钢结构工程用高强度大六角头螺栓连接副扭矩系数影响因素试验研究

崔江华周 颖张海辉

（1 广东省建设工程质量安全检测总站有限公司）

（2 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司）

（3 广州市盛通建设工程质量检测有限公司）

0 引言

近年来，随着我国经济的繁荣发展，钢结构工程由于其美观简约、施工速度快、用途广泛等独特的优点，在基础设施、工业与民用建筑中的应用日益广泛，例如在公路桥梁和铁路、锅炉、工业工厂、高层建筑、起重机等民用和工业工程设施建设中，大六角头高强螺栓连接副作为连接的主要材料，得到了广泛的应用。

扭矩系数是反映高强螺栓拧紧过程中扭矩与轴力关系的技术指标，是高强度大六角头螺栓连接副的主要性能[1]。扭矩系数关系到钢结构紧固件的质量与使用寿命，是钢结构材料进场、验收的重要指标[2]。近年来，在高强度大六角头螺栓扭矩系数试验检测过程中，发现存在很多影响工程质量和试验检测数据真实性的因素。本文通过对不同情况下螺栓接连副扭矩系数的试验，研究了影响扭矩系数的多种因素，可为大六角头高强螺栓连接副的生产、运输、贮存、施工、送样、检测提供有益的技术参考。

1 试验

1.1 设备选择

YJZ-500S 型高强螺栓轴力扭矩复合检测仪：轴力范围（50～1000）KN，精度±1%；扭矩范围（100～1000）Nm,精度±1%。

扭矩扳手、扭矩传感器等。

1.2 试验测试样品

取某厂家生产的同一批次，规格型号为M20×100的钢结构用高强度大六角头螺栓连接副。按标准GB/T1231-2006 的要求每1 组高强螺栓连接副8 套，每套连接副包括2个垫圈，以及螺栓、螺母各1个。

1.3 环境条件

试验在室温（10℃～35℃）下进行，试验所用的仪器、设备、试验样品均应放置在该环境内≥2小时。

1.4 试验步骤

按标准GB/T1231-2006 第4.4 条款的规定进行试验。

1.4.1 样品安装就位时注意事项

连接副各组成部分（螺栓、螺母、垫圈）均只能试验1次，不能重复试验；

连接副放入垫圈、螺母时，需仔细检查正反方向，谨防错放，螺母支承面（圆柱台面）朝向主机前挡板，标有等级字样的面朝向试验人员；一个垫圈有倒角面的一侧应朝向螺母，另一个垫圈有倒角面的一侧应朝向螺栓头部。

1.4.2 试验加载

大六角头螺栓连接副试验，将扭矩传感器套在扭矩扳手上，用扳手对螺栓进行初拧，初拧扭矩为终拧扭矩的50%。

对8 套连接副按标准规定，逐个进行试验加载，直到全部试验完成，记录试验数据，计算该组连接副的平均轴力、平均扭矩、平均扭矩系数、标准偏差和变异系数等。

2 试验结果和分析

2.1 螺栓螺纹完好与否的影响

分别取2组螺栓连接副，其中，1组螺栓完好，1组螺纹轻微破损，两组连接副的扭矩系数试验结果见表1。从表1 可知，螺纹破损的螺栓连接副，其扭矩系数平均值及标准偏差与完好的相比，偏差较大。这是因为，当螺栓螺纹被破坏后，所需施拧的扭矩会增大，扭矩系数也相应增大。所以要求高强度螺栓连接副在运输或装卸过程中需要包装保护好，否则会因螺母无法锁紧而导致连接副失效。

表1 螺纹完好和破损状态下的扭矩系数

2.2 扭转扳手加载试验速度的影响

分别取2组螺栓连接副，其中，1组扭转扳手匀速加载，1 组扭转扳手快速加载。两组连接副扭矩系数的试验结果见表2。从表2可知，匀速加载、快速加载两者的试验结果差异较大。这是因为扭矩扳手加载速度不均匀，会影响检测结果。一些检测员为了追求效率，会快速加载，造成结果偏差。如果检测人员能够以适当且以匀速的速度来加载，就可得到符合要求、数据稳定的扭矩测量值。

表2 螺栓扭转扳手匀速加载和快速加载状态下的扭矩系数

2.3 高强螺栓磷化膜风化的影响

分别取2 组螺栓连接副，其中1 组螺栓完好，1 组螺栓磷化膜风化，两组连接副扭矩系数的试验结果见表3。从表3 可知，螺栓螺纹磷化膜风化的扭矩系数增大，离散度也有增大的趋势。这是因为螺栓螺纹磷化膜风化会增大螺纹的摩擦因数，从而导致所需施加的扭矩增大，扭矩系数相应增大。因此在连接副运输、组装过程中，要防止连接副外包装破损；在连接副保管过程中，应保证连接副处于密闭状态，严禁裸露在空气中；存放处地面应采取防潮措施，防止空气中的潮气导致螺栓锈蚀，影响扭矩系数。

表3 螺栓完好与磷化膜风化状态下的扭矩系数

2.4 检测环境的影响

分别取3组螺栓连接副，其中，1组从室外32℃的环境里把螺栓流转进试验室直接进行试验，1 组螺栓放在试验室23℃的环境里2 小时以上，1 组从10℃的环境里把螺栓流转进试验室直接进行试验。3 组连接副扭矩系数的试验结果见表4。

从表4 可知，螺栓在低温状态下扭矩系数相对偏低，扭矩系数偏差较大；螺栓在高温状态下扭矩系数相对偏高，扭矩系数偏差较大；螺栓在试验室恒温状态与高、低温状态下对比，扭矩系数和偏差数值稳定。这是因为随着温度从低到高，扭矩系数会随着温度的变化而变化，根据热胀冷缩的原理，螺栓扭矩系数在恒温状态下会相对稳定。标准GB/T1231-2006 中规定试验所用的机具、仪表及连接副均应放置在室温至少 2h 以上[1]。

表4 螺栓连接副环境温度不同时的扭矩系数

2.5 垫圈正反安装的影响

分别取2组螺栓连接副，其中，1组正确安装螺栓垫圈，组装连接副时，螺母下的垫圈有倒角的一侧朝向螺母支撑面；1 组螺栓垫圈反着安装，组装连接副时，螺母下的垫圈有倒角的一侧背对着螺母支撑面。2 组连接副扭矩系数的试验结果见表5。

从表5 可知，扭矩系数均值差别不大，但是垫圈反装的连接副扭矩系数偏差差别大。这是因为垫圈放反会造成摩擦力减小，质量差的同时还会使垫圈变形，无法恢复，失去功能。垫圈的目的是增加摩擦力，防止松动，所以垫圈一定要正确安装使用。

表5 螺栓垫圈正装与反装状态下的扭矩系数

2.6 连接副重复使用的影响

分别取2组螺栓连接副，其中，1组螺栓完好未使用过，1 组螺栓已使用安装过，两组连接副扭矩系数的试验结果见表6。从表6 可知，使用安装过的连接副扭矩系数增大并离散。这是因为在施加拧紧扭矩的过程中，螺栓螺纹与螺母接触面经受了高强度的摩擦，螺栓螺纹和螺母接触面粗糙度都发生了的变化，因此摩擦系数也产生变化。高强螺栓连接副在用同样的扭矩拧紧时，质量差的可能产生更大的拉伸力，从而导致螺栓拉断、变形等；在拆卸的过程中也需要较大的扭矩才能松开螺母，扭矩可能把螺栓扭剪变形。高强螺栓一般用在比较重要的连接位置，重复使用风险很高，因此高强螺栓不能重复使用。

表6 螺栓未使用过与螺栓使用过的状态下的扭矩系数

2.7 螺栓不同预拉力的影响

分别取3 组螺栓连接副，M20 高强度大六角头螺栓扭矩系数预拉力范围值在153kN～187kN 之间，其中，1组螺栓扭矩系数预拉力值为154kN，1 组螺栓扭矩系数预拉力170kN,1 组螺栓扭矩系数预拉力值为186kN。3组螺栓连接副扭矩系数的试验结果见表7。

从表7可知，预拉力值在154KN、170KN、186KN时，扭矩系数区别不大；预拉力在中间值时扭矩系数偏差较低，相对另两组较稳定。这是因为随着预拉力值增加，施拧的扭矩随之增长。要求较高的试验建议取预拉力中间值来进行扭矩系数试验。

表7 螺栓不同预拉力扭矩系数状态下的扭矩系数

3 结论

影响扭矩系数的主要要素有：螺栓螺纹完好状况、试验加载速度、螺栓磷化膜风化情况、检测环境、螺栓垫圈正反安装状况、螺栓连接副重复使用的状况、螺栓预拉力等，试验结果表明：

⑴螺栓的螺纹破损、扭转扳手快速加载、螺栓磷化膜风化、垫圈反装、螺栓连接副重复使用均会导致扭矩系数平均值偏大，影响检测结果准确性，其中以螺纹破损影响最大，偏大达11.1%；同时该5种情况均导致扭矩系数标准偏差偏大，显示这些因素导致样品差异性增大。

⑵环境温度对扭矩系数平均值影响较小，在10℃～32℃范围内，试验结果差异在3%以下；标准偏差则差异较大，23℃时标准偏差最小。

⑶预拉力对矩系数平均值影响很小，在标准允许的预拉力范围内，平均值的差异基本可以忽略；标准偏差则差异较大，在标准允许范围的中值处最小。