浅议如何控制摩擦型高强度螺栓的扭矩系数

摘要：摩擦型高强度螺栓连接则是钢结构现场连接的一种主要形式，采用扭矩扳手施拧需要准确的施拧扭矩，高强度螺栓的扭矩系数是计算施拧扭矩的重要参数，他决定了钢结构节点摩擦型传力的可靠性。然而，扭矩系数容易波动，如何将这一波动控制在较小范围是困扰广大技术人员的难题，有必要对影响扭矩系数的因素进行全面的分析，并采取针对性的措施，有助于提高摩擦型高强度螺 栓施工质量和控制水平。

关键词：控制摩擦型高强度螺栓扭矩系数

中图分类号：U213.5+2 文献标识码：A文章编号：

钢结构具有自重轻强度高的特性，故能够提供更大的承载能力。随着我国工程建设规模大型化以及“以钢代砼”的趋势，钢结构工程在工业与民用建筑、超大跨度桥梁方面得到了越来越多的应用。钢结构连接方式主要有焊接、铆接、高强度螺栓连接等形式。为了减轻焊接节点复杂应力状态下的疲劳破坏风险和方便施工，高强度螺栓连接形式应运而生。它具有施工简便、可拆换、受力好、耐疲劳、不松动和较安全等优点。但是采用扭矩扳手施拧高强度螺栓时需要准确的施拧扭矩，施拧扭矩的计算需要提供扭矩系数现场测试数据。根据现场质量控制的经验，高强度螺栓的扭矩系数容易受外界因素影响而宽幅波动，采用名义扭矩系数计算出的施拧扭矩容易造成部分螺栓的欠拧或超拧，影响钢结构节点摩擦型传力的可靠性。一座大型钢结构桥梁往往将使用上百万套的高强度螺栓，探讨如何将摩擦型高强度螺栓扭矩系数的波动控制在较小的范围，对保证钢结构众多节点的现场连接质量具有较大的现实意义。

扭矩系数的数理意义高强度螺栓连接分为摩擦型连接、承压型连接两种设计状态。摩擦型连接是以在设计荷载值作用下，连接件之间产生相对滑移，作为其承载能力极限状态，即要求摩擦型连接处于极限状态时，连接件之间的摩擦力必须大于被传递的杆件内力。

摩擦力计算公式为：F=N.µ.P式中F－摩擦力（剪切方向力）；N－传力摩擦面数；µ－摩擦面的摩擦系数；P－正压力（法线方向力），即高强度螺栓的预拉力，即轴力。

由上式可知，在其他条件确定的情况下，摩擦力的大小取决于施加的正压

的大小，而摩擦型高强度螺栓连接的正压力是依靠拧紧高强度螺栓获得的。

高强度螺栓的拧紧方法一般采用扭矩法，较难采用轴力测定法。施拧扭矩与螺杆轴力之间有如下关系：T＝K.P.d式中T－施拧扭矩（N.m），靠可调节输出扭矩值的电动扳手提供；K－扭矩系数；P－欲得到的高强度螺栓的预拉力（KN），即螺杆轴力；d－高强度螺栓的公称直径（mm），即螺纹直径设计值，如M24的公称直径为24mm。

由上式可知，要想通过施拧扭矩T可靠的导入高强度螺栓的螺杆轴力P，使用准确的扭矩系数是关键。

根据《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》（GB 1231-2006-T）中4.4条规定的连接副扭矩系数测试方法：一批高强度螺栓（不超过3000套）的扭矩系数需抽样（8套）测定，经数理统计方法计算后确定，此后该批高强度螺栓将按照此抽查测定的扭矩系数进行施拧。然而，高强度螺栓的扭矩系数属性值并不稳定，它形成于加工制造工艺，如：螺纹精度、连接副表面粗糙度、尺寸精度、表面处理等；受影响于运输、储存、工人操作等外界环境。其出厂质保书所载明的扭矩系数其实是厂内试验室环境下测得的试验代表值。我们在高强度螺栓施工阶段，随机抽样测定的扭矩系数实际上是受诸多外部条件累计影响后工地试验环境下的扭矩系数代表值。受检批高强度螺栓扭矩系数是否稳定和均衡对于准确导入高栓预拉力、保证节点摩擦型连接的可靠性具有直接影响。

加工制造工艺对扭矩系数的影响

高强度螺栓的加工制造过程同时也是其扭矩系数形成的过程，他决定了高强度螺栓出厂状态下的扭矩系数。

1、高强度螺栓连接副产品生产流程

高强度螺栓连接副生产的工艺过程为：原材料预处理冷镦成形螺纹加工（滚丝或者搓丝）热处理表面处理分选包装。该上述流程中，除原材料仅影响高强度螺栓的强度外，其余工艺环节均对扭矩系数产生影响

2、影响扭矩系数的制造工艺环节

1)冷镦成形：冷墩成形是利用模具将母材冷墩成高强度螺栓连接副（如螺栓和螺母）的毛胚，故冷镦模具的制作水平、制作精度决定了成形后的连接副组件的尺寸精度和表面粗糙度，冷墩模具的母材强度决定了工件成形的稳定性和模具使用寿命，冷墩锻压的功率大小决定了成形胚件的机械强度。

2)螺纹加工：螺纹加工采用滚丝或搓丝、攻牙方法，系冷作工艺。设备的加工精度将直接影响成品螺纹精度，必须严格控制形位公差超差、齿部皱纹和裂纹等缺陷。强有力的在线监控手段可以使大批量生产的高强度螺栓的形位公差和表面不平整度得到有效控制。

3)热处理：热处理调质是为了提高螺栓紧固件的综合力学性能，满足产品规定的抗拉强度值和屈强比。调质热处理工艺对原材料、炉温控制、炉内气氛控制、淬火介质等都有严格的要求。主要控制缺陷有材料的心部碳偏析、材料及退火过程中的表面脱碳、冷镦裂纹、调质中的淬火开裂和变形。热处理工艺流程为：上料清洗加热淬火清洗回火着色下线。

4)表面处理：高强度螺栓的表面处理方法往往采用磷化处理，分为磷化浸油处理和磷皂化处理，需要按照不同扭矩系数配用不同的钝化工艺和剂。

5)分选包装：在表面处理后采用的分选方式主要有人工挑选、涡流分选、光学传感尺寸及轮廓分选。分选过程主要是挑出带有明显缺陷的不良产品，如淬火裂纹、表面脱碳（涡流分选）、尺寸变形等。 包装主要是预防螺栓组件发生破损、散落及减少外界环境的侵蚀等。

环境因素对扭矩系数的影响

高强度螺栓使用前，为什么要在现场对其扭矩系数进行复检；施拧过程中出现异常时，为什么要对高强度螺栓的扭矩系数再次进行抽检确认呢？因为高强度螺栓的扭矩系数很娇气，容易受环境的影响而波动，其主要的环境影响因素有：

运输搬运条件

高强度螺栓从制造到使用将经历厂内运输入库、装车出厂运输、卸车工地入库、出库装车工地二次运输等环节，野蛮的运输搬运势必加大螺栓组件之间的摩擦和冲击，损伤表面处理状态，改变扭矩系数。

现场仓储环境

高强度螺栓的仓储条件应着重在防潮上下功夫。库房不得漏雨、地面需硬化采取防潮措施、房屋四周排水系统应完善，排水沟应深挖以降低地下水位。室内堆垛应采用木板垫高架空、上铺防潮层二次隔离来自地面的潮气。保持较小的堆垛规模，堆垛之间、堆垛与墙壁之间均需保持适当的空间保证良好通风。

组副安装质量

高强度螺栓每一连接副包括1个螺栓、1个螺母、2个垫圈，应分属同批制造，混批组装将使扭矩系数标准偏差增大。

施拧环境温度湿度

高强度螺栓的扭矩系数对施拧温度湿度较敏感，故扭矩系数值是与试验温度和湿度相关的，扭矩系数的复验也应遵循与工地气候环境同条件的原则。

控制措施和建议

从上文分析可知，高强度螺栓连接副产品生产流程是形成扭矩系数的基础，使用条件是影响扭矩系数稳定的外界因素，要想使高强度螺栓的施拧质量（螺杆轴力导入）准确、均衡，必须有效控制高强度螺栓连接副扭矩系数的波动范围，减小偏差系数。我们给予以下建议：

选择质量管理体系优秀、工艺和装备水平高、工艺过程控制严谨、过程检测能力强大、在线分选方法先进的专业制造企业作为供货商。良好的保证体系体系下制造的高强度螺栓扭矩系数具有较小的标准偏差，从而在源头上保证供货质量。

合同约定较小的扭矩系数波动范围，如将出厂状态扭矩系数平均值约定为0.12～0.14，并选用表面磷化处理后浸油的工艺。

加强运输管理，减少转运环节、减少运输颠簸、文明装卸。

加强储存环境管理，保持表面处理状态稳定。

做好货品收发、储存标识管理，保持良好的收发台账制度，务必要做到货品先进先出、及时使用，防止存放时间超过扭矩系数的有效期。

加强施工管理，按当天需要随领随用、轻拿轻放轻装配、避免沾染脏物、及时施拧减少暴露时间。