以及与各种规范查阅，得到以下经验，供读者借鉴。

《钢结构用大六角螺栓连接副》和《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》中都有明确规定其螺栓螺纹公差带应符合6g，而锌铬涂层（达克罗）规定螺栓螺纹公差带应符合6h。然而螺栓螺纹公差带就是影响螺栓连接副扭矩系数或紧固轴力的三项重要因素之一（另外两项为连接副强度和表面处理），因此钢结构用非电解锌铬涂层（达克罗）螺栓连接副可以不考核其扭矩系数或紧固轴力。

在一些项目中，由于业主采用了表面镀锌铬（达克罗）层的高强度螺栓，但是施工单位以及建立公司并不了解钢结构用非电解锌铬涂层（达克罗）螺栓连接副可以不考核其扭矩系数或紧固轴力，一定要附件报告。在这种情况下，可以对这种螺栓增加一道制造工艺或增加一道施工工序（检测工序），使其检测结果也能符合《钢结构工程施工质量验收规范》的要求。

A、按照高强度螺栓连接副技术要求制造的螺栓在进行镀锌铬涂层（达克罗处理）时，在处理液中加入蜡油，使生产出来的镀锌铬涂层（达克罗）高强度螺栓（或螺母）的螺纹表面有一层蜡质，俗称自螺栓。蜡质层在高强度螺栓使用过程中起到作用，可以增加紧固轴力。经过无数次的试验表明这一方法对所有规格的《钢结构用高强度大六角头螺栓》螺栓都适用，对规格小于M22的《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》都是用，但是当螺栓规格大于M20时，其试验检测结果就变得不稳定。

B、按照高强度螺栓连接副技术要求制造的螺栓仅仅进行镀锌铬涂层（达克罗）处理，但在检测和使用之时，在螺栓尾部2~3道螺纹处均匀涂抹脂。脂在高强度螺栓使用过程中起到作用，可以增加紧固轴力。经过无数次的试验表明这一方法对所有规格的《钢结构用高强度大六角头螺栓》和《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》螺栓都适用。而且性能非常的稳定。

对于钢结构用达克罗高强度大六角头螺栓，各项技术性能既可以通过自形式得以保证，也可以通过外加剂的形式得以保证，因为它的扭矩系数范围为0.110~0.150，标准偏差≤0.010，范围好控制。但是对于钢结构用达克罗扭剪型高强度螺栓连接副来说，虽然是检测紧固轴力，但是其实际控制的也是扭矩系数，范围为0.125~0.135，标准偏差更为严格。进过无数次的试验得出，对于达克罗扭剪型高强度螺栓连接副来说，后添加的剂比自更能够保证扭矩系数。

请读者参考并比较以下几组试验数据

试验1

(平均值要求225~272， 标准偏差要求≤22.5)

由上述试验数据可知，脂的使用很大程度上影响着螺栓的检测结果。

注*：剂名称：长城牌二硫化钼脂；涂抹部位：螺栓末端螺纹2~3扣处；涂抹用量：涂抹部位涂满； 使用工具：手工涂抹，戴防护手套

试验2

（平均值要求190~230， 标准偏差要求≤19.0）

由上述试验数据可知，脂的使用很大程度上影响着螺栓的检测结果。

注*：剂名称：长城牌二硫化钼脂；涂抹部位：螺栓末端螺纹2~3扣处；

涂抹用量：涂抹部位涂满； 使用工具：手工涂抹，戴防护手套

试验3

（平均值要求225~272， 标准偏差要求≤22.5）

由上述试验数据可知，脂的使用很大程度上影响着螺栓的检测结果。

注*：剂名称：长城牌二硫化钼脂；涂抹部位：螺栓末端螺纹2~3扣出；

涂抹用量：涂抹部位涂满； 使用工具：手工涂抹，戴防护手套

6 应用实例

2010年南京某化工装置中业主采用的是10.9S达克罗扭剪型高强度螺栓。螺栓供应商提供的是后添加剂的达克罗高强度扭剪型螺栓，但是没有告知业主和监理单位。所以在螺栓复验时只是按照常规的检测方法（没有使用剂）对螺栓进行了复验，结果为不合格。后经过螺栓供应商的指点，在螺栓复验以及使用时，添加了适当的剂，各种规格螺栓复验结果合格，而且结果稳定。但是业主并没有局限于此，随即采购了一批自的达克罗高强度扭剪型螺栓并进行复验，发现规格小于M22的螺栓复验基本上都合格了，性能稳定。但是规格大于M20的螺栓，试验结果不稳定，业主放弃使用。但由于外加剂的螺栓在工程使用时多了一道涂抹剂的工序，业主最后决定将所有大于M20的螺栓改为自的大六角头高强度螺栓。

7 结束语

选用紧固件不单是使用者和设计者的事，而其选用的标准、要求，就是对制造者的标准要求。螺栓选型的决定者，要对钢结构受力情况、结构细节、防松方法、装配工艺、预紧程度、提高强度的措施等进行全面的分析和考虑，选择合适的螺栓型号，并与螺栓供应商进行充分的沟通。在螺栓复验以及使用时，要根据螺栓供应商的建议进行使用。

参考文献

[1] GB/T 13912-2002 《金属覆盖层 钢铁件热浸镀锌涂层 技术要求及实验方法》

[2] GB/T 1231-2006 《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈技术条件》

[3] GB/T 3632-2008 《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》

[4] 宁波九龙紧固件制造有限公司技研[2010] 06号

[5] 全国紧固件标准化技术委员会（2008）009号

[6] 检测、试验与测量技术 《扭剪型高强度螺栓、螺母、垫圈》章健 2008

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。